Modélisation des échanges nappe-rivière à l’échelle intermédiaire : conceptualisation, calibration, simulation [Y. Cousquer, 2017]

La thèse de doctorat de Yohann Cousquer a été soutenue le 18 janvier 2017 à l’Université Bordeaux Montaigne.

Titre de la thèse : « Modélisation des échanges nappe  -rivière à l’échelle intermédiaire : conceptualisation, calibration, simulation »

Résumé :
Les interactions entre les eaux souterraines et les eaux de surface sont complexes et jouent un rôle prépondérant dans le fonctionnement des hydrosystèmes, tant en termes quantitatifs (soutien des étiages, évènements de crues) que qualitatifs (transport de polluants d’origines agricole ou industrielle). Ces problématiques sont abordées à travers la caractérisation et la modélisation des échanges nappe  -rivière à l’échelle intermédiaire [1-10 km] avec pour objet d’étude le champ captant de Thil-Gamarde, qui alimente la métropole de Bordeaux en eau potable. Ce champ captant est traversé par un cours d’eau, la Jalle de Saint- Médard, vecteur historique de pollutions. L’objectif principal de ces recherches, réalisées dans le cadre d’un projet de recherche intitulé MHYQADEAU, est de proposer un outil d’aide à la gestion de la ressource en eau. Une revue bibliographique des méthodes d’étude des échanges nappe  -rivière fait état de la rareté des méthodes disponibles à l’échelle intermédiaire, et met en avant la nécessité d’employer la modélisation, conjointe à des mesures de terrain, pour étendre l’information locale à l’échelle intermédiaire. Ainsi, une première phase est constituée d’un volet théorique, visant à améliorer les modalités d’intégration des rivières dans les modèles hydrogéologiques de l’échelle intermédiaire à régionale. Les rivières sont généralement modélisées par l’intermédiaire d’une condition de type Cauchy. Ce type de condition est basé sur une valeur de conductance (Coefficient RIVière, CRIV). La difficulté majeure est la détermination d’une valeur cohérente du CRIV, paramètre qui intègre plusieurs phénomènes physiques. Un outil a été développé pour estimer cette valeur à partir d’informations sur les paramètres hydrodynamiques et géométriques de la nappe   et de la rivière. Cet outil consiste en un modèle conceptuel réalisé avec le code de calcul SUTRA, à l’échelle locale d’une section d’aquifère   en relation avec une rivière. Contrairement aux autres approches utilisées jusqu’à présent pour obtenir CRIV, la méthode proposée prend en compte la taille du maillage, et l’anisotropie de conductivité hydraulique de l’aquifère  . Une analyse de sensibilité globale indique la forte sensibilité de ces paramètres sur le CRIV. La valeur du CRIV obtenue est assortie d’une distribution probabiliste a priori et peut constituer une valeur initiale et de régularisation pour la calibration d’un modèle d’intéraction nappe  -rivière. L’étude du champ captant de Thil-Gamarde, qui constitue le cœur de ce travail de thèse, débute avec l’établissement d’un modèle conceptuel des écoulements et du transport en nappe  . Cette partie est fondée essentiellement sur des travaux de terrain visant à acquérir un maximum d’informations sur la zone d’étude. L’approche multidisciplinaire envisagée est constituée de travaux hydrogéologiques complétés par des travaux hydro-chimiques et géophysiques réalisés en parallèle. L’ensemble des ces études ont permis i) de décrire un contexte structural fortement hétérogène, ii) de mettre en place un réseau de suivi hydrogéochimique, iii) de définir les rapports de mélange nappe  -rivière en chacun des points d’observation, et iv) d’obtenir de l’information a priori sur les propriétés hydrodynamiques de l’aquifère   et du lit de la rivière. Un modèle 2D horizontal en régime transitoire, élaboré avec les codes de calculs MODFLOW pour l’écoulement et MT3DMS pour le transport, a été construit. Les propriétés hydrodynamiques de l’aquifère  , transmissivité et coefficient d’emmagasinement  , sont paramétrisées à travers un grand nombre de points pilotes. La calibration du modèle est réalisée avec l’algorithme de Gauss-Levenberg Marquardt implémenté dans la suite PEST++. La calibration des paramètres du modèle est réalisée vis-à-vis des chroniques de charge hydraulique mesurées en différents points de l’aquifère   ainsi que sur les rapports de mélange nappe  -rivière aux ouvrages de production, déduit des campagnes géochimiques. Une régularisation de type Tikhonov sur les valeurs a priori de chaque paramètre est effectuée pour contraindre la calibration. Elle a également été accompagnée par une régularisation mathématique (SVD). L’étape de calibration des rapports de mélange nappe  -rivière simulée avec MT3DMS nécessite des temps de calculs importants. Pour pallier ce problème, un modèle équivalent, rapide, de transport advectif avec le suivi de particules a été développé avec MODPATH. Cette méthode se base sur le décompte de particules semées depuis un point de production (puits) jusqu’à sa source (rivière) (backward particle tracking). L’étape de calibration avec régularisation est menée conjointement sur les modèles d’écoulement et de transport. A l’issue de cette phase de calibration, l’estimation des incertitudes paramétriques et prédictives du modèle est conduite par analyse linéaire et méthode du Null Space Monte Carlo (NSMC). Enfin, quelques scénarios prédictifs de gestion sont présentés afin de répondre à la contrainte majeure de la réduction des proportions d’eau de rivière dans les ouvrages de production.

Mots-clés : Echanges nappe  -rivière, Modélisation, MODFLOW, MT3DMS, MODPATH, Calibration, Simulation