Estimation des échanges nappe-rivière locaux et de leur variation le long d’un réseau hydrographique : Développement d’un capteur innovant et application au bassin agricole des Avenelles

Résumé En

Cette phase du PIREN-Seine a permis de développer une méthodologie de quantification deséchanges nappe-rivière d’eau et de chaleur à l’échelle locale, couplant mesure de terrain innovante,modélisation numérique et inférence statistique. Cette méthodologie est applicable à l’échelle localede la zone hyporhéique (ZH), appelée plus généralement le lit de la rivière. Biogéochimiquementactive, cette zone joue un rôle important dans le cycle des nutriments et des polluants et contribue au on état des cours d’eau.La méthodologie s’appuie sur l’utilisation de la chaleur comme traceur des écoulements. Danscette phase, le capteur innovant Molonari-Mini a été conçu, une méthodologie d’estimation desparamètres hydrothermiques et des échanges d’eau et de chaleur à partir des données Molonari-Minia été développée, et des campagnes de terrain ont été conduites pour déterminer les propriétéshydrothermiques du milieu et les échanges d’eau et de chaleur spatialement distribués le long duréseau hydrographique du bassin des Avenelles.La première partie de la phase a permis de concevoir et développer le capteur Molonari-Mini, dontl’objectif est d’estimer les échanges d’eau et de chaleur entre la rivière et la ZH à l’échelle locale. Cecapteur repose sur le couplage entre une mesure de différence de hauteur d’eau entre le haut et le basd’un profil vertical dans la ZH, et des mesures de température verticalement distribuées le long de ceprofil. En particulier, le capteur de pression différentielle a été adapté d’une technologie précédentepour pouvoir mesurer les différentiels de pression relativement faibles généralement observés dans laZH. Le système de mesure Molonari-Mini a été conçu pour être bon marché, robuste sur le terrain,facile d’installation, et adapté à une variété d’environnements géologiques (Rivière et al., 2014;Cucchi et al., 2018). Cette phase a également permis de développer un protocole de calibration afinde convertir les mesures de tension délivrées par le capteur en différence de charge hydraulique entrela ZH et la rivière.Dans un deuxième temps, une méthodologie d’estimation des paramètres hydrothermiques de la ZHa été développé et implémenté. À partir du modèle numérique hydrothermique Ginette modélisantla distribution de température le long du profil ZH en fonction des conditions aux bord et despropriétés hydrothermiques du milieu, une méthodologie d’estimation bayésienne des propriétéspermet d’obtenir leur distribution a posteriori, conditionnellement aux mesures collectées par leMolonari-Mini. L’identifiabilité des paramètres dépend du régime dominant des échanges de chaleur(régime advectif ou conductif) entre la rivière et la ZH. Dans tous les cas, les échanges d’eau et dechaleur dominants sont identifiables à partir des données du Molonari-Mini : les échanges advectifssont identifiables en régime advectif, les échanges conductifs sont identifiables en régime conductif(Cucchi et al., prep).Cette méthodologie a été appliquée au bassin des Avenelles, Zone Atelier phare du PIREN-Seine.Sur 32 points de mesure installés le long du réseau hydrographique, 25 ont pu être interprétés. Àchaque point de mesure, les propriétés hydrothermiques de la ZH on pu être estimées, ainsi que leséchanges d’eau et de chaleur haute-fréquence sur une période correspondant à la période d’installation de chaque Molonari-Mini. Les résultats confirment l’importante variabilité spatiale des propriétés hydrogéologiques de la ZH (perméabilité intrinsèque entre 10−14 et 10−10m2), qui peuventvarier de plusieurs ordre de grandeur sur un même tronçon de rivière. La variabilité spatio-temporelledes échanges d’eau et de chaleur semble être principalement associée à la variabilité spatiale de laconductivité hydraulique de la ZH, ces résultats soulignent l’importance de l’estimation des proprié-tés hydrogéologiques de la ZH pour caractériser la dynamique des échanges nappe-rivière d’eau et dechaleur et comprendre comment ces échanges contribuent au bon état des cours d’eau.