2e Prix de thèse de la Fondation Rennes 1 (secteur de recherche Sciences du Vivant)



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Fondation Rennes 1 "Progresser, Innover, Entreprendre"

Nataline Simon est lauréate du 2e Prix de la Fondation Rennes 1 du secteur de recherche Sciences du Vivant. Les prix de thèse Fondation Rennes 1 "Progresser, Innover, Entreprendre" récompensent les thèses pour leur caractère innovant.

 


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Nataline Simon (au centre), lors de l'assemblée générale de la Fondation Rennes 1 le 1er juillet 2021

Les travaux de thèse de Nataline Simon ont une portée qui va bien au-delà des résultats d’une thèse classique. Ils traitent du « Développement des méthodes actives de mesures distribuées de température par fibre optique pour la quantification des écoulements souterrains : apports et limites pour la caractérisation des échanges nappe/rivière » (thèse sous la direction d'Olivier Bour, soutenue le 13 novembre 2020).

Ce sujet de thèse visait à développer une méthode très innovante de caractérisation des échanges d’eau entre la nappe d’eau souterraine et la rivière en utilisant les mesures distribuées par fibre optique. La problématique des échanges entre la nappe et la rivière est une question de premier plan pour les gestionnaires en hydrologie, à la fois en raison des enjeux sur la ressource en eau, mais aussi parce que ces échanges contrôlent la température et la qualité de l’eau, ce qui est vital pour de nombreux écosystèmes, surtout dans un contexte de changement climatique où l’augmentation de température des rivières peut être atténuée grâce aux apports de nappe. Dans ce contexte, l’innovation a consisté à tester une nouvelle méthode qui permette d’imager les échanges sur plusieurs centaines de mètres afin de pallier les limites des méthodes de mesures ponctuelles qui ne donnent qu’une vision très partielle et incomplète des échanges. 

Le principe de la méthode développée consiste à mesurer les flux d’eau s’écoulant au sein des sédiments de fond de rivière. Pour cela, des câbles de fibre optique ont été enfouis dans les sédiments de la rivière. Une augmentation de température est ensuite générée en faisant circuler un courant électrique d’intensité contrôlée le long de l’armature métallique du câble dont la résistance thermique est connue. Comme Nataline l’a parfaitement montré, l’augmentation de température résultante dépend des propriétés du câble, de la conductivité thermique des sédiments, mais aussi de l’écoulement dans les sédiments qui va dissiper une partie de la chaleur générée. Si des tests avaient déjà été réalisés par certains collègues à l’étranger, l’apport de Nataline Simon a surtout été de bien comprendre et caractériser les processus de transfert thermique aux différentes échelles de temps, puis de démontrer la validité des solutions analytiques utilisées grâce à des simulations numériques, et enfin de développer une méthodologie d’interprétation des données qui a pu être testée grâce à des données expérimentales acquises en conditions parfaitement contrôlées en laboratoire. Ce travail très complet publié récemment dans une des meilleures revues du domaine (Simon et al., 2021) et qui repose à la fois sur de la modélisation numérique et des expériences en laboratoire, a permis de valider la méthode et de démontrer tout son potentiel pour mesurer non seulement les écoulements en milieu poreux, mais aussi la conductivité thermique des sédiments.

Au-delà des échanges nappe-rivière, cette capacité à quantifier avec une excellente précision les écoulements sur plusieurs ordres de grandeur et à estimer les propriétés thermiques des sédiments, permet d’envisager de très nombreuses applications en hydrogéologie, notamment sur la quantification des écoulements et du transport de contaminants sur des sites pollués, mais aussi en géothermie pour évaluer les propriétés thermiques des roches en place et les écoulements susceptibles de dissiper une partie de la chaleur. Grâce aux travaux de Mme Simon, nous sommes en train de lancer plusieurs projets sur ces aspects en France et au Canada. Outre la précision des mesures, l’intérêt des développements est de proposer une méthode qui fournisse des mesures distribuées le long d’un câble de fibre optique de plusieurs centaines de mètres avec une excellente résolution spatiale, de l’ordre de 50 à 80 cm en pratique (Simon et al., 2020), ce que nulle autre méthode ne permet à l’heure actuelle. Les retombées sociétales pour la gestion des ressources en eau ou en énergie, mais aussi pour remédier à d’éventuelles pollutions du sous-sol, sont donc très importantes.


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Dispositif expérimental le long de la Sélune
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Ayant validé la méthode de mesure, Nataline l’a testée avec succès sur deux sites complémentaires, une rivière de tête de bassin-versant en Bretagne et un fleuve côtier en Normandie, afin de quantifier les échanges nappe-rivière. Pour cela, il a fallu installer les équipements sur le terrain, de manière pérenne, puis coordonner les expériences sur le terrain, qui s’étalaient sur une ou plusieurs semaines d’affilée, recueillir les très nombreuses données générées, les traiter, puis les interpréter. Outre la préparation des expériences, et leur planification, ce travail nécessite à chaque expérimentation de coordonner plusieurs chercheurs, techniciens et ingénieurs, pour déployer un véritable laboratoire sur le terrain, et maîtriser l’ensemble des équipements de pointe malgré des conditions météorologiques très variables. Les résultats qu’elle a obtenus sont uniques et permettent d’évaluer les échanges nappe-rivière dans toute leur complexité et leur variabilité. Cela permet de beaucoup mieux comprendre les déterminants des échanges nappe-rivière dans les bassins-versants, afin d’améliorer leur gestion. Ces travaux sont actuellement poursuivis afin d’évaluer d’éventuels processus de colmatage des sédiments, en lien avec l’arasement des barrages de la Sélune. Enfin, l’Agence de l’Eau Loire-Bretagne a également souligné l’intérêt de la méthode développée pour évaluer les opérations de restauration des cours d’eau, qui sont actuellement très coûteuses, mais dont l’efficacité est rarement évaluée.



Référence :
Nataline Simon, (2020) Développement des méthodes actives de mesures distribuées de température par fibre optique pour la quantification des écoulements souterrains : apports et limites pour la caractérisation des échanges nappe/rivière. Université de Rennes 1. tel-03101835v1  







Et pour en savoir plus :

Nataline Simon, Olivier Bour, Nicolas Lavenant, Gilles Porel, Benoît Nauleau et al.  Numerical and experimental validation of the applicability of active‐DTS experiments to estimate thermal conductivity and groundwater flux in porous media. Water Resources Research, 2021, 57 (1), pp.e2020WR028078. ⟨ 10.1029/2020WR028078

Nataline Simon, Olivier Bour, Nicolas Lavenant, Gilles Porel, Benoît Nauleau et al.  A Comparison of Different Methods to Estimate the Effective Spatial Resolution of FO-DTS Measurements Achieved during Sandbox Experiments. Sensors, 2020, Distributed Optical Fiber Sensing, 20 (2), pp.Art. n°570. ⟨ 10.3390/s20020570



Contact OSUR
Nataline Simon (Université de Rennes 1, Géosciences Rennes) / @
Alain-Hervé Le Gall (CNRS, OSUR multiCOM) / @