Caractérisation des propriétés hydrodynamiques à l’échelle des bassins versants dans un contexte de milieux de socle cristallin pour l'étude des impacts du changement climatique sur les ressources en eau

par Nicolas Cornette

Thèse de doctorat en Sciences de la terre et de l'environnement

Sous la direction de Jean-Raynald De Dreuzy et de Alexandre Boisson.

Soutenue le 16-12-2022

à Rennes 1 , dans le cadre de EGAAL , en partenariat avec Géosciences (Rennes) (laboratoire) .

Le président du jury était Olivier Bour.

Le jury était composé de Sarah Leray, Claire Lauvernet, Benoît Dewandel.

Les rapporteurs étaient Jérôme Molénat, John Molson.

mots clés

• Propriétés hydrodynamiques
• Hétérogénéité
• Bassin versant
• Changement climatique
• Hydrodynamique
• Bassins hydrographiques
• Changements climatiques
• Pétrologie
• Cours d'eau -- Jaugeage

Résumé

Dans les aquifères de socle cristallin, les ressources en eau souterraines sont principalement de proche subsurface, marquées par de larges variations horizontales et verticales des propriétés hydrodynamiques. Les chroniques hydrologiques contiennent de l’information sur les propriétés des milieux souterrains dans la partie récession de la série temporelle des débits. Les objectifs de la thèse étaient d’extraire des chroniques hydrologiques les facteurs de vulnérabilité des bassins versants aux étiages (les propriétés hydrodynamiques et leur hétérogénéité), de corréler les propriétés et la lithologie et d’évaluer la réponse des aquifères face aux changements climatiques. Le modèle hs1D décrit les écoulements à l’échelle du versant et a été utilisé pour estimer les propriétés hydrodynamiques de 79 bassins versants en Bretagne. Ce modèle a été adapté pour tenir compte de l’hétérogénéité des processus à partir d’une approche à deux versants. Les propriétés calibrées sont alors mises en relation avec la lithologie des bassins versants dans une optique de régionalisation. Cette approche met en avant la présence à la fois d’écoulements lents et rapides sur l’ensemble des bassins versants, contraints par la perméabilité et la diffusivité des versants. Les cartes d’exploration fournissent des informations sur les capacités de stockage des bassins versants. La corrélation des propriétés hydrodynamiques avec la lithologie suggère que les modèles régionaux peuvent être contraints par une quantité de données restreinte malgré la complexité des écoulements des aquifères de socle.

mots clés

• Hydrodynamic properties
• Heterogeneity
• Catchment
• Climate change

Titre traduit

Characterization of catchment-scale hydrodynamic properties in a crystalline basement environment for the study of climate change impacts on water resources

Résumé

In crystalline basement aquifers, groundwater resources are mainly near subsurface, marked by wide horizontal and vertical variations in hydrodynamic properties. Streamflow timeseries contain information about hydrodynamic properties during baseflow period of the discharge data. This work aims to extract from the hydrological chronicles the vulnerability factors of the watersheds to low flows (hydrodynamic properties and their heterogeneity), to correlate the properties with the lithology and to evaluate the response of the aquifers to climate change. The hs1D model describes the fluxes at the hillslope scale and has been used to estimate the hydrodynamic properties of 79 watersheds in Brittany. Here, we propose a novel modeling approach based on two equivalent hillslopes to capture spatial and temporal variabilities of the main processes. The calibrated properties are then related to the lithology of the watersheds in a regionalization perspective. This approach highlights the presence of both slow and fast flows throughout the watersheds, constrained by the permeability and diffusivity of the two hillslopes. Exploration maps provide information on watershed storage capacities. The correlation of hydrodynamic properties with lithology suggests that regional models can be constrained by a limited amount of observed data despite the complexity of crystalline basement aquifer flows.