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



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13/11 : soutenance de thèse de Nataline Simon (Géosciences Rennes)

Nataline Simon soutiendra sa thèse, intitulée "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", le vendredi 13 novembren 2020 à 14:30,

    M. Philip BRUNNER - Professeur à l'Université de Neuchâtel - Rapporteur
    Mme. Florentina MOATAR - Directrice de Recherche à l'IRSTEA - Rapporteure
    M. Alain DASSARGUES - Professeur à l'Université de Liège - Examinateur
    M. Jean-Raynald DE DREUZY - Directeur de Recherche à l'Université de Rennes 1 - Examinateur
    M. Nicolas FLIPO - Maître de Recherche MINES ParisTech - Examinateur
    Mme. Maria KLEPIKOVA - Marie Curie Research Fellow à l'Université de Rennes 1 - Examinatrice
    M. Olivier BOUR - Professeur à l'Université de Rennes 1 - Directeur de thèse
    Mme. Mathilde HOAREAU, Cheffe de projet à l'Agence de l'Eau Loire-Bretagne - Invitée



    En raison des mesures sanitaires, la soutenance n'aura pas lieu en présence de public et seuls certains membres du jury seront présents. Pour les personnes qui le souhaitent, il sera toutefois possible de la suivre par visio.



    Mots clés : Mesures distribuées de température par fibre optique ; Échanges nappe/rivière ; Flux d’eau et conductivité thermique ; Modélisations numériques, mesures expérimentales et applications sur le terrain

    Résumé :

    Les échanges entre les rivières et les nappes d’eau souterraine jouent un rôle essentiel dans le maintien des écosystèmes aquatiques. Or, leur caractérisation demeure difficile du fait de leur forte variabilité dans l’espace et dans le temps. Dans ce contexte, l’objectif de ce travail de thèse est de développer des méthodes actives de mesures distribuées de température pour quantifier la dynamique des interactions nappe/rivière. Après avoir établi une nouvelle approche pour évaluer la résolution spatiale des mesures de température, nous avons validé deux nouvelles méthodes d’interprétation permettant d’estimer de manière distribuée les flux d’eau et la conductivité thermique du milieu poreux. Les travaux, associant modélisations numériques et mesures expérimentales en laboratoire, montrent que les méthodes d’interprétation développées permettent d’estimer avec une excellente précision les écoulements et
    que la gamme de flux pouvant être investiguée est particulièrement large. Pour tester cette approche prometteuse, des expériences actives ont ensuite été réalisées sur le terrain dans deux environnements différents : d’abord dans un petit cours d’eau d’ordre 1 de tête de bassin versant, puis dans un fleuve s’écoulant le long d’une plaine alluviale. Ces applications ont démontré le fort potentiel des méthodes actives pour quantifier les écoulements à l’interface nappe/rivière et décrire leur variabilité spatiale et temporelle. La comparaison des résultats obtenus sur les deux sites a permis finalement de discuter la faisabilité, les apports mais aussi les limites de la méthode dans différents contextes hydrologiques.

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    Title : Development of active-Distributed Temperature Sensing (A-DTS) experiments to quantify groundwater flows : capabilities and limitations for characterizing groundwater-surface water interactions

    Keywords : Distributed Temperature Sensing (FO-DTS) ; Groundwater/surface water interactions ; Groundwater fluxes and thermal conductivity ; Numerical simulations, sandbox experiments, field application

    Abstract : Groundwater/surface water interactions play a fundamental role in the functioning of aquatic ecosystems. However, their quantification is challenging because exchange processes vary both in time and space. Here, we propose an active distributed heat transport experiment in order to quantify the spatial and temporal variability of groundwater/surface water interactions. As a first step, we proposed a new approach to evaluate the spatial resolution of temperature measurements. Then, two interpretation methods of active-DTS experiments were developed and fully validated to estimate the distribution of porous media thermal conductivity and the groundwater fluxes in sediments. Based on numerical simulations and sandbox experiments, results demonstrated the potentiality of these methods for quantifying distributed groundwater fluxes with high accuracy. The large range of groundwater fluxes that can be investigated with the method makes specially promising the application of active experiments for many subsurface applications. Secondly, we conducted heat transport experiments within the streambed sediments of two different streams: in a first-order stream, then in a large flowsystem located along an alluvial plain. These applications demonstrated the relevance of using active experiments to characterize the spatial complexity of stream exchanges. Finally, the comparison of results obtained for each experimental site allowed discussing the capabilities and limitations of using active-DTS field experiments to characterize groundwater/surface water interactions in different hydrological contexts.




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    Nataline Simon (Géosciences Rennes) / @