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Le 13 décembre 2019

Soutenance de thèse de Alexandra MATTEI

Traçage isotopique de la variabilité de la recharge des eaux souterraines

Résumé de la thèse en français

Face à l'augmentation actuelle des pressions anthropiques et climatiques sur les réserves d'eau douce, les ressources en eau souterraine sont amenées à être de plus en plus sollicitées. En conséquence, la gestion à long terme de ces ressources s'affiche aujourd'hui dans les défis majeurs que notre société doit relever. Évaluer l'impact des pressions actuelles et futures qui s'exercent ou s'exerceront sur ces ressources passe obligatoirement par une évaluation de leur renouvellement, à savoir la recharge. Les outils isotopiques, et plus précisément les isotopes stables de la molécule d'eau ont été utlisés, dans le cadre de ces travaux de thèse pour préciser les mécanismes de transport d'eau au sein de la zone non saturée et ainsi estimer la recharge. Dans la première phase de ce travail, un nouveau protocole analytique pour la mesure de la signature isotopique de l'eau porale par spectroscopie laser a été développé. Ce protocole améliore la précision des résultats tout en diminuant le temps d'analyse nécessaire. Il a ainsi été possible, à l'échelle de la matrice de sol, de démontrer l'effet de la granulométrie sur la signature isotopique mesurée. Cet effet pouvant apporter une variabilité supérieure à celle associée à la saisonnalité du signal des précipitations observées, ces résultats soulignent la nécessité de prendre en compte l'analyse granulométrique lors de l'interprétation des profils isotopiques. Un code de calcul numérique prenant en compte l'évolution des isotopes stables de la molécule d' eau, depuis les précipitations jusqu' aux eaux souterraines, incluant le fractionnement isotopique lié à l'évaporation a été développé pour quantifier la recharge. Il est basé sur l'utilisation, sur une colonne 1D, du modèle hydrogéologique déterministe Metis développé à MINES ParisTech. Les isotopes stables de la molécule d'eau se sont avérés être des outils puissants pour contraindre, par modélisation inverse, les valeurs des paramètres hydrodynamiques nécessaires pour décrire et prédire le transport d'eau et de solutés dans la zone non saturée. En effet, à partir d'un cas synthétique, ces travaux ont démontré qu'une estimation fiable de la recharge est possible à partir uniquement d'un profil de composition isotopique de l'eau porale et d'un profil de teneur en eau, i.e. en s'affranchissant de tout suivi temporel continu. L'approche a été validée sur deux sites d'étude au Québec. Aussi, l'étude du cas synthétique a permis de démontrer que l'ajout d'un suivi mensuel de la composition isotopique de l'eau porale à une seule profondeur apporte, pour l'inversion, autant d'informations qu'un suivi continu de la teneur en eau à différentes profondeurs et permet au modèle de mieux reproduire la recharge à un pas de temps journalier. Ainsi, le développement de nouvelles méthodes d'échantillonnage de la composition isotopique de l'eau au sein de la zone non saturée a été entrepris dans cet objectif, et testé sur l'impluvium d'Evian afin de préciser l'évolution de la recharge en fonction de l'altitude. Enfin, l'étude d'un petit bassin versant situé au Sud du Québec a mis en évidence l'intérêt d'utiliser les isotopes stables de la molécule d'eau pour caractériser la variabilité des mécanismes de transport d'eau au sein de la zone non saturée dans les travaux de modélisation réalisés à plus large échelle que celle du profil de sol.

Résumé de la thèse en anglais

Due to modern increase in anthropogenic and climatic pressures on freshwater resources, groundwater resources are being more and more solicited. The long-term management of these resources is one of the major challenges facing our societies. Understanding the renewal of groundwater resources, i.e recharge, is necessary to ensure a sustainable water resources management. In order to identify the processes, seasonality and variability of recharge, this PhD project aims at understanding the mechanisms of water transport within the unsaturated zone using water stable isotopes. A new analytical protocol for the measurement of the isotopic signature of pore water by laser spectroscopy was developed. This protocol improves the accuracy of the results while reducing the necessary analysis time. It was thus possible, at the scale of the soil matrix, to demonstrate the effect of the particle size on the measured isotopic signature. Since this effect may be greater than the seasonal variability of the observed signal in precipitation, these results underline the need to take granulometric analysis into account when interpreting isotopic composition profiles. A numerical calculation code taking into account the evolution of stable isotopes of water, from precipitation to groundwater, including isotopic fractionation linked to evaporation, was developed in the framework of this project to estimate the recharge. It is based on the use, on a 1D column, of the Metis hydrogeological model developed at MINES ParisTech. Stable water isotopes were shown to be powerful tools for constraining, by inverse modeling, the values of hydrodynamic parameters needed to describe and predict the transport of water and solutes in the unsaturated zone. A realistic estimate of the recharge is thus possible from a single depth profile of both pore water isotopic composition and water content. The approach was validated on two study sites located in Quebec. Also, this work showed that the addition of a temporal monitoring, even discontinuous, of the isotopic composition of the pore water at a single depth, provides, for the inversion, as much information as a continuous monitoring of the water content at different depths and is helpful to improve the daily evolution of the recharge. The development of new methods for sampling the isotopic composition of water within the unsaturated zone was undertaken for this purpose and tested on the Evian impluvium in order to specify the evolution of the recharge as a function of elevation. Finally, the study of a small watershed located in southern Quebec highlighted the interest of using stable isotopes of the water molecule to characterize the variability of water transport mechanisms within the vadose zone in soil models on a larger scale than that of the soil profile.

Titre anglais : Isotope tracing of the variability of groundwater recharge
Date de soutenance : vendredi 13 décembre 2019 à 14h00
Adresse de soutenance : 60 Boulevard Saint-Michel, 75006 Paris - L109
Directeurs de thèse : Patrick GOBLET, Florent Barbecot