Développement des méthodes actives de mesures distribuées de température par fibre optique pour la quantification des écoulements souterrains : apports et limites pour la caractérisation des échanges nappe/rivière (Development of active-Distributed Temperature Sensing (A-DTS) experiments to quantify groundwater flows : capabilities and limitations for characterizing groundwater-surface water interactions) Simon, Nataline - (2020-11-13) / Universite de Rennes 1 - Développement des méthodes actives de mesures distribuées de température par fibre optique pour la quantification des écoulements souterrains : apports et limites pour la caractérisation des échanges nappe/rivière Accéder au document :  https://ged.univ-rennes1.fr/nuxeo/site/esupversion...

Langue : Français, Anglais Directeur(s) de thèse:  Bour, Olivier Discipline : Sciences de la terre et de l’environnement Laboratoire :  Géosciences Rennes Ecole Doctorale : EGAAL Classification : Sciences de la terre Mots-clés : Mesures distribuées de température par fibre optique, Échanges nappe/rivière, Flux d’eau et conductivité thermique, Modélisations numériques, mesures expérimentales et applications sur le terrain Eaux souterraines Interaction cours d'eau-aquifère Eau -- Température  - Modèles mathématiques Fibres optiques Conductivité thermique

Résumé : Les échanges entre les rivières et les nappes d’eau souterraine jouent un rôle essentiel dans le maintien des écosystèmes aquatiques. Or, leur caractérisation demeure difficile du fait de leur forte variabilité dans l’espace et dans le temps. Dans ce contexte, l’objectif de ce travail de thèse est de développer des méthodes actives de mesures distribuées de température pour quantifier la dynamique des interactions nappe/rivière. Après avoir établi une nouvelle approche pour évaluer la résolution spatiale des mesures de température, nous avons validé deux nouvelles méthodes d’interprétation permettant d’estimer de manière distribuée les flux d’eau et la conductivité thermique du milieu poreux. Les travaux, associant modélisations numériques et mesures expérimentales en laboratoire, montrent que les méthodes d’interprétation développées permettent d’estimer avec une excellente précision les écoulements et que la gamme de flux pouvant être investiguée est particulièrement large. Pour tester cette approche prometteuse, des expériences actives ont ensuite été réalisées sur le terrain dans deux environnements différents : d’abord dans un petit cours d’eau d’ordre 1 de tête de bassin versant, puis dans un fleuve s’écoulant le long d’une plaine alluviale. Ces applications ont démontré le fort potentiel des méthodes actives pour quantifier les écoulements à l’interface nappe/rivière et décrire leur variabilité spatiale et temporelle. La comparaison des résultats obtenus sur les deux sites a permis finalement de discuter la faisabilité, les apports mais aussi les limites de la méthode dans différents contextes hydrologiques. Abstract : Groundwater/surface water interactions play a fundamental role in the functioning of aquatic ecosystems. However, their quantification is challenging because exchange processes vary both in time and space. Here, we propose an active distributed heat transport experiment in order to quantify the spatial and temporal variability of groundwater/surface water interactions. As a first step, we proposed a new approach to evaluate the spatial resolution of temperature measurements. Then, two interpretation methods of active-DTS experiments were developed and fully validated to estimate the distribution of porous media thermal conductivity and the groundwater fluxes in sediments. Based on numerical simulations and sandbox experiments, results demonstrated the potentiality of these methods for quantifying distributed groundwater fluxes with high accuracy. The large range of groundwater fluxes that can be investigated with the method makes specially promising the application of active experiments for many subsurface applications. Secondly, we conducted heat transport experiments within the streambed sediments of two different streams: in a first-order stream, then in a large flow-system located along an alluvial plain. These applications demonstrated the relevance of using active experiments to characterize the spatial complexity of stream exchanges. Finally, the comparison of results obtained for each experimental site allowed discussing the capabilities and limitations of using active-DTS field experiments to characterize groundwater/surface water interactions in different hydrological contexts.