Modélisation des flux d'eau et d'énergie dans le bassin de la Seine

par Deniz Kilic

Projet de thèse en Géosciences et géoingénierie

Sous la direction de Nicolas Flipo, Agnes Riviere et de Patrick Goblet.

Thèses en préparation à Paris Sciences et Lettres , dans le cadre de GRNE - Géosciences, Ressources Naturelles et Environnement , 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 01-10-2018 .


  • Résumé

    L'objectif de ce travail de thèse est de développer un modèle de transfert des flux d'eau et de chaleur à l'échelle du bassin de la Seine comprenant un des systèmes aquifères les plus importants d'Europe. La gestion durable des ressources en eau, tant du point de vue de sa disponibilité, que de sa qualité physico-chimique et écologique, en passant par son potentiel de production d'énergie, sera sous-tendue dans le futur par notre capacité à anticiper les effets du changement climatique, l'évolution des demandes, et les nouveaux systèmes de gouvernance relatifs à la gestion des milieux anthropisés (gestion des infrastructures, politiques de développement territorial). Il sera ainsi impératif de décrire aussi précisément que possible les évolutions temporelles et spatiales des transferts de chaleur et d'eau dans les différents compartiments tout en tenant compte des changements globaux. Dans ce cadre, l'équipe SHR développe, en collaboration avec l'IPSL, un outil de modélisation intégrée visant à simuler des échanges thermiques entre l'atmosphère et la surface (sol, rivière et lac) et les systèmes aquifères. Un premier couplage lâche entre la plateforme ORCHIDEE (développée par l'IPSL) et la plateforme CAWAQS (développée au Centre de Géosciences), basé sur la résolution au pas de temps horaire d'un bilan énergétique, est en développement actuellement dans l'équipe SHR. Il sera appliqué au bassin des Avenelles (46 km²). Le travail de thèse s'appuiera sur cette première maquette et aura pour ambition de changer d'échelle depuis le bassin des Avenelles jusqu'au bassin de la Seine (75000 km2). Afin de simuler l'ensemble du système aquifère du bassin de la Seine, la formation aquifère du Jurassique sera tout d'abord introduite dans le modèle qui se limite actuellement aux argiles de Gault. Une synthèse des différentes acquisitions de mesures de températures et de conductivités thermiques dans les différents compartiments de l'hydrosystème Seine (les différents aquifères et aquitards, sol, interface nappe-rivière et plan d'eau) en utilisant les travaux réalisés sur le bassin parisien est nécessaire afin de calibrer le modèle Seine. Un module prenant en compte l'ombrage de la végétation des berges sera également développé afin de pouvoir simuler correctement le bilan énergétique des rivières. Sur la base de cette première structure de modélisation, un premier bilan des performances de la plate-forme sera réalisé à l'échelle des masses d'eau de surface (cours d'eau et rivière) et des masses d'eau souterraine à l'aide d'une base de données qui sera construite à partir de données in situ en rivière et en aquifères, ainsi que de produits issus de l'imagerie satellitaire. Ce premier diagnostic permettra de déterminer les développements conceptuels à mener, tels que les rétroactions aquifère-sol-atmosphère, ou la représentation des transferts entre aquifères, afin d'aboutir, en fin de thèse, à une cartographie fonctionnelle hydro-thermique des masses d'eau et à une évaluation de sa sensibilité aux changements climatiques et globaux.

  • Titre traduit

    Modelling of water and energy fluxes in the Seine basin


  • Résumé

    This PhD project aims at modelling and quantifying the water and energy fluxes at the Seine basin scale, which is one of the largest European aquifer systems. The Seine basin is submitted to important human pressures and to global changes with conflicting water and energy usages which affects the all socio-ecosystem. Therefore, the description of the spatio-temporal evolution of the heat and water transfers is necessary in order to anticipate the effect of global changes, and to provide an integrated management tool. In this context, the SHR team develops an integrated modelling tool to simulate heat transport between the atmosphere, the surface (soil, river and lake) and the aquifer system in collaboration with the IPSL. A first coupling between the ORCHIDEE platform (developed by the IPSL) and the CAWAQS platform (developed at the Geosciences Center) is currently developed by the team SHR. It will be applied to the Avenelles basin (46 km²). The main objective of the PhD project will be the upscaling of this first coupling at the scale of the Seine basin (75000 km2). In order to simulate the full aquifer system of the Seine basin, the Jurassic aquifer will first be introduced in the model currently limited by the Gault clays. A dataset of temperature measurements and thermal conductivities in the different compartments of the Seine hydrosystem (aquifers and aquitards, soil, stream-aquifer interface) will also be built using the studies carried out on the Paris basin. The calibration and the validation of the model will be based on this dataset. A module taking into account the shading of bank vegetation will also be developed in order to correctly simulate the energy balance in rivers. On the basis of this first coupling structure, a first assessment of the performance of the platform will be made at the scale of the surface water bodies (stream and river) and the groundwater using the database that will be built from in situ data in rivers and aquifers, as well as products from satellite imagery. This first diagnosis will determine the conceptual developments to be carried out, such as the aquifer-soil-atmosphere feedbacks, or the representation of the heat and water transfers between aquifer units, in order to describe the functional hydro-thermal mapping of the water bodies and an assessment of its sensitivity to climate and global change at the end of the PhD.