Etude et modélisation des échanges nappes/rivières en contexte alluvial : cas du bassin versant Grenoblois

Study and modelling of groundwater-surface water exchanges in an alluvial context: the case of the Grenoble catchment area

• Auteur / Autrice : Nathan Minon
• Direction : Cédric Legout
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Sciences de la Terre et de l'Environnement
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2024
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la terre, de l’environnement et des planètes (Grenoble, Isère, France ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des Géosciences de l'Environnement (IGE)

Mots clés

Mots clés libres

Hydrogéologie urbaine

Hydrologie urbaine

Modélisation

Nappe-rivière

Anthropisation

Urban hydrogeology

Urban hydrology

Modelisation

Groundwater-surface water

Human activity

Résumé

Ce sujet de thèse propose d'améliorer nos connaissances sur les échanges nappe / rivière en contexte alluvial fortement anthropisé. Il s'agira d'étudier la variabilité spatiale et temporelle des écoulements souterrains, et les échanges entre l'aquifère et les eaux de surface à l'échelle du Y grenoblois et l'impact du changement climatique sur ceux-ci. On cherchera à répondre aux questions scientifiques suivantes : À une échelle spatiale fine (~km²) : - L'hétérogénéité des écoulements dans les nappes alluviales à surface libre induit-elle des écoulements préférentiels dans les anciens méandres ou lits d'affluents ? - Comment les chemins et les distributions des temps de transit de l'eau et des éléments associés sont-ils affectés par cette hétérogénéité ? - Comment sont-ils affectés par les drains anthropiques et dans quelles conditions (périodes de hautes eaux, type de pluviométrie, etc.) ? - Comment utiliser la caractérisation géophysique du milieu (Helton et al., 2014) et la modélisation pour répondre à ces questionnements ? À l'échelle du bassin versant grenoblois (~ 150 km²) : - Comment modéliser la recharge en prenant en compte les surfaces urbaines, et avec quel niveau de complexité ? - Quelle est la part des différents flux d'eaux urbaines contribuant au flux aval ? - Les drains du réseau urbain affectent-ils les temps de transit de l'eau ? Comment le panache de contamination de la nappe grenobloise est-il affecté par la recharge locale ? - Quels sont les effets des changements globaux sur ces écoulements, du fait des impacts sur la recharge, sur les débits des rivières, sur les niveaux piézométriques, sur la planification urbaine ? Une approche multi-échelle est envisagée : a) Une échelle spatiale fine à l'échelle d'un tronçon de rivière de quelques centaines de mètres et de l'aquifère alluvial adjacent afin de caractériser les variabilités spatiales et temporelles des écoulements dans l'aquifère et les interactions avec la rivière. Il s'agira donc d'une part de réaliser une étude quantitative des gradients hydrauliques et d'autre part d'identifier des traceurs hydrogéochimiques permettant de comprendre les transferts préférentiels des échanges nappe / rivière. Les jeux de données acquis depuis 2013 sur la rivière Isère et la nappe au droit du campus de Saint Martin d'Hères dans le cadre de la plateforme d'expérimentations et d'observations de l'eau en milieu naturel (plateforme ObsEau) serviront de base pour ce travail et seront complétés par des mesures (piézométriques, géophysiques, ...) et de l'échantillonnage (en vue d'analyses des ions majeurs, métaux traces, ...) au cours de la thèse. b) L'échelle du Y grenoblois (~150 km²) : une approche de modélisation de méso-échelle de l'écoulement des eaux souterraines, des transferts de masse et des transferts de chaleur, en régime transitoire et avec la prise en compte d'une recharge influencée par l'aménagement urbain permettra : (i) d'étudier la variabilité temporelle et spatiale de la nappe (bilan de masse, systèmes d'écoulements, variabilité des interactions entre la nappe et la rivière, (ii) d'évaluer l'impact de l'urbanisation des sols sur la recharge et celui des ouvrages souterrains sur l'écoulement des eaux souterraines et les transferts de matières associées. Pour contraindre cette modélisation, il sera nécessaire de réaliser une synthèse des données disponibles mesurées sur le bassin versant et d'acquérir de nouvelles données (piézométriques sur l'agglomération, échantillonnages et analyses chimiques, lignes d'eau et profils de température dans les cours d'eaux, etc.). Les conditions aux limites au niveau des cours d'eau seront traitées sous forme de flux imposés variables dans le temps afin de prendre en compte la variabilité journalière et saisonnière des lignes d'eau. Le modèle sera calé de façon statique puis dynamique en utilisant les chroniques piézométriques récentes enregistrées par Grenoble Alpes Métropole et le SYMBHI. Un modèle de recharge détaillé sera construit en prenant en compte les surfaces urbaines. Un maillage raffiné au niveau du domaine d'étude du campus de SMH pourra être réalisé afin de confronter le modèle aux observations réalisées à petite échelle.

This thesis topic proposes to enhance our understanding of groundwater/river exchanges in a highly anthropized alluvial context. The study will focus on the spatial and temporal variability of groundwater flows and the exchanges between the aquifer and surface waters on the scale of the Y-shaped Grenoble area, as well as the impact of climate change on these exchanges. The scientific questions to be addressed include: At a fine spatial scale (~km²): - Does the heterogeneity of flows in unconfined alluvial aquifers induce preferential flows in ancient meanders or tributary beds? - How are the pathways and transit time distributions of water and associated elements affected by this heterogeneity? - How are these pathways and distributions influenced by anthropogenic drains, and under what conditions (e.g., periods of high water, types of rainfall)? - How can geophysical characterization of the environment (Helton et al., 2014) and modeling be used to address these questions? At the scale of the Grenoble watershed (~150 km²): - How can recharge be modeled considering urban surfaces, and with what level of complexity? - What is the contribution of different urban water flows to the downstream flow? - Do urban network drains affect the water transit times? How is the contamination plume of the Grenoble aquifer affected by local recharge? - What are the effects of global changes on these flows, considering impacts on recharge, river flows, piezometric levels, and urban planning? A multi-scale approach is envisaged: a) A fine spatial scale at the level of a river segment of a few hundred meters and the adjacent alluvial aquifer to characterize the spatial and temporal variability of flows in the aquifer and its interactions with the river. This will involve a quantitative study of hydraulic gradients and the identification of hydrogeochemical tracers to understand preferential transfers in groundwater/river exchanges. Data sets acquired since 2013 on the Isère River and the aquifer at the Saint Martin d'Hères campus as part of the ObsEau experimental and observational water platform in a natural environment will serve as a basis for this work and will be supplemented by measurements (piezometric, geophysical, etc.) and sampling (for analyses of major ions, trace metals, etc.) during the thesis. b) The scale of the Y-shaped Grenoble area (~150 km²): A meso-scale modeling approach of groundwater flow, mass transfers, and heat transfers, in a transient regime and considering recharge influenced by urban development, will allow: (i) studying the temporal and spatial variability of the aquifer (mass balance, flow systems, variability of interactions between the aquifer and the river), (ii) evaluating the impact of soil urbanization on recharge and that of underground structures on groundwater flow and associated matter transfers. To constrain this modeling, it will be necessary to synthesize the available measured data on the watershed and acquire new data (piezometric measurements on the agglomeration, sampling and chemical analyses, water lines, and temperature profiles in watercourses, etc.). Boundary conditions at the watercourse level will be treated as temporally variable imposed flows to account for the daily and seasonal variability of water levels. The model will be calibrated statically and dynamically using recent piezometric records from Grenoble Alpes Métropole and SYMBHI. A detailed recharge model will be constructed, considering urban surfaces. A refined mesh at the study domain level of the SMH campus can be carried out to compare the model with small-scale observations.