Ecole Doctorale 534 MIPEGE Projet doctoral 2014 (3 pages

Ecole Doctorale 534 MIPEGE
Modélisation et Instrumentation en Physique, Energies,
Géosciences et Environnement
Université Paris-Sud 11
Bâtiment 100 / 504, 91405 ORSAY Cedex (France) Projet doctoral 2014 (3 pages maximum)
Titre: Etude des flux à l’interface nappe-rivière. Apport de l’outil hydrogéophysique couplé
à des mesures hydrodynamiques
Laboratoire : IDES
Equipe d’accueil : IDREau
Directeur de thèse (doit être titulaire de l'HDR): Marc Pessel
Nombre de thèses encadrées en 2014/2015: 1
E-mail : [email protected]
Co-encadrant de thèse (préciser si titulaire de l’HDR): Véronique Durand
Nombre de thèses encadrées en 2014/2015: 2
E-mail : [email protected]
Description du projet (1 figure maximum) :
Ce sujet de thèse s’intéresse à la caractérisation des flux au sein de la Zone Hyporhéique
(ZH), définie comme la zone de mélange potentiel entre des eaux d’origine souterraine et
des eaux de surface. Cette interface étant régie par des gradients de température et de
nutriments, elle soutient le développement d’une activité écologique et biogéochimique
cruciale pour la qualité des eaux au sein des compartiments de surface et souterrain. La
ZH peut notamment jouer un rôle non négligeable dans des processus de bioremédiation,
comme la dénitrification par exemple. Dû à la complexité des flux, très variables
spatialement et temporellement, les paramètres qui contrôlent la présence de nutriments
et les conditions physico-chimiques plus ou moins favorables aux processus
biogéochimiques étudiés sont encore mal compris. Afin de pouvoir prédire la distribution
d’habitats écologiques spécifiques au sein de la ZH ou le fonctionnement du réacteur biogéochimique qu’est la ZH, il est indispensable de bien comprendre les paramètres
hydrodynamiques qui influencent les écoulements à l’interface surface-souterrain. La
question de la dynamique des mélanges entre eau de surface et eau souterraine
(cinétique, distribution spatiale) au sein de la ZH nécessite une approche qui caractérise
les flux non seulement dans les trois dimensions spatiales, mais qui prend également en
compte leur variabilité temporelle.
Contacts: [email protected] , [email protected] www.ed-mipege.u-psud.fr Afin d’obtenir une information en profondeur au sein des sédiments de rivière, une
méthode non destructive permettant d’imager les hétérogénéités lithologiques et les
circulations au sein de la zone hyporhéique est ici proposée : des mesures de résistivité
en configuration 3D seront réalisées directement dans le cours d’eau en utilisant des
électrodes spécifiques pour des milieux aquatiques. Ce type de mesures, à une résolution
inférieure au mètre, a déjà donné des résultats prometteurs en configuration 2D
(Tomaškovičová, 2011) et permettra, en plus de l’imagerie de la structure du terrain, de
visualiser la distribution des écoulements dans le temps grâce à des traçages artificiels
(sels), dont les propriétés de résistivité contrastent avec celles du milieu naturel en rivière.
Les résultats de traçage seront comparés à des tests de simulation d’écoulement en
milieu saturé à l’échelle d’un tronçon de rivière avec un modèle hydrogéologique semi-3D
dont les conditions aux limites reproduiront les mesures hydrodynamiques obtenues sur le
terrain.
Le (la) doctorant(e) devra participer activement au développement de cette nouvelle
approche et devenir autonome pour l’acquisition des données sur le terrain et leur
interprétation en ayant pour objectif la quantification des mélanges d’eaux au sein de la
ZH, la caractérisation des chemins préférentiels, et l’estimation des temps de résidence.
Ce sujet s’intégrant dans le cadre du programme PIREN Seine (Axe Interfaces nappesrivières), la méthode sera testée sur un des sites pilotes de ce programme, le bassin de
l’Orgeval (sous-affluent de la Marne), où la rivière est en connexion avec l’aquifère des
calcaires de Brie. Cependant, il sera également envisagé de tester le dispositif sur
d’autres sites afin de valider son utilisation de manière générale.
Contexte national et international :
Lʼétude de la zone hyporhéique se développe à grande vitesse avec de plus en plus
dʼéquipes de recherches pluridisciplinaires qui se penchent sur ce sujet, autant au niveau
national quʼinternational. Cependant ce type dʼapproche commence à être utilisé sous
dʼautres formes au sein dʼun seul laboratoire aux Etats Unis à notre connaissance, mais
pas encore en Europe.
Dʼautre part, le sujet sera intégré au sein du programme PIREN Seine, au sein duquel le
Bassin de lʼOrgeval est étudié depuis de nombreuses années. Lʼétude des relations
nappe-rivière sur ce bassin est relativement récente, mais suffisamment avancée pour
permettre un réel échange entre les différentes approches menées sur ce site.
Eventuelles collaborations nationales ou internationales :
-
UMR Sisyphe, Université Pierre et Marie Curie (Roger Guérin, Fayçal Rejiba,
Christian Camerlynk)
-
Mines ParisTech, Fontainebleau (Nicolas Flipo)
Déroulement du travail et approche envisagée :
La thèse fera suite à un travail de M2 qui se déroulera de février à juin 2014, au cours
duquel on testera la méthode sur le site d’étude et mettra en place un protocole de
mesures de terrain et d’inversion des résultats de résistivité.
Contacts: [email protected] , [email protected] www.ed-mipege.u-psud.fr L’objectif du travail de thèse sera donc axé sur deux points :
- améliorer le dispositif expérimental et la méthode de traitement des résultats afin de
le valider pour un déploiement sur différents types de rivières ;
- contribuer à fournir des clefs de compréhension des processus de mélange d’eau à
l’interface nappe-rivière, en particulier sur le site de l’Orgeval.
A cet effet, on peut proposer le calendrier suivant pour le déroulement global de la thèse :
- année 1 : tests du dispositif expérimental en différents endroits (si possible sur
différentes tailles de rivières, différents types de lithologies), dont plusieurs sur le
bassin de l’Orgeval afin de choisir un ou deux tronçons à étudier en détail ;
- année 2 : suivi saisonnier du ou des sites choisis, avec traçages au sel plus
participation à la collecte des mesures complémentaires de terrain en
hydrogéologie et géochimie ;
- année 3 : intégration des résultats couplés dans des modèles hydrogéologiques
pour dégager des clefs de compréhension des processus.
Profil du candidat recherché :
Le ou la candidate devra être titulaire d’un M2 en hydrogéologie ou éventuellement
géophysique. Il/elle devra avoir un goût prononcé pour les expériences de terrain. De
solides compétences en hydrogéologie et/ou en géophysique sont demandées, ainsi
qu’une aptitude à la programmation (inversion de données géophysiques, modélisation
hydrogéologique).
Echéancier
Envoyer un CV, une lettre de motivation et des recommandations d’ici fin février 2013,
pour un éventuel entretien dans le courant du mois de mars.
Références
Tomaškovičová, S. (2011) Hydrogeophysical approach to study the exchange fluxes at
groundwater – surface water interface: A pilot study. Rapport de M2, Laboratoire IDES
Ward, A. S., Gooseff, M. N and Singha, K. (2010) Imaging hyporheic zone solute transport
using electrical resistivity. Hydrol. Process. 24, 948–953
Contacts: [email protected] , [email protected] www.ed-mipege.u-psud.fr