Travaux de thèse et objectifs générau

Les méthodes actives de mesures distribuées de température ont été rarement utilisées en déployés de câbles chauffants le long du linéaire d’un cours d’eau. À notre connaissance, seuls Kurth et al. (2015) ont proposé d’utiliser un câble de fibre optique chauffé en rivière, leur objectif étant d’identifier l’intensité des flux tout au long du câble, en distinguant les zones de flux plus ou moins importants. Cependant l’approche n’a été que qualitative et aucune quantification des flux n’a été proposée à partir de ces mesures.

C’est pourquoi nous nous sommes concentrés pendant cette thèse sur l’application des méthodes actives DTS en rivière. La première partie du travail, qui s’est focalisée sur le développement et la validation expérimentale de la méthode active DTS ainsi que sur la définition des limites de celle-ci, permet de disposer d’une méthodologie complète permettant d’estimer la conductivité thermique et les flux de manière distribuée le long du câble de fibre optique chauffé. L’application de la méthode en rivière devrait ainsi permettre de caractériser la variabilité spatiale des échanges nappe/rivière et de proposer une quantification distribuée

172 des flux, dès lors que l’installation du câble chauffant est possible dans les sédiments de la rivière. Dans cette optique, la suite de ce travail présente deux applications, en rivière de la méthode, réalisées dans deux contextes très différents.

Application sur le bassin versant de Kerrien-Kerbernez

La première application de la méthode a donc été réalisée sur le bassin versant de Kerrien-Kerbenez, un petit bassin versant agricole. La fibre optique a été installée dans les sédiments d’un petit cours d’eau ordre 1, en tête du bassin versant, au niveau de sa source.

Pour cette première expérience, les objectifs initiaux étaient de tester la faisabilité de la méthode, notamment les questions de logistique liées à la chauffe du câble (équipements supplémentaires, connexions électriques, électricité, conditions de terrain, etc.).

Le cours d’eau où les mesures ont été réalisées est donc un cours d’eau d’ordre 1. Ceci présente deux avantages majeurs qui ont conduit au choix de ce site pour réaliser les tests. Premièrement, la taille du cours d’eau (peu de hauteur d’eau et très étroit) était particulièrement propice à l’installation manuelle et rapide du câble de fibre optique. Seulement trois jours ont été nécessaires pour installer le câble, réaliser les mesures et retirer le dispositif. Deuxièmement, le lit de la rivière est très peu épais. En accord avec la littérature, on s’attend donc à y observer des arrivées d’eau de nappe contribuant largement au débit du cours d’eau (Sophocleous, 2002) et des écoulements hyporhéiques relativement faibles, voire inexistants.

En parallèle, des mesures passives de température ont été menées sur ce même cours d’eau. Avant le début de cette thèse, plus de 500 m de câble de fibre optique avaient été installés sur le site et la température du lit de la rivière a été mesurée en continu durant plus de 8 mois avec pour objectif la caractérisation de la dynamique spatiale et temporelle des interactions nappe/rivière à l’échelle d’un petit bassin versant.

La partie suivante (Partie 2 du manuscrit) présente donc les deux expériences réalisées sur le site de Kerrien-Kerbernez et s’intéresse :

 aux résultats des mesures passives acquises pendant 8 mois, en partie traités pendant cette thèse. Il s’agit d’identifier et de localiser les arrivées d’eau à l’échelle du bassin versant et de proposer une première quantification des flux. Cela permettra de mettre en avant les avantages et les limites de cette méthode.

Volet 2 - Introduction

173  aux résultats des mesures actives. Au-delà de la faisabilité de l’application en rivière, il s’agit ici d’estimer les flux le long d’un petit tronçon de rivière (60 m) et se poser la question de la variabilité spatiale des écoulements à cette échelle.

 à la comparaison des mesures passives et actives. Les résultats des deux expériences seront comparés afin d’évaluer leur cohérence, ce qui permettra de mettre en évidence les avantages de chaque approche et leur complémentarité dans la caractérisation des échanges nappe/rivière.

De manière générale, l’objectif de ces travaux est donc de montrer les apports de la méthode active DTS pour la caractérisation de la dynamique spatiale et temporelle des échanges nappe/rivière sur un petit cours d’eau d’ordre 1, où le débit est fortement dépendant des arrivées d’eau.

Application sur le site expérimental du Pont de Signy (Sélune)

La seconde application de la méthode s’est faite dans un environnement tout autre. Les mesures ont été réalisées sur le site expérimental du Pont de Signy, dans le bassin versant de la Sélune. Le site se situe dans la partie aval du bassin versant (à environ 15 km en amont son exutoire dans la baie du Mont-Saint-Michel), où le fleuve est large (⁓ 20m) et s’écoule dans une plaine alluviale. Dans cette partie du bassin versant, on pourrait donc s’attendre à de fortes interactions avec la plaine alluviale en matière de volumes échangés même si la contribution de la nappe au débit devrait être en proportion potentiellement faible (Sophocleous, 2002). Le premier objectif de ces travaux est donc de tester la faisabilité et

l’applicabilité de la méthode sur un cours d’eau de cette envergure. La volonté de réaliser des mesures à différentes périodes de l’année a conduit à une installation pérenne des équipements, ce qui permettra de discuter plus généralement de la mise en œuvre de tels équipements.

Ensuite, le site expérimental est situé dans un point du bassin versant où le contexte particulier devrait fortement influencer les échanges nappe/rivière.

 Tout d’abord, il est situé en aval de deux barrages hydroélectriques, tous deux construits sur la Sélune. Au moment des mesures actives DTS, la gestion de ces barrages conditionnait entièrement le niveau d’eau en aval et ses variations au cours du temps. Du point de vue des échanges nappe/rivière, il s’agit alors de mesurer et comprendre l’influence des variations singulières du cours d’eau sur les écoulements et de se poser la question d’un potentiel Bank Storage Effect qui pourrait conférer une variabilité temporelle singulière aux interactions.

174  Ensuite, des prélèvements d’eau pour l’alimentation en eau potable ont lieu dans la plaine alluviale, proche du cours d’eau et du site expérimental, à raison de 1500 m3_{/j. Ces}

prélèvements pourraient également influencer et orienter les écoulements de la rivière vers la nappe et contraindre complètement ou en partie les flux.

 Enfin, le site expérimental a été installé dans un contexte morphologique particulier puisqu’il se trouve au niveau d’un méandre du fleuve. On s’attend donc à ce que les écoulements soient également contraints par le méandre, avec une probable infiltration de l’eau de la rivière qui pourrait le traverser de part et d’autre et étendre ainsi la zone hyporhéique dans la plaine alluviale (Boano et al., 2006, 2010; Cardenas et al., 2004; Cardenas, 2009; Gerecht et al., 2011; Gomez-Velez et al., 2017; Revelli et al., 2008).

Les mesures actives DTS ont donc été réalisées dans un contexte singulier où les écoulements sont potentiellement contraints par des conditions fortes aux limites, le niveau de la rivière étant régulé en amont par les barrages et le niveau de la nappe alluviale par les prélèvements d’eau. À cela s’ajoute la morphologie particulière du cours d’eau à cet endroit (méandre), qui devrait aussi influencer en partie les sens d’écoulement. Dès lors, l’objectif

sous-jacent à la caractérisation des échanges nappe/rivière est de comprendre la dynamique des écoulements dans un contexte fortement contraint d’un point vue hydrogéologique, hydrologique et géomorphologique et savoir si ces contraintes, à l’échelle du méandre, vont impacter la distribution des écoulements à l’échelle plus locale. En d’autres termes, va-t-on observer une variabilité spatiale à l’échelle locale (le câble était déployé sur une petite partie du méandre) en fonction de la morphologie du lit de la rivière ? Ou les fortes contraintes à l’échelle du méandre vont-elles supplanter les dynamiques locales ? Enfin, la répétition des mesures dans le temps permettra de poser la question de la variabilité temporelle des échanges.

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Partie 2