Influence of permafrost on grounwater flows and their interaction with a river : a numerical and experimental study

Influences du pergélisol sur les écoulements souterrains et leurs échanges avec une rivière : étude numérique et expérimentale

• Auteur / Autrice : Agnès Rivière
• Direction : Julio Gonçalvès, Anne Jost
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Hydrologie et hydrogéologie quantitatives
• Date : Soutenance en 2012
• Etablissement(s) : Paris 6

Mots clés

Mots clés contrôlés

Zone d'aération

Laboratoires

Cours d'eau

Eaux souterraines

Aquifères

Sols gelés

Mots clés libres

Modélisation numérique

Résumé

Cette étude vise à une meilleure compréhension des processus couplés entre écoulements souterrains et de surface et sur le couplage écoulement-thermique intervenant lors la propagation et de la dégradation du pergélisol et de son impact sur le bilan hydrologique d’un bassin versant ou sédimentaire et ce, par les voies de l’expérimentation sur modèle physique et de la simulation numérique. Afin de valider le premier couplage décrit dans le code numérique, une expérience de drainage d'un aquifère a été réalisée. Cette partie a permis de mieux décrire les états de connection du système nappe-rivière en fonction de la perméabilité et des paramètres de la zone non saturée du milieu. Le modèle physique a été aussi utilisé afin de décrire les processus intervenant pendant le développement et la dégradation du pergélisol. Le modèle physique a montré que l'aquifère sous-jacent au pergélisol est captif, la surpression enregistrée traduisant en partie l'expansion de la glace, qui s'exprime aussi par un soulèvement du sol. La simulation numérique de l'expérience reproduit correctement l'évolution de la pression et de la température, validant les processus pris en compte dans le code. Appliqué à l'échelle d'un bassin sédimentaire idéalisé, le code numérique a permis de mettre en évidence les processus hydro-thermiques prédominants influençant le champ de pression. Une première application a été faite sur un bassin réel, le Bassin parisien.

This study focuses on processes involved in the coupling between groundwater flow and surface flow and the coupling occurring during the propagation and degradation of permafrost and its impact on the water balance of a watershed or a sedimentary basin, using a physical model and numerical simulations. In order to validate the first coupling described in the numerical model, an experiment of aquifer drainage was performed. This part provides a better understanding of infiltration processes in connected-disconnected stream-aquifer systems in function of parameters of the unsaturated area and the hydraulic conductivity of the porous medium. The physical model was also used to describe the processes occurring during the development and degradation of permafrost. The physical model showed that the aquifer underlying permafrost is confined. The recorded pressure traduces partly the expansion of the ice which is also expressed by frost heave. Results of experimental model prove the relevance of the processes described by our numerical simulation. Applied at the scale of an idealized sedimentary basin, the numerical code shows the importance of hydrothermal processes occurring on the pressure and temperature field. A first application was made on the Paris Basin.