Utilisation de la morphogranulométrie dans le suivi source to sink du transfert particulaire dans les bassins versants

A new methodological approach using grain shape as a tool for sediment source to sink transfer studies in watersheds

• Auteur / Autrice : David Viennet
• Direction : Matthieu Fournier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de l'univers
• Date : Soutenance le 30/06/2020
• Etablissement(s) : Normandie
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Normande de biologie intégrative, santé, environnement (Mont-Saint-Aignan, Seine-Maritime)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Morphodynamique continentale et côtière (Caen ; 1996-....)
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement de préparation de la thèse : Université de Rouen Normandie (1966-....)
• Jury : Président / Présidente : Nicolas Massei
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Olivier Cerdan, Olivier Evrard
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Valérie Plagnes, Hélène Celle-Jeanton

Mots clés

Mots clés contrôlés

Hydrogéologie

Hydrologie

Karst

Aquifères

Morphométrie

Mots clés libres

Morphométrie

Forme des particules

Granulométrie

Source to sink

Traçage sédimentaire

Aquifère karstique

Hydrologie

Hydrogéologie

Matière en suspension

Morphometry

Grain shape

Grain size

Source to sink

Sediment fingerprinting

Karst aquifer

Hydrology

Hydrogeology

Suspended particles

Résumé

De nos jours, la compréhension des transferts de particules sédimentaires (Source to Sink) est un enjeu clef des géosciences. Un des challenges dans ce domaine est la caractérisation de l’origine et des processus de transfert des particules. L’utilisation de la morphométrie (la mesure de la forme d’une particule) est une méthodologie pouvant apporter des réponses à ces questions.La morphométrie des particules est utilisée en sédimentologie pour identifier les différents stocks sédimentaires, les transferts et les mécanismes de sédimentation. Actuellement, beaucoup d’analyses morphométriques sont généralement réalisées avec un Microscope Électronique à Balayage (MEB) couplé à une analyse d’image. Cette dernière consiste en un programme informatique qui distingue les particules de leur arrière-plan et calcule leur forme suivant différents paramètres tel que l’élongation, la circularité ou la convexité. Cette méthode complexe demande beaucoup de temps. Une nouvelle méthodologie est présentée dans cette thèse utilisant l’approche morphométrique grâce à un appareil de mesure en continue à flux dynamique (caméra couplée à une pompe péristaltique). Ce dernier consiste à prendre des images alors qu’un échantillon d’eau circule à travers une fenêtre d’écoulement, permettant à l’utilisateur d’analyser de grandes quantités de particules en un temps réduit. Des analyses statistiques sont réalisées sur les paramètres de forme, calculés au préalable par analyse d’image, afin de discriminer les différents stocks de particules. La problématique de ces travaux de thèse est de savoir si la morphométrie peut constituer un proxy du transfert particulaire dans les bassins versants. Pour cela, une approche en 4 étapes a été entreprise afin de (1) vérifier si les données de taille et de forme peuvent discriminer des échantillons de sédiments ; (2) utiliser ces résultats pour évaluer la contribution de sources sédimentaires dans des mélanges expérimentaux contrôlés ; (3) établir un protocole de mesure et de traitement automatisé des données sédimentaires ; et (4) appliquer cela à plusieurs hydrosystèmes. La première étude est réalisée sur le bassin versant du fleuve Thio, sur lequel une activité minière est présente. Des mesures de taille et de forme ont été effectuées sur des sédiments de laisses de crue afin d’estimer la part de cette activité minière dans les stocks sédimentaires du fleuve et de ses affluents. Un modèle de contribution des sources (les affluents) dans les mélanges (le fleuve) a été établi et montre des résultats cohérents. Ces résultats apportent des informations sur les transferts sédimentaires entre les affluents et le fleuve Thio qui seront comparées à d’autres études utilisant des méthodes de traçage sédimentaires différentes. La seconde étude se concentre sur le bassin versant karstique de la source du Hannetot. Des carottes sédimentaires ainsi que les matières en suspension ont été étudiés sur différents points du bassin versant. Les différents tests réalisés montrent des variations dans les contributions des sources sédimentaires dans le temps. Différents proxies saisonniers et météorologiques contrôlant ces variations ont été identifiés. La dernière étude est un cas appliqué au forage d’alimentation en eau potable de la ville de Gisors pompant dans un aquifère karstique. Son but est d’identifier l’origine des sédiments provoquant des pics de turbidité lors de fortes précipitations. Le modèle de contribution des sources isole plusieurs sources potentielles et montre une augmentation dans les contributions de certaines lors des pics de turbidité. Toutes ces études montrent l’intérêt de la morphogranulométrie en tant que traceur sédimentaire. Elles démontrent également que cette technique est d’autant plus intéressante lorsqu’elle est en combinaison avec d’autres méthodes de traçage sédimentaire.

Source to sink is one of the main concepts in Earth Sciences for a better knowledge of hydrosystems dynamics. Regarding this issue, one challenge consists in the characterization by in-situ measurements of the sources of suspended sediment, or sediment source fingerprinting. Few methods can fully cover such requirements and among them, the methodology using the grain shape deserves to be developed. Indeed, morphometry of particles is widely used in sedimentology to identify different sedimentary stocks, source-to-sink transport and sedimentation mechanisms. Currently, most grain shape analyses are carried out with a scanning electron microscope coupled to image analysis to measure various size and shape descriptors on particles like elongation, circularity, bluntness or fractal dimension. However, complexity and time of analysis are the main limitations of this technique for a long-term monitoring of SPM transfers. Here we present an experimental morphometric approach using a morphogranulometer (a CCD camera coupled to a peristaltic pump). The camera takes pictures while the sample is circulating through a flow cell, leading to the analysis of numerous particles in a short time. The image analysis provides size and shape information discriminating various particles stocks by statistical analyses. The aim of this thesis is (1) to calibrate the device and understand how the size and shape data can discriminate pure sediment samples; (2) use those results to evaluate the contribution of contrasted sedimentary sources in a mix; (3) to establish a measurement and data analysis protocol; and (4) use those protocol and methodology for several case studies of sediment transfers in various hydrosystems. The first case study presented concern the watershed of the Thio river, on which there is mining activity. A sediment fingerprinting study using size and shape characterization was carried on. The sediment sources of the different tributaries of the Thio river were analyzed as sources and the sediments of the main river itself were used as mixes of these sources. A model of the contributions of the sources in the mixes was achieved and its results show great coherence. It brings information on the transfers of the sediments between the different tributaries and the Thio river which will be later combined to other studies using different fingerprinting methods to evaluate the impact of the mining activity in these transfers. The second study focus on the karstic watershed of the Hannetot spring. Measurements were carried out on various field samples, from suspended sediments to core samples. Several experiments allowed to identify the varying contributions of different sediment sources through time. Several proxies were identified, seasonal and meteorological, as controlling factor for these variations. The last study is also a fingerprinting study of a karstic system. Its aim is to evaluate the origin of sediment sampled during turbidity peaks in the drinking water well of the town of Gisors. The source contribution model identified several potential sources of sediments and shows the increased contributions of certain sources during the flood period. All those studies shows that size and shape measured with the morphogranulometer are a good tracer for fingerprinting studies. They also demonstrate that this technique performs better in combination to other methods and brings the need to carry more studies combining morphogranulometry with several other fingerprinting techniques.