Modélisation Des Échanges Nappe-rivière Et Du Processus de Dénitrification Dans Les Plaines Alluviales À L'échelle Du Bassin Versant PDF Download
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Author: Xiaoling Sun Publisher: ISBN: Category : Languages : en Pages : 207
Book Description
Nitrate pollution in surface water and groundwater systems has attracted worldwide attention in recent decades. Recharged groundwater infiltrating through cultivated fields is an important source of the nitrate contamination of surface water. As alluvial plains support intensive agricultural activities, they often suffer from groundwater nitrate pollution. The exchanges between surface water and groundwater (SW-GW) were proved contributing to nitrate retention and/or transformation in the land-surface water continuum. The understanding and quantifying of nitrate attenuation processes occurring at the surface-groundwater interface would enhance understanding of nitrogen cycling at the catchment scale. The objectives of this thesis were: 1) quantifying the exchanged SW-GW volume in the floodplain area at the catchment scale and 2) quantifying the shallow aquifer denitrification rate in the floodplain area at the catchment scale and evaluating its influence on the nitrate flux in the river. Field sampling and modelling study were conducted to achieve these objectives. Monthly field work campaigns were carried out from April 2013 to March 2014 at the Monbéqui site in the Garonne river floodplain. The Soil and Water Assessment Tool (SWAT) which has been successfully applied all over the world was chosen to simulate the hydrologic processes and nitrogen cycle. However, the simulation of the water exchange between river and groundwater occurring in the floodplain area was not simulated in the original SWAT model. Firstly, the Darcy's equation was implemented to simulate SW-GW exchanges based on the Landscape Unit (LU) structure in the floodplain area. The influence of flooding on the water exchange was also introduced to the model. The modified model was called SWAT-LUD and was applied to a meander of Garonne floodplain - Monbéqui (around 25 km2). Then, another module representing the denitrification processes in the floodplain shallow aquifer was developed and added to the SWAT-LUD model. The nitrate flux and shallow aquifer denitrification rates in Monbéqui was then quantified. Afterwards, the SWAT-LUD model was applied to the middle floodplain section of the Garonne River (around 4 600 km2) and the influence of shallow aquifer denitrification on the nitrate flux in the river was quantified. Lastly, the model was applied to the entire Garonne catchment (around 51 500 km2) and the hydrologic influence of SW-GW exchanges was evaluated. The results showed that the SWAT-LUD model could satisfactorily represent the SW-GW exchanges and shallow aquifer denitrification rate at different spatial scales. The main water flow direction is from the shallow aquifer to the river, with water flowing in this direction accounted for around 65% of the total exchanged water volume. In the Garonne catchment, the annual total exchanged water volume represented around 5% of the total discharge volume of the Garonne river. For the Monbéqui site, the simulated annual denitrification rate in the riparian zone was around 130 kg N-NO3-ha-1y-1. Around 40% of the nitrate input in this zone was degraded through denitrification. In the middle floodplain section, the annual denitrification rate in the near bank zone ranges from 55 to 120 kg N-NO3-ha-1y-1.
Author: Xiaoling Sun Publisher: ISBN: Category : Languages : en Pages : 207
Book Description
Nitrate pollution in surface water and groundwater systems has attracted worldwide attention in recent decades. Recharged groundwater infiltrating through cultivated fields is an important source of the nitrate contamination of surface water. As alluvial plains support intensive agricultural activities, they often suffer from groundwater nitrate pollution. The exchanges between surface water and groundwater (SW-GW) were proved contributing to nitrate retention and/or transformation in the land-surface water continuum. The understanding and quantifying of nitrate attenuation processes occurring at the surface-groundwater interface would enhance understanding of nitrogen cycling at the catchment scale. The objectives of this thesis were: 1) quantifying the exchanged SW-GW volume in the floodplain area at the catchment scale and 2) quantifying the shallow aquifer denitrification rate in the floodplain area at the catchment scale and evaluating its influence on the nitrate flux in the river. Field sampling and modelling study were conducted to achieve these objectives. Monthly field work campaigns were carried out from April 2013 to March 2014 at the Monbéqui site in the Garonne river floodplain. The Soil and Water Assessment Tool (SWAT) which has been successfully applied all over the world was chosen to simulate the hydrologic processes and nitrogen cycle. However, the simulation of the water exchange between river and groundwater occurring in the floodplain area was not simulated in the original SWAT model. Firstly, the Darcy's equation was implemented to simulate SW-GW exchanges based on the Landscape Unit (LU) structure in the floodplain area. The influence of flooding on the water exchange was also introduced to the model. The modified model was called SWAT-LUD and was applied to a meander of Garonne floodplain - Monbéqui (around 25 km2). Then, another module representing the denitrification processes in the floodplain shallow aquifer was developed and added to the SWAT-LUD model. The nitrate flux and shallow aquifer denitrification rates in Monbéqui was then quantified. Afterwards, the SWAT-LUD model was applied to the middle floodplain section of the Garonne River (around 4 600 km2) and the influence of shallow aquifer denitrification on the nitrate flux in the river was quantified. Lastly, the model was applied to the entire Garonne catchment (around 51 500 km2) and the hydrologic influence of SW-GW exchanges was evaluated. The results showed that the SWAT-LUD model could satisfactorily represent the SW-GW exchanges and shallow aquifer denitrification rate at different spatial scales. The main water flow direction is from the shallow aquifer to the river, with water flowing in this direction accounted for around 65% of the total exchanged water volume. In the Garonne catchment, the annual total exchanged water volume represented around 5% of the total discharge volume of the Garonne river. For the Monbéqui site, the simulated annual denitrification rate in the riparian zone was around 130 kg N-NO3-ha-1y-1. Around 40% of the nitrate input in this zone was degraded through denitrification. In the middle floodplain section, the annual denitrification rate in the near bank zone ranges from 55 to 120 kg N-NO3-ha-1y-1.
Author: Firas Saleh Publisher: ISBN: Category : Languages : en Pages : 215
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L'objectif est de contribuer à une meilleure simulation des tirants d'eau à l'échelle régionale afin d'améliorer la simulation des interactions nappe-rivière et de mieux quantifier les niveaux piézométriques dans les aquifères. Nous avons développé une méthode de changement d'échelle, dans laquelle la modélisation fine des processus hydrauliques à haute résolution permet d'améliorer la représentation des profils d'eau en rivière et les interactions nappe-rivière simulées à l'échelle régionale par le modèle EauDyssée. Cette méthodologie a été validée dans le bassin versant de l'Oise d'une superficie de 4500 km2, pour la période 1990-1995. Nous avons utilisé HEC-RAS pour la modélisation hydraulique d'un tronçon de 188 km. Le modèle permet d'interpoler des courbes de tarage simulées tous les 200 m en moyenne. Ces courbes de tarage sont ensuite projetées sur les mailles rivière du modèle régional EauDyssée (résolution de 1 km), où elles permettent de simuler la fluctuation du niveau d'eau en fonction du débit à l'échelle régionale par EauDyssée. La cote de la surface libre de la rivière définissant sa charge hydraulique, ces fluctuations influencent alors les échanges entre les mailles rivière et les nappes, qui dépendent des gradients de charge verticaux entre rivière et nappe. Ce travail montre l'intérêt de l'approche pour mieux évaluer les interactions nappes-rivières à l'échelle régionale. Il offre des perspectives intéressantes pour simuler des processus : élimination de nitrate dans les zones humides qui sont souvent situées à la zone de contact entre les nappes souterraines et la rivière, ainsi que de mieux estimer les risques d'inondation à l'échelle régionale.
Author: Clément Fabre (docteur en écologie).) Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 0
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La pollution des eaux de surface par les nitrates sous la pression de l'intensification des activités agricoles et des rejets urbains et industriels reste encore aujourd'hui une problématique mondiale. La dénitrification est le seul processus d'élimination des nitrates qui se produit majoritairement dans les zones humides et favorise une diminution de la concentration en nitrates depuis les zones agricoles vers les rivières et les fleuves. Le processus de dénitrification nécessite du carbone organique qui peut venir à la fois des sols et de la matière organique produite in-situ dans ces zones humides alluviales ainsi que de la rivière. Les zones humides alluviales sont des zones humides très actives du point de vue de la dénitrification. La dénitrification dans ces zones humides alluviales fluctue dans le temps en fonction du cycle hydrologique et de la disponibilité en carbone organique et en nitrate. Alors que le processus de dénitrification dans les zones humides alluviales est bien connu et détaillé, l'impact de ce processus d'élimination sur les flux exportés aux océans à l'échelle des bassins versants est difficile à appréhender car hautement variable dans le temps et l'espace. De meilleures compréhensions et estimations du rôle de la dénitrification dans les zones humides alluviales au pas de temps journalier sont nécessaires afin de faire ressortir son effet prépondérant dans la régulation des nitrates à l'échelle d'un bassin versant. Ainsi, les objectifs de ce travail sont 1) de mieux comprendre et d'estimer les flux de carbone organique au pas de temps journalier, un des moteurs essentiels de la dénitrification, 2) d'estimer le rôle de la dénitrification dans les zones humides alluviales sur des bassins versants contrastés d'un point de vue de la disponibilité de carbone organique et de nitrate, 3) d'ouvrir vers une généralisation de cette méthode pour quantifier les flux de nitrate aux océans à l'échelle globale et le rôle des zones humides alluviales sur ces derniers. A l'aide de données éparses à travers le monde provenant de différentes bases de données, nous avons pu mettre en évidence des équations simples permettant de simuler les flux de carbone organique transportés par les fleuves. Puis, avec un modèle intégrant les échanges nappes-rivière, adapté du modèle SWAT ainsi que des données de télédétection, nous nous sommes concentrés sur les interactions entre cycles de l'azote et du carbone dans les zones humides alluviales via la dénitrification sur trois bassins versants contrastés : l'Amazone pour les zones tropicales, la Garonne pour les zones tempérées et l'Ienisseï en Sibérie pour les zones froides. Ce travail démontre l'hétérogénéité de la dénitrification à l'échelle de bassins versants contrastés. Nous avons pu démontrer que la dénitrification par les zones humides alluviales s'élève à hauteur de 73,0 kgN/ha/an pour l'Amazone, 4,5 kgN/ha/an pour la Garonne et 0,7 kgN/ha/an pour l'Ienissei. Ainsi, nous pouvons démontrer que les bassins versants pour des conditions pédo-climatiques et d'anthropisation différentes renvoient des dénitrifications très différentes dues à la température ou à la disponibilité des réactifs. Enfin, dans le but de généraliser cette méthode à l'échelle globale, nous avons établi une approche de prédiction des flux de nitrates transportés par les fleuves à l'aide d'une équation simple et de paramètres environnementaux faciles à obtenir afin d'exporter nos résultats sur l'ensemble des fleuves de la planète.
Author: Jérôme Molenat Publisher: ISBN: 9782905532893 Category : Languages : en Pages : 272
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La pollution diffuse d'origine agricole est à l'origine de problèmes sanitaires et environnementaux liés à la détérioration de la qualité des eaux de surface. La maîtrise de cette pollution nécessite d'atteindre une connaissance fine, à toutes les échellesde temps, du transfert des éléments polluants transportés par l'eau. Ce travail a pour objectif d'établir le ou les temps de transfert du nitrate dans un bassin versant élémentaire. Il s'agit de connaître les réservoirs et les mécanismes responsables des variations saisonnières ,et pluri-annuelles des concentrations en nitrate dans la rivière. L'étude des dynamiques hydrologiques de trois bassins versants agricoles (Kervidy, Mélarchez, Mercube) a été réalisée à partir d'observations globales (pluie, débit). Une méthode basée sur la représentation spectrale des séries temporelles d'observations a été reprise et développée. Ainsi, par cette méthode, les parts respectives des contributions de la nappe et de l'écoulemênt rapide aux débits de la rivière sont établies. Le modèle d'écoulement en nappe et ses paramètres sont également définis. Cette méthode a été étendue à l'identification des modèles de transfert de nitrate. Une étude expérimentale a été mise en oeuvre .Trois transects du bassin versant de Kervidy (Morbihan, Bretagne) ont été équipés de piézomètres pour observer la nappe d'altérite. Les niveaux piézométriques ont été mesurés et un échantillonnage de la nappe a été réalisé afin d'analyser les teneurs de l'eau en nitrate, sulfate et chlorure. Ces observations ont permis de préciser l'hydrodynamique de la nappe et d'identifier ses principaux traits chimiques. Un schéma de fonctionnement du transfert de nitrate dans le bassin versant à l'échelle inter-mensuelle est proposé à la suite de l'analyse et de l'interprétation de l'ensemble des observations. Un modèle numérique spatialisé du fonctionnement de la nappe du bassin versant de Kervidy a été établi sur la base des observations et des connaissances acquises à la suite du travail de terrain
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DANS UN MODELE SYNTHETIQUE DEBIT (Q), DUREE (D) ET FREQUENCE (F), NOTE QDF, IL S'AGIT, SYMBOLIQUEMENT DE REMPLACER LA DENTELLE DES CHRONIQUES EVENEMENTIELLES Q(T), PAR DES COURBES SYNTHETIQUES Q(D(T)) (T OU F REPRESENTENT DES PROBABILITES). LA DETERMINATION DES QDF EST D'ABORD PONCTUELLE, ET LIMITEE A CHAQUE STATION OBSERVEE EN Q(T) OU SIMULEE EN Q(P(T)). LA MANIERE DONT CES QDF SE TRANSFERENT VERS L'AVAL (OU VERS L'AMONT) PEUT CARACTERISER TANT LES REGIMES NATURELS QUE LES AMENAGEMENTS. CETTE DEMARCHE A ETE APPLIQUEE ET TESTEE SUR LE BASSIN VERSANT DU RIVAL (ISERE) QUI A DES INTERACTIONS FORTES ET COMPLEXES ENTRE LA RIVIERE ET LA NAPPE. ON A COMPARE L'EVOLUTION REELLE OBSERVEE A CELLE QUI RESULTERAIT D'UNE EVOLUTION CLASSIQUE REGIONALE, TOUTES CHOSES EGALES D'AILLEURS, SANS ENR (ECHANGES NAPPE-RIVIERE) EXCEPTIONNELS. LES DIFFERENCES TROUVEES, QUANTIFIEES DANS LE DETAIL (SELON D, T, SUPERFICIE, ETC...), SONT ATTRIBUABLES AUX ENR. POUR VALIDER, ON A ELABORE UN MODELE PHYSIQUE SIMPLIFIE D'INFILTRATION-DRAINAGE, EXPLOITANT L'ORDRE DE GRANDEUR DES CONDUCTIVITES REGIONALES, ET CONCEPTUEL DANS SA REPRESENTATION DE LA TOPOGRAPHIE: MENR. EN DEMARCHE INVERSE, ON PEUT ESTIMER LES EFFETS D'OPERATIONS D'AMENAGEMENTS HYDRAULIQUES SUR LE REGIME DES CRUES MODELISE EN QDF
Author: Cécile Dagès Publisher: ISBN: Category : Languages : en Pages : 243
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L'influence des fossés sur les échanges surface-souterrain pendant une crue est étudiée par voie expérimentale et par voie numérique à l’échelle d'un tronçon de fossé et à l’échelle d’un réseau de fossés dense. A l’échelle du tronçon est établi un schéma de fonctionnement du massif de sol non saturé et saturé sous le fossé engendré par l'infiltration. Une approche de modélisation darcienne des écoulements permet de reproduire l’ensemble des processus dans la zone non saturée comme dans la nappe. A l'échelle du réseau de fossé, est observée la dynamique tridimensionnelle induite par l'infiltration dans le réseau. Le calcul du bilan hydrologique sur une unité de paysage permet de démontrer que la part de la recharge concentrée des nappes peu profondes en contexte Méditerranéen est significative. En terme de modélisation il s’avère indispensable de développer une approche de modélisation tridimensionnelle des écoulements tenant compte d’un point de vue découpage de l'espace, des réseaux de fossés, et d’un point de vue représentation des processus, de la zone non saturée et de la nappe
Author: Serdar Korkmaz Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages :
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Dans ce travail, une modélisation hydrogéologique du bassin-versant de la Somme dans le nord de la France a été menée avec une attention particulière sur l’interaction rivière-aquifère. Le modèle couplé a été utilisé. Un Système d’Information Géographique a été incorporé à toutes les étapes du processus de modélisation pour la préparation des données d’entrée et la visualisation des résultats des simulations. Le processus commence par l’analyse du Modèle Numérique de Terrain (MNT). Ensuite, les maillages de surface et de l’aquifère ont été crées. Une discrétisation plus fine a été effectuée sur le réseau des rivières et les limites des sous-bassins. Pour le modèle de surface, des données météorologiques, d’occupation du sol et de type de sol ont été acquises. Le modèle de surface permet de répartir les precipitations en évapotranspiration, infiltration et ruissellement de surface. Des niveaux piézométriques en régime permanents sont calculés par le modèle de nappe. L’écoulement dans la zone non saturée a été simulé par un modèle utilisant la cascade de Nash. Les simulations d’écoulement transitoire souterrain et de surface ont été réalisées en prenant en compte les interactions nappe-rivière sur un pas de temps journalier. La calibration et la validation des résultats ont été faites en utilisant les mesures des débits et des niveaux piézométriques dans le bassin. La forte influence de la nappe sur le regime hydrologique du bassin est bien représentée par le modèle. Des comparaisons de prédiction des zones inondées en 2001 ont été effectuées avec d’autres modèles. Enfin, des analyses de sensibilité ont été réalisées afin d’orienter de futures collectes de données terrain.
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La zone hyporhéique est un bioréacteur pouvant influencer le fonctionnement biogéochimique des hydrosystèmes fluviaux. La quantification de son rôle vis-à-vis des flux d'eau et d'éléments dissous transitant dans l'hydrosystème de grande plaine alluviale a été réalisée par modélisation numérique. Le travail de modélisation s'appuie sur des données précédemment acquises sur les sites expérimentaux de Freienbrink (Allemagne), de l'Hers et de la Garonne (France). La démarche de modélisation a consisté à développer un modèle hydrodynamique couplant les équations de Saint Venant (2D) pour les écoulements de surface et les équations de Darcy-Dupuit pour le milieu poreux, ainsi qu'un modèle de transport réactif des formes dissoutes de l'azote minéral et de la matière organique. L'ensemble des conclusions souligne l'importance des échanges transitoires entre cours d'eau et zone hyporhéique qui favorisent le stockage de l'eau et l'activation des processus de dénitrification.
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Dans le cadre de la modélisation climatique, la représentation du cycle de l'eau des surfaces continentales est primordiale. Actuellement, les "modèles de surface continentale" représentent l'évolution des flux d'eau verticaux dans des colonnes de sol de quelques mètres de profondeur et leur interaction avec l'atmosphère. En revanche, l'interaction avec les nappes de faible profondeur n'est pas prise en compte alors que leur présence influence fortement les flux d'évapotranspiration à l'échelle locale, et, en conséquence, le climat à l'échelle régionale. Une difficulté est que les zones où cette interaction apparaît relèvent d'une échelle inférieure à celle du maillage des modèles de surface continentale. L'objectif de cette thèse est de proposer un modèle qui permette de prendre en compte l'impact des nappes de faible profondeur sur les flux d'évapotranspiration pour les modélisations climatiques à l'échelle globale. La contrainte principale associée relève des temps de calculs, qui doivent être réduits pour permettre la réalisation de simulations sur de grandes échelles de temps et d'espace. Dans ce cadre, un nouveau modèle de colonne de sol est proposé. Une fonction de drainage imposée en bas de colonne permet de reproduire l'évolution temporelle du toit de la nappe, en interaction avec les processus d'infiltration et d'évapotranspiration. Le modèle est testé et validé sur des cas tests académiques simples dans un premier temps, puis sur le cas d'un bassin versant réel dans un second temps (bassin versant du Strengbach, en France). Enfin, une méthodologie basée sur ce modèle de colonne et permettant d'estimer les flux d'évapotranspiration en tenant compte de leur variabilité dans l'espace est introduite. Elle est appliquée à un bassin versant dont la superficie est proche de celle d'une maille classique des modèles de surface continentale (bassin versant du Little Washita, aux États-Unis).
Author: Xiaoling Sun
Author: Xiaoling Sun
Author: Firas Saleh
Author: Clément Fabre (docteur en écologie).)
Author: Jérôme Molenat
Author: Majid Heydarizadeh
Author: Cécile Dagès
Author: Serdar Korkmaz
Author: Dimitri Peyrard
Author: Mathilde Maquin
Author: J.f Pallares Ochoa