Diagnostic et quantification des flux nappe - rivière : modélisations hydrodynamique et géochimique du bassin versant de l'Yvette amont (France)

par Karine Lefebvre

Thèse de doctorat en Terre solide : géodynamique des enveloppes supérieures, paléobiosphère

Sous la direction de Élisabeth Gibert-Brunet.

Le président du jury était Hermann Zeyen.

Le jury était composé de Élisabeth Gibert-Brunet, Hermann Zeyen, Ludovic Oudin, Eric Pili, Florent Barbecot, Daniele Pinti.

Les rapporteurs étaient Ludovic Oudin, Eric Pili.


  • Résumé

    Dans le contexte péri-urbain à dominance agricole de l’Ile de France, les pressions anthropiques exercées sur les rivières jouent autant sur la qualité que sur le débit des cours d'eau. Située au sud-ouest de Paris, l’Yvette draine un bassin versant de 202 km²et à la géologie homogène. Elle est alimentée directement par des stations d'épuration (STEP) et par la nappe des sables de Fontainebleau qui représente la principale source d’eau. Sur ce type de bassin, la gestion durable du système riverain repose sur la connaissance de la distribution des flux nappe – rivière et sur l’impact de cette répartition sur la qualité des cours d’eau.La dynamique des flux d’eau a été suivie grâce à l’implantation de stations hydrométriques aux points clés du réseau hydrographique (i.e. exutoires des principaux affluents, aval des confluences sur l’Yvette). Les flux chimiques ont été étudiés par analyses d’échantillons d’eau recueillis lors de campagnes de terrain effectuées en période d’étiage sur les cours d’eau. Un modèle conceptuel global, calibré à partir des chroniques de débit, a permis (i) d’estimer des variations spatiales de la recharge de la nappe (60 – 160 mm.an-1), et (ii) d’établir une répartition journalière des parts d’eau de nappe, de STEP et de ruissellement en rivière, pour la période 2001-2014. Par ailleurs, l’analyse des traceurs géochimiques (e.g. Cl-, NO3-, SO42-) et isotopiques (222Rn, δ18Oeau, δ2Heau) soutient la prédominance, aussi bien quantitative que qualitative, de la nappe sur les rivières.D’un point de vue hydrodynamique, le contexte géomorphologique homogène procure aux rivières une dynamique similaire avec des épisodes de crues très courts (de l’ordre de quelques heures) et des périodes d’étiages marqués, quelle que soit la saison. L’étude par sous-bassin a mis à jour une différence entre les bassins topographiques et les bassins d’écoulement souterrains, créant des déficits hydriques sur l’amont de certains cours d’eau (e.g. Mérantaise, Ru des Vaux) au profit d’autres (e.g. Rhodon). Le parallèle entre bassins topographique et souterrain n’a pu se faire qu’au niveau du cours principal de l’Yvette. Sur la période 2001-2014, le débit de l’Yvette provient en moyenne à 55 % de la nappe, à 38 % du ruissellement et à 8 % des STEP. En période de basses eaux, la contribution des STEP reste sensiblement identique tandis que la nappe constitue la principale alimentation des rivières (90 %), contrôlant donc leur qualité. Mais la composition chimique de ce soutien souterrain n’est pas homogène. Pour déterminer l’origine de ces disparités, un travail à plus petite échelle a été conduit sur un affluent majeur de l’Yvette (le Rhodon). La décharge de la nappe en rivière y est bimodale : 15 % arrive par voie souterraine et 85 % transite par les milieux humides en surface. Au sein des zones humides sont observées de fortes hétérogénéités dans les écoulements et leur chimie, avec des flux de subsurface totalement épurés en nitrates et du ruissellement riche en nutriments. La prédominance de des flux de surface réduit fortement le pouvoir épurateur des milieux humides, avec seulement 6 % des eaux de nappe épurées avant leur décharge en rivière. Cette faible efficacité renforce l’impact direct de la qualité de la nappe sur les rivières. Sur le bassin, la nappe est stratifiée par l’intervention de nombreux processus de recharge (infiltrations d’eau d’étang, de STEP, de zones humides de plateau). Les petits sous-bassins (< 50 km²) semblent dominés par cette stratification, ainsi que par les apports de STEP qui contribuent aux flux chimiques des rivières à hauteur de 30 à 50 %. Le cours principal de l’Yvette, dans sa partie aval, dépend des mélanges issus des confluences avec ses affluents. Les outils utilisés ici ont donc mis en avant les différences de fonctionnement des bassins selon l’échelle concernée, tout en reliant l’importance de la compréhension du système à petite échelle pour la gestion à grande échelle.

  • Titre traduit

    Diagnostic and quantification of groundwater inflows to small stream : Hydrological and Geochemical modeling approaches on the Yvette amont catchment (France)


  • Résumé

    In the peri-urban context with large farm practices of the Paris region, anthropogenic pressures on streams and rivers impact both their flow and quality. Located in the southwestern of Paris, the Yvette stream drains a watershed of 202 km², in a homogeneous geological context. The stream is sustained by waste water treatment plant (WWTP) and by the Fontainebleau sands aquifer which represents the main source of water.In this context, the sustainable management of the stream and its riparian zones needs the assessment of groundwater discharge locations and chemistry, and their impact on the stream water quality.Water fluxes in the stream and in its main tributaries have been recorded at 11 stations. Dissolved elements distributions have been studied by field works in low-flows conditions. A lumped model, calibrated with stream flow hydrographs, has allowed (i) the estimation of groundwater recharge rates (60 – 160 mm.y-1) and (ii) the distribution of stream flow contributions between 2001 and 2014 (i.e. 55 % from groundwater, 38 % from runoff and 8 % from WWTP). Moreover, the use of geochemical and isotopic tracers (e.g. Cl-, NO3-, SO42-, 222Rn, δ18Owater, δ2Hwater) confirmed the large impact of groundwater on stream flow and quality.The hydrological dynamics of the Yvette stream and its tributaries are similar because of the homogeneity of the geomorphological context of the catchment. The flood events are really fast (on the order of hours) and low-flow conditions can be observed in every season. The discretization of the Yvette catchment in 11 sub-watersheds highlighted a divergence between the topographical and hydrogeological catchments. This generates a water deficit in some tributaries heads (e.g. Mérantaise, Ru des Vaux) in favor of some others (e.g. Rhodon). The matching limits of these catchments can only be made on the Yvette channel. During the 2001 – 2014 period, considering a fairly constant WWTP contribution, the groundwater discharge provides more than 90 % of the stream flow during low-flow conditions. This highlights a stream quality dominated by groundwater discharge. However, groundwater chemistry largely varies over the catchment. To study this phenomenon, a small-scale field work has been directed on the Rhodon stream, a main tributary of the Yvette River. At this scale, the groundwater discharge appeared to have two main pathways: 15 % come from the streambed while 85 % transit in wetlands before going to the stream. Within these wetlands, a large part of groundwater flows at the surface and has high levels of nutrients, whereas a small part (6 %) goes through sediments and is nutrients free. reduces The purifying power of these wetlands, significantly reduced by this distribution, is likely related to historical drainage and reinforces the direct connection between the stream and groundwater quality. On the Yvette catchment, the stratification of groundwater chemistry is due to several recharge processes (e.g. pond water infiltration, WWTP effluents infiltration, wetlands water infiltration). Small sub-watersheds (< 50 km²) seem to be dominated by (i) this stratification, and (ii) the WWTP discharges which can contribute from 30 % to 50 % to dissolved fluxes in the streams. The main channel of the Yvette stream primarily depends of the mixing of its tributaries waters. The methods developed here allowed highlighting (i) differences of catchment functioning according to the scale used, and (ii) the utmost importance of the small-scale assessment to understand/decipher and manage streams at larger scales.


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