Hydrologie et modélisation hydrologique des tourbières acides du Massif Central (France)

par Arnaud Duranel

Thèse de doctorat en Geographie

Sous la direction de Hervé Cubizolle.

Soutenue le 23-03-2016

à Lyon , dans le cadre de École doctorale Sciences sociales (Lyon) , en partenariat avec Université Jean Monnet (Saint-Étienne) (Etablissement opérateur d''inscription) et de Environnement, ville, société (Lyon, Rhône) (laboratoire) .

Le président du jury était Hervé Piégay.

Le jury était composé de Luc Aquilina, André-Jean Francez, Didier Graillot, Fatima Laggoun-Defarge, Robert Wyns.


  • Résumé

    L'objet de la présente thèse est de caractériser, quantifier et modéliser les flux d'eau au sein de la Réserve Naturelle Nationale de la Tourbière des Dauges, située en Limousin (Massif Central, France) et qui inclue une tourbière acide de fond de vallon et son bassin versant. Un ensemble de techniques, incluant la description de coupes superficielles existantes, la réinterprétation de sondages géologiques profonds, la tomographie de résistivité électrique et une modélisation de la distribution spatiale des formations affleurantes, ont été utilisées pour caractériser la nature et la géométrie des formations d'altération du granite. Les dépôts alluviaux et tourbeux ont été caractérisés et cartographiés par sondage à la tarière et à la tige filetée, et leur conductivité hydraulique estimée par choc hydraulique. Les précipitations, les paramètres météorologiques nécessaires au calcul de l'évapotranspiration potentielle, les débits et niveaux dans les ruisseaux, et les niveaux piézométriques dans la tourbe et les formations minérales sous jacentes ont été mesurés en continu pendant trois ans. Le modèle hydrologique distribué à base physique MIKE SHE / MIKE 11 a été utilisé pour modéliser les écoulements et les niveaux piézométriques au sein de la tourbière et de son bassin versant avec un pas de temps quotidien et une résolution spatiale de IO m. Il est montré que les apports souterrains issus de la zone fissurée du granite et suintant au travers du dépôt tourbeux constituent une part quantitativement importante et fonctionnellement essentielle de la balance hydrique de la zone humide. La présence d'une nappe affleurante entraîne une évacuation rapide vers les cours d'eau des apports par ruissellement ou par précipitation directe du fait de la saturation des histosols. Toutefois, il est montré que le fonctionnement hydrologique à l'échelle locale peut s'éloigner de ce schéma général du fait d'une grande hétérogénéité du taux d'humification et de la conductivité hydraulique de la tourbe, de la présence de dépôts alluviaux très perméables sous ou au sein du dépôt tourbeux et de perturbations anthropiques passées. Une fois calibré, le modèle hydrologique, qui représente la zone fissurée du socle granitique comme un milieu poreux équivalent, donne des résultats satisfaisants à très bons selon les indicateurs de performance utilisés: il est capable de reproduire les débits dans les cours d'eau au niveau des quatre stations de jaugeage disponibles, et le niveau de la nappe dans la plupart des piézomètres installés. A l'échelle du bassin versant étudié, le niveau moyen de la nappe simulé par le modèle montre une très bonne concordance avec la distribution observée des végétations de zone humide, cartographiée de manière indépendante. Les analyses de sensibilité ont montré que la porosité efficace et la conductivité hydraulique horizontale de la zone fissurée du granite sont les paramètres auxquels les débits et les niveaux de nappe (y compris dans la tourbe) simulés par le modèle sont les plus sensibles, ce qui démontre l'importance d'une meilleure caractérisation des formations d'altération du granite dans tout le bassin versant pour la compréhension et la modélisation du fonctionnement hydrologique de ce type de zone humide. Le modèle a été utilisé pour simuler l'impact potentiel d'un changement d'occupation des sols au sein du bassin versant sur la balance hydrique et les niveaux de nappe dans la zone humide, ainsi que sur les débits dans les cours d'eau. Le modèle suggère que le remplacement des végétations conduirait à une réduction substantielle des apports de surface et souterrains à la tourbière et à un abaissement conséquent des niveaux de nappe dans les histosols en période estivale.

  • Titre traduit

    Hydrology and hydrological modelling of acidic mires in central France


  • Résumé

    This thesis identifies, quantifies and models water fluxes within the Dauges National Nature Reserve, an acidic valley mire in the French Massif Central. A range of techniques were used to investigate the nature and geometry of granite weathering formations and of peat deposits. Rainfall, reference evapotranspiration, stream discharge, stream stage, groundwater table depths and piezometric heads were monitored over a three-year period. The distributed, physics-based hydrological model MIKE SHE / MIKE 11 was used to model water flow within the mire and its catchment. lt was shown that the mire is mostly fed by groundwater flowing within the densely fissured granite zone and upwelling through the peat deposits. Upwelling to the peat layer and see page to overland flow were highest along the mire boundaries. However hydrological functioning differs from this general conceptual model in some locations due to the high variability of the peat hydraulic characteristics, the presence of highly permeable alluvial deposits of past human interference including drainage. The equivalent porous medium approach used to mode groundwater flow within the fissured granite zone gave satisfactory results : the model was able to reproduce discharge at several locations within the high-relief catchment and groundwater table depth in most monitoring points. Sensitivity analyses showed that the specific yield and horizontal hydraulic conductivity of the fissured zone are the parameter to which simulated stream discharge and groundwater table depth, including in peat, are most sensitive. The model was forced with new vegetation pararneters to assess the potential impacts of changes in catchment land use on the mire hydrological conditions. Replacement of the broad leaf woodlands that currently cover most of the catchment with conifer plantations would lead to a substantial reduction in surface and groundwater intlows to the mire and to a substantial drop in summer groundwater table depths, particularly along the mire margins.


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