Estimation des échanges nappe-rivière locaux et de leur variation le long d’un réseau hydrographique : Développement d’un capteur innovant et application au bassin agricole des Avenelles

Cette phase du PIREN-Seine a permis de développer une méthodologie de quantification des échanges nappe-rivière d'eau et de chaleur à l'échelle locale, couplant mesure de terrain innovante, modélisation numérique et inférence statistique. Cette méthodologie est applicable à l'échelle locale de la zone hyporhéique (ZH), appelée plus généralement le lit de la rivière. Biogéochimiquement active, cette zone joue un rôle important dans le cycle des nutriments et des polluants et contribue au on état des cours d'eau. La méthodologie s'appuie sur l'utilisation de la chaleur comme traceur des écoulements. Dans cette phase, le capteur innovant Molonari-Mini a été conçu, une méthodologie d'estimation des paramètres hydrothermiques et des échanges d'eau et de chaleur à partir des données Molonari-Mini a été développée, et des campagnes de terrain ont été conduites pour déterminer les propriétés hydrothermiques du milieu et les échanges d'eau et de chaleur spatialement distribués le long du réseau hydrographique du bassin des Avenelles. La première partie de la phase a permis de concevoir et développer le capteur Molonari-Mini, dont l'objectif est d'estimer les échanges d'eau et de chaleur entre la rivière et la ZH à l'échelle locale. Ce capteur repose sur le couplage entre une mesure de différence de hauteur d'eau entre le haut et le bas d'un profil vertical dans la ZH, et des mesures de température verticalement distribuées le long de ce profil. En particulier, le capteur de pression différentielle a été adapté d'une technologie précédente pour pouvoir mesurer les différentiels de pression relativement faibles généralement observés dans la ZH. Le système de mesure Molonari-Mini a été conçu pour être bon marché, robuste sur le terrain, facile d'installation, et adapté à une variété d'environnements géologiques (Rivière et al., 2014; Cucchi et al., 2018). Cette phase a également permis de développer un protocole de calibration afin de convertir les mesures de tension délivrées par le capteur en différence de charge hydraulique entre la ZH et la rivière. Dans un deuxième temps, une méthodologie d'estimation des paramètres hydrothermiques de la ZH a été développé et implémenté. À partir du modèle numérique hydrothermique Ginette modélisant la distribution de température le long du profil ZH en fonction des conditions aux bord et des propriétés hydrothermiques du milieu, une méthodologie d'estimation bayésienne des propriétés permet d'obtenir leur distribution a posteriori, conditionnellement aux mesures collectées par le Molonari-Mini. L'identifiabilité des paramètres dépend du régime dominant des échanges de chaleur (régime advectif ou conductif) entre la rivière et la ZH. Dans tous les cas, les échanges d'eau et de chaleur dominants sont identifiables à partir des données du Molonari-Mini : les échanges advectifs sont identifiables en régime advectif, les échanges conductifs sont identifiables en régime conductif (Cucchi et al., prep). Cette méthodologie a été appliquée au bassin des Avenelles, Zone Atelier phare du PIREN-Seine. Sur 32 points de mesure installés le long du réseau hydrographique, 25 ont pu être interprétés. À chaque point de mesure, les propriétés hydrothermiques de la ZH on pu être estimées, ainsi que les échanges d'eau et de chaleur haute-fréquence sur une période correspondant à la période d'installation de chaque Molonari-Mini. Les résultats confirment l'importante variabilité spatiale des propriétés hydrogéologiques de la ZH (perméabilité intrinsèque entre 10−14 et 10−10m2), qui peuvent varier de plusieurs ordre de grandeur sur un même tronçon de rivière. La variabilité spatio-temporelle des échanges d'eau et de chaleur semble être principalement associée à la variabilité spatiale de la conductivité hydraulique de la ZH, ces résultats soulignent l'importance de l'estimation des proprié- tés hydrogéologiques de la ZH pour caractériser la dynamique des échanges nappe-rivière d'eau et de chaleur et comprendre comment ces échanges contribuent au bon état des cours d'eau.