Écoulement dans un aquifère non confiné profond alimenté par la pluie

Flow in a thick and unconfined aquifer recharged by rainfall

• Auteur / Autrice : Valentin Jules
• Direction : Eric Lajeunesse, Olivier Devauchelle
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la terre et de l'environnement
• Date : Soutenance le 26/05/2020
• Etablissement(s) : Université Paris Cité
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la terre et de l'environnement et physique de l'univers (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de physique du globe (Paris ; 1921-....)
• Jury : Président / Présidente : Claude Jaupart
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Eric Lajeunesse, Olivier Devauchelle, Claude Jaupart, François James, Yves Méheust, Stéphanie Debœuf, Philippe Gondret, Cyprien Soulaine
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : François James, Yves Méheust

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modèles mathématiques

Dynamique des fluides

Matériaux poreux

Aquifères

Eaux souterraines -- Écoulement

Mots clés libres

Mesures Expérimentales

Résumé

Lors d’un épisode pluvieux, l’eau s’infiltre dans le sol et forme une nappe qui s’écoule lentement vers la rivière. L’échelle de temps et la géométrie de cet écoulement contrôlent la composition chimique et le débit de la rivière. Nous avons exploré ces questions à l’aide d’un aquifère expérimental. Ce dernier est composé de billes de verre maintenues dans un plan vertical par des plaques séparées de quelques centimètres. Lorsqu’on soumet cet aquifère à une pluie artificielle, l’eau s’infiltre alors dans le milieu poreux et s’écoule jusqu’à la sortie située sur un côté de l’aquifère. Guérin et al. (2014) a étudié le cas d’un écoulement quasi-horizontal. Cependant, dans la nature, l’écoulement souterrain est souvent bidimensionnel. Pour créer un écoulement vertical, nous plaçons la sortie de notre aquifère à une hauteur élevée au-dessus de son fond. Afin de caractériser l’écoulement dans notre aquifère, nous étudions l’état stationnaire en utilisant une combinaison d’analyse complexe et de méthodes numériques. Ainsi, nous pouvons comparer les lignes de courant expérimentales et théorique dans notre aquifère. De plus, à l’aide d’une approximation d’impulsion uniforme, nous trouvons que lors de la pluie, le débit, Q augmente proportionnellement au taux de précipitation, R et au temps, t (Q ∝ Rt). La réponse de notre aquifère est donc linéaire au forçage. Cette dernière nous permet d’obtenir des informations sur les propriétés physique de l’aquifère. Néanmoins nous n’avons aucune information sur la géométrie de l’aquifère.

During a rain event, water infiltrates into the ground where it flows slowly towards a river. The time scale and the geometry of this flow control the chemical composition and the discharge of the river. We use a tank filled with glass beads to simulate this process in a simplified laboratory experiment. A sprinkler pipe generates rain, which infiltrates into the porous material. Groundwater exits this laboratory aquifer througha side of the tank. Guérin et al. (2014) investigated the case of a quasi-horizontal flow. In nature, however, groundwater often follows non-horizontal flowlines. To create a vertical flow, we place the outlet of our experiment high above its bottom. Long after the rain started, in steady state, we can describe the flow in our aquifer with a combination of complex analysis and numerical methods. The distribution of travel times can thus gives informations about the aquifer geometry. More over, we find that, during rainfall, the discharge Q increases as the rainfall rate R times the time t (Q ∝ Rt). This laboratory aquifer thus responds linearly to the forcing. This response give informations about hydrological properties of the aquifer.