Apports de la biogéochimie pour l’évaluation d’un modèle hydrologique distribué en milieu péri-urbain

A biogeochemical approach for the evaluation of a distributed hydrological model in a mixed land-use watershed

• Auteur / Autrice : Olivier Grandjouan
• Direction : Flora Branger, Matthieu Masson
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie de l'environnement
• Date : Soutenance le 22/03/2024
• Etablissement(s) : Lyon 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de Chimie (Lyon ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : RiverLy (Lyon ; 2018-....)
• Jury : Président / Présidente : Jérôme Randon
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Flora Branger, Matthieu Masson, Marie-Claire Pierret, Fabrice Rodriguez, Anne Jaffrezic
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Marie-Claire Pierret, Fabrice Rodriguez

Mots clés

Mots clés contrôlés

Yzeron (Rhône)

Cours d'eau -- Débit

Prospection biogéochimique

Bassins hydrographiques

Mots clés libres

Décomposition du débit

Modèle de mélange

Occupation du sol

Modélisation distribuée

Flow separation

Mixing model

Landuses

Distributed hydrological modelling

Résumé

Les modèles hydrologiques distribués sont des outils prometteurs pour identifier les contributions dans un bassin versant péri-urbain, mais sont confrontés à des difficultés dans la validation des résultats. Les modèles de mélange biogéochimiques montrent un potentiel pour valider ces résultats à partir de données de terrain. À partir d’une approche d’identification des sources et de leurs empreintes biogéochimiques, il est possible de décomposer l’écoulement en appliquant un modèle de mélange. Cette méthode est appliquée au bassin versant du Ratier, sous-bassin versant de l’Yzeron dans l’ouest Lyonnais et site d’étude dans le cadre de L’Observatoire de Terrain en Hydrologie Urbaine (OTHU) et de l’infrastructure de recherche nationale Observatoire de la zone Critique : Applications et Recherche (OZCAR), afin d’évaluer les résultats du modèle hydrologique distribué J2000P. Neuf sources ont ensuite été identifiées et prélevées, correspondant à des occupations du sol (e.g. forêt, prairie), des compartiments hydrologiques (e.g. aquifère) et des rejets urbains ponctuels (e.g. réseau d’assainissement). Six évènements hydrologiques contrastés ont été prélevés en deux points du bassin versant. Un large panel d’indicateurs biogéochimiques a été analysé comprenant : composés chimiques majeurs, métaux dissous, isotopes stables de l’eau, indicateurs microbiens et caractéristiques de la matière organique dissoute. Un module de décomposition spatial du débit a été développé dans le modèle J2000P afin d’identifier les contributions spatiales simulées et de permettre une comparaison avec les résultats de décomposition du modèle de mélange. Les résultats montrent des signatures biogéochimiques distinctes entre les sources grâce à l’utilisation conjointe de traceurs classiques avec des traceurs originaux. L’évaluation du modèle J2000P relève des différences significatives entre les contributions simulées par le modèle et celles estimées à partir du modèle de mélange. Des pistes d’amélioration du modèle J2000P sont apportées sur la base des résultats obtenus.

Distributed hydrological models are promising tools for the identification of flow contributions in peri-urban catchments, but face difficulties in the validation of the results. Biogeochemical mixing models appear to be effective for validating the results of a distributed hydrological model based on field data. By identifying the sources and their biogeochemical signatures, it is possible to separate the flow by applying a mixing model. This method is applied to the Ratier catchment, a sub-catchment of the Yzeron and a study site for the Observatoire de Terrain en Hydrologie Urbaine (OTHU) and the national research infrastructure Observatoire de la Zone Critique : Applications et Recherche (OZCAR), in order to evaluate the results of the J2000P distributed hydrological model. Nine sources were identified and sampled, corresponding to different land uses (e.g. forest, grassland), hydrological compartments (e.g. aquifer) and urban point discharges (e.g. sewage system). Six contrasted hydrological events were sampled at two points in the catchment. A wide range of biogeochemical indicators were analysed including : major chemical compounds, dissolved metals, stable water isotopes, microbial indicators and dissolved organic matter characteristics. A flow spatial decomposition component was developed in the J2000P model to identify the simulated contributions and allow for a comparison with the decomposition results from the mixing model. Results show distinct biogeochemical signatures between sources thanks to the use of conventional tracers with original tracers. Evaluation of the J2000P model revealed significant differences between the contributions simulated by the model and those estimated from the mixing model. Based on those results, suggestions are made for improving the J2000P model.