Compréhension du fonctionnement hydrologique et géochimique d'une zone humide riparienne : cas du marais de Jarcy (Essonne, France)

Hydrological processes and geochemical implications within a riparian wetland : case study of the Jarcy fen (Essonne, France)

• Auteur / Autrice : Adrien Renaud
• Direction : Claude Mügler, Véronique Durand
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Géosciences
• Date : Soutenance le 21/02/2023
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences mécaniques et énergétiques, matériaux et géosciences (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Université Paris-Saclay. Faculté des sciences d’Orsay (Essonne ; 2020-....)
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Géosciences, climat, environnement et planètes (2020-….)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Université Paris-Saclay. Graduate School Géosciences, climat, environnement et planètes (2020-….) - Laboratoire des sciences du climat et de l'environnement (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 1998-....)
• Jury : Président / Présidente : Alexandra Courtin-Nomade
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Catherine Bertrand, Benjamin Belfort, Sophie Ayrault, Isabelle Braud, Laurie Boithias
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Catherine Bertrand, Benjamin Belfort

Mots clés

Mots clés contrôlés

Géochimie

Hydrologie

Zones humides

Mots clés libres

Zone humide

Riparien

Hydrologie

Géochimie

Modélisation

Battement de nappe

Wetland

Riparian

Hydrology

Geochemistry

Modelling

Water table dynamics

Résumé

Les zones humides ripariennes sont des environnements au potentiel écologique important que ce soit dans le maintien de la biodiversité, de la qualité des cours d'eau qui les longent ou encore comme réservoirs de carbone. Parmi la typologie de ces environnements très diversifiés, les tourbières sont des milieux fragiles qui reposent sur l'équilibre entre conditions hydrologiques saturées en eau et production primaire importante. Des variations de niveaux d'eau répétées peuvent être à l'origine de leur transformation. L'objectif principal de cette thèse est de comprendre le fonctionnement hydrologique de ce type d'environnement particulier, à l'échelle d'un site pilote présentant de fortes variations piézométriques saisonnières, et d'en comprendre les implications sur les cycles biogéochimiques.L'approche développée dans ce travail pour répondre à cette problématique est multidisciplinaire : suivi piézométrique à haute fréquence (10min) sur un réseau constitué d'une dizaine de puits d'observation installés de façon distribuée sur les 4,6ha de la zone humide, campagnes de prélèvements géochimiques bimestrielles sur ces ouvrages pour analyse des ions majeurs, des isotopes stables de l'eau et des sulfates, prospections géophysiques par tomographie de résistivité électrique, analyse d'échantillons non-remaniés issus de carottages, et enfin modélisation hydrologique sur un transect 2D à l'aide du code HydroGeoSphere (HGS). Le couplage de ces différentes méthodes a permis de comprendre les processus qui pilotent les dynamiques de nappes observées sur le site : elles ont pour moteur le cycle annuel de croissance intensive de la végétation entre juin et octobre, et sont contrôlées par des apports d'eau latéraux provenant notamment de la rivière et circulant rapidement dans une couche de surface caractérisée par une forte conductivité hydraulique. Ces dynamiques sont à l'origine d'une transformation pédologique de la zone de battement de nappe par la stimulation des processus de dégradation de la matière organique, qui a pour effet l'augmentation de la minéralisation des eaux souterraines, et participe à la distinction de deux horizons aux propriétés très différentes. Les niveaux piézométriques en basses eaux jouent ainsi le rôle de frontière à la fois pédologique, hydrologique et aussi géochimique.

Riparian wetlands are environments of high ecological interest as biodiversity reactors, natural river purifiers and carbon sinks. Among the numerous various types of wetlands, peatlands are sensitive environnments that rely on the brittle balance between high primary production and waterlogging conditions. Seasonal water table fluctuations can initiate major changes in their structure. The objective of this thesis is to understand the hydrological processes of these specific environments, at the site scale, and to seize how they affect the biogeochemical cycles that take place within the peat body.The method developped in this work to adress this issue is multidisciplinary: high frequency water table monitoring (10min) using about 10 observation wells distributed over the 4,6ha of the studied wetland, bimonthly groundwater sampling within this piezometer network for major ions and water and sulfate stable isotopes analyses, geophysical investigations using the electrical resistivity tomography method (ERT), analyses of undisturbed soil samples, and hydrological modelling using the numerical tool HydroGeoSphere (HGS). The coupling of all these methods led to understand the processes at the origin of the observed water table dynamics: they are the consequences of the vegetation cycles, with intensive growth from June to October, and are controlled by the lateral flow, in particular that of the river, which is boosted by a high permeable surface layer. These dynamics are behind the undergoing pedological changes observed in soil samples from the periodically unsaturated zone by stimulating the organic matter biodegradation, increasing at the same time the groundwater mineralization, and lead to a bi-layer system with different properties. Water levels at maximum drawdown thus act as a pedological, hydrological and geochemical boundary within the peat body.