Quantification des échanges nappe-rivière au sein de l'hydrosystème Seine par modélisation multi-échelle

par Baptiste Labarthe

Thèse de doctorat en Géosciences et géoingénierie

Sous la direction de Chantal De fouquet et de Nicolas Flipo.

Thèses en préparation à Paris Sciences et Lettres , dans le cadre de École doctorale Géosciences, ressources naturelles et environnement (Paris) , en partenariat avec Géosciences (laboratoire) , Géosciences - Fontainebleau (equipe de recherche) et de École nationale supérieure des mines (Paris) (établissement de préparation de la thèse) depuis le 01-10-2012 .


  • Résumé

    L'objectif de la thèse est la simulation des interfaces nappe-rivière à différentes échelles. Spatialement et temporellement, une interface peut-être vue comme une cascade d'objets emboîtés. Par exemple l'interface nappe-rivière, est souvent constituée à l'échelle régionale par une plaine alluviale, alors qu'à l'échelle de la plaine alluviale, cette interface est constituée par la zone hyporhéique et ainsi de suite jusqu'à l'interface eau-benthos. Dans ce travail le concept de cascade d'échelles sera exploré en vue de la construction d'une plate-forme de modélisation multi-échelles des hydrosystèmes continentaux. L'idée novatrice est que le changement d'échelle pourrait être géré par emboîtement de modèles autour des interfaces qui peuvent être vues comme des objets communs aux différentes échelles, mais décrits de manières différentes. Aujourd'hui, il existe de nombreux modèles de l'hydrosystème Seine à différentes échelles. Ces modèles pseudo 3D couvrent une large échelle spatiale allant du petit bassin agricole (40km², maillage décamétrique) au grand bassin (65 000km² maillage kilométrique), en passant par des bassins intermédiaires (1000km², maillage hectométrique). La diversité des représentations engendre des incohérences entre les différents modèles. Outre un travail préalable sur la représentativité des processus aux différentes échelles spatio-temporelles, la thèse vise à rendre cohérentes les différentes modélisations afin de mieux contraindre les modèles locaux mais aussi d'intégrer les connaissances locales au modèle régional. Le travail s'appuiera plus particulièrement sur deux interfaces nappe-rivière qui représentent la variété des contextes morphologiques du bassin de la Seine : 1) le Site du Grand Morin, représentatif du contact nappe tertiaire-réseau hydrographique, et 2) le Secteur de la Bassée, représentatif du contact aquifère de la Craie (Crétacé Supérieur) – réseau hydrographique. Dans le cadre de l'axe « interface nappe-rivière » du programme de recherche PIREN Seine, ces deux sites font l'objet d'un suivi de terrain auquel participent plusieurs grands acteurs de la recherche nationale. Une meilleure représentation des processus hydrologiques aux interfaces permettra de mieux contraindre les modèles hydro-biogéochimiques. La meilleure imbrication des modélisations devrait permettre une meilleure utilisation des modèles.

  • Titre traduit

    Quantizing stream-aquifer fluxes at regional scale by multi-scale modelling of the Seine hydrosystem


  • Résumé

    Given the current climate and anthropogenic evolutions, water management becomes one of the greatest challenges of the 21st Century. For that purpose, identifying hydraulic continuity between surface and subsurface water leads to the concept of integrated water management. In this work this management concept is applied on the Seine basin by modelling stream-aquifer interfaces through space. Stream-aquifer interface can be seen as a multi-scale object of which description changes according to the scale study. At the regional scale the stream-aquifer interface consists of the alluvial plain. In the alluvial aquifer, the interface can be associated with the fluviatile corridor. Finally, the fluviatile corridor include the hyporhéic zone which represents the stream-aquifer interface at local scale. If stream-aquifer interfaces are differently described through space, modelling the hydrological processes occuring at the interface between aquifer and river system requires the conceptualization of the interface as an holistic entity. The implementation of this concept can be done through multi-scale modelling of stream-aquifer interfaces. This modelling procedure, aimed at embody the local characteristics of the interfaces (such as structural or hydrodynamic heterogeneities) in large scale models. In this work, a multi-scale modelling procedure is applied to the regional Seine basin model (~70000 km2) in order, to study the hydrodynamic behavior of the Bassée alluvial plain, and to quantify the stream-aquifer exchanged fluxes at the basin scale. The modelling protocol initiate with the regional fluxes estimation of the Seine hydrosystem. The regional fluxes consistency is assured by a two-step calibration procedure of hydrosystem models. The first step of the calibration methodology consists of a surface parameter estimation. The parameters are optimized by minimizing a multi objective function. This function can be divided in different components referring to the surface water processes (evapotranspiration, infiltration and runoff). The minimization of this objective function hence reflects the actual reproduction of the surface water balance by the model. During the second step, the subsurface parameters are conditionally calibrated to the aquifer recharge estimated during the previous step, and thus, guarantee the hydrosystem fluxes consistency. Then the local characteristics, of the Bassée alluvial plain, and of the secondary stream-aquifer interfaces are implemented in the regional model by nested modelling methodology associated with upscaling procedure of hydraulic properties. Finally, the multi-scale modelling procedure lead to the quantification of distributed stream-aquifer exchanged water fluxes over 83 % of the natural river network of the Seine basin, and thus, achieve to answer the integrated water resources management recommendations of the water framework directive.