Rôle des eaux souterraines sur les étiages des rivières cévenoles : Compréhension et modélisation des contributions pour la gestion des étiages

Role of the groundwater in the low flow of the Cevennes river : Understanding and monitoring in real times for low flow management.

• Auteur / Autrice : Maxime Gillet
• Direction : Corinne Le Gal La Salle, Pierre-Alain Ayral
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Terre solide et enveloppes superficielles
• Date : Soutenance le 30/11/2021
• Etablissement(s) : Nîmes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Risques et Société (Nîmes)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : CHROME (Nîmes) - Détection- évaluation- gestion des risques CHROniques et éMErgents (CHROME) / Université de Nîmes / CHROME
• Jury : Président / Présidente : Philippe Martin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Claire Lang, Emmanuelle Petelet-Giraud
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Didier Graillot, Marie-Claire Pierret

Mots clés

Mots clés contrôlés

Analyse géochimique

Eaux souterraines -- Écoulement

Cours d'eau -- Jaugeage

Mots clés libres

Étiages

Eaux souterraines

Géochimie

Modèles de mélange géochimique

Low flow

Groundwater

Geochemistry

Emma

Résumé

La ressource en eau constitue l’un des enjeux majeurs des prochaines décennies. Le questionnement sur la pérennité des écoulements en basses eaux sur la zone méditerranéenne et plus particulièrement sur les rivières cévenoles a ainsi été identifié comme un axe de recherche fort à l’échelle internationale et régionale. Ce travail de thèse vise à étudier le rôle des eaux souterraines dans le maintien des basses eaux des rivières cévenoles par une approche géochimique couplée à une analyse géologique et géographique. Elle est organisée autour de trois questions : • Peut-on utiliser les variations saisonnières de la signature géochimique des eaux souterraines comme indicateur de la sévérité des étiages, voire comme un proxy pour le calcul du débit des cours d’eau cévenols ? • L’identification des contributions des différents réservoirs géologiques pour le maintien est-elle possible au travers d’une approche géochimique ? • Peut-on expliquer les différences de débits spécifiques et plus globalement les dynamiques observées au cours de la période de basses eaux dans les bassins versants cévenols par le prisme de la quantification des apports en eau des différents réservoirs géologiques ? La méthodologie développée s'appuie sur un suivi hebdomadaire ou bi-hebdomadaire des paramètres physico-chimiques, des ions majeurs et des isotopes stables de la molécule d’eau durant la période de basses eaux à la fois sur des eaux souterraines et de surface. Les eaux souterraines sont ainsi catégorisées par faciès géologiques dans le but d’identifier l’ensemble des pôles géochimiques présents sur le bassin. Ces pôles géochimiques sont ensuite validés par deux approches complémentaires et indépendantes : une approche de lixiviation d’échantillon de roches représentative des réservoirs et une classification statistique. Une fois les pôles ainsi identifiés et consolidés, un modèle géochimique (G-EMMA) est utilisé pour quantifier la contribution des différents réservoirs présents sur les bassins durant la période de basses eaux. Le suivi des paramètres géochimiques a permis ainsi de caractériser la variabilité saisonnière de la signature des eaux de surface et a permis de mettre en évidence le lien entre le débit des cours d’eau et la conductivité électrique. Cette relation permet de développer une méthode d’approximation du débit par la mesure de cette conductivité. Le calcul des contributions des eaux souterraines en fonction de leur réservoir géologique d’origine et son analyse couplée avec le débit sur un unique bassin permet de mettre en évidence (1) le rôle prépondérant du réservoir des micaschistes noirs, quoique de faible extension spatiale, dans le soutien d’étiage sur le bassin de Sainte-Croix et (2) des différences de pente importantes dans les courbes de récession des contributions des différents réservoirs aux débits des eaux de surface entre le début d’été et l’étiage, entrainant une inversion des réservoirs prépondérants dans la contribution au débit de base à l’approche de l’étiage. L’extension de cette approche aux 8 sous bassins du Gardon d’Anduze et au bassin versant du Galeizon, affluent du Gardon d’Alès, permet d’expliquer les différences significatives de débits spécifiques de basses eaux observés entre ces différents bassins versants, dont les différences importantes de productivité au cours des basses eaux des réservoirs géologiques. Le rôle principal de deux réservoirs (micaschistes noirs et série sédimentaire) dans le soutien d’étiage est observable sur la majorité des bassins et permet de dégager des tendances sur la productivité et la persistance des contributions des réservoirs observés. Les informations apportées par cette approche permettent de mieux comprendre la dynamique des réservoirs et leurs productivités au cours des basses eaux. Ainsi l’analyse des suivis géochimiques des eaux de surface et des eaux souterraines démontre tout son intérêt dans la compréhension et l’anticipation de la criticité des étiage.

Water resources will be one of the major challenges of the coming decades. The questioning of the sustainability of low flows in the Mediterranean area, and more particularly in Cevennes* rivers (*Mountain Range in South-Central France), has been identified as a strong research axis on an international and regional scale. This thesis aims to study the role of groundwater in maintaining low flows in Cevennes rivers using a geochemical approach coupled with a geological and geographical analysis. It is organised around the following three questions: - Can seasonal variations in the geochemical signature of groundwater be used as an indicator of the severity of low water levels, or even as a proxy for calculating the flow of Cevennes rivers? - Is it possible to identify contributions of the different geological reservoirs through a geochemical approach for maintenance purposes? - Can we explain differences in specific flows and more generally dynamics observed during low-water period in Cevennes watersheds through the prism of water contributions quantifying of the various geological reservoirs? The methodology developed is based on a weekly or bi-weekly monitoring of physicochemical parameters, major ions and stable isotopes of the water molecule during low-flow period in both groundwater and surface water. Groundwater is thus categorised by geological facies to identify all the end members present in the basin. These geochemical poles are then validated by two complementary and independent approaches: a leaching approach of rock samples representative of the reservoirs and a statistical classification. Once poles are identified and consolidated, a geochemical model (G-EMMA) is used to quantify the contribution of the various reservoirs present in the basins during low water period. The monitoring of geochemical parameters has made it possible to characterise the seasonal variability of the surface water signature, and highlight the link between river flow and electrical conductivity. This relationship allowed the development of a preliminary method to estimate flow by measuring electrical conductivity in flows. The calculation of groundwater contributions according to their geological reservoir of origin and its analysis coupled with the flow rate in individual basins highlight: (1) the preponderant role of the black mica-schist reservoir, despite its limited spatial extent, (2) significant differences in the slope of the recession curves of contributions of the different reservoirs to surface water flows between the beginning of Summer and low water level, leading to an inversion of reservoirs contributions that are predominant to the base flow when approaching low flow period. This approach was transposed to the study of 8 sub-basins of the Gardon d'Anduze and the Galeizon watershed, a tributary of the Gardon d'Alès, and explains the significant differences in specific low flow rates observed between these different watersheds, including the significant differences in run-off generation during low water period of geological reservoirs. The major role of two reservoirs (black mica schists and sedimentary series) in the support of low flows can be observed in the majority of the basins and allow the identification of trends in run-off generation and persistence of contributions of the observed reservoirs. The information obtained from this approach can be derived to explain the dynamics of reservoirs and their run-off generation during low flows. The analysis of geochemical monitoring results of surface and ground water demonstrates its utility in understanding and anticipating the criticality of low water levels.