L’objectif principal de HubIS est de favoriser l’émergence, évaluer et accélérer l’adoption d’innovations permettant d’améliorer la performance et la durabilité des systèmes irrigués dans les régions méditerranéennes.

La thèse s’inscrit dans cette prise de conscience globale de la valeur de l’eau, l’or bleu, écho des Objectifs de Développement Durable (ODD) de l’ONU pour un avenir meilleur et plus durable pour tous. L’agriculture en Europe et dans le monde est le poste le plus consommateur d’eau. L’utilisation d’eaux usées traitées (‘reuse’) s’avère une solution possible.

Les zones karstiques sont présentes dans de nombreuses régions du globe et couvrent 20 % de la surface des terres émergées en Europe. Les propriétés des roches karstiques favorisent les échanges surface/souterrain et engendrent des processus hydrologiques spécifiques lors des crues : infiltration rapide, mobilisation d’eau souterraine, écoulements souterrains interbassins (IGF). Les bassins karstiques ont donc des réponses hydrologiques complexes, difficiles à quantifier et à prévoir. L’objectif de cette thèse est de définir et d’analyser les signatures hydrologiques des bassins karstiques, afin de proposer une typologie de leurs processus en crue, et des voies d’amélioration de leur modélisation. Les signatures hydrologiques sont des indicateurs permettant de quantifier différents aspects de la réponse hydrologique d’un bassin versant. Cette thèse comporte quatre chapitres principaux, rédigés sous forme d’articles scientifiques, dont chacun aborde un aspect de la réponse hydrologique des bassins karstiques. La zone d’étude, d’une superficie totale de 25 000 km², couvre trois régions karstiques de natures hydrométéorologiques contrastées : Cévennes, Jura, et Normandie. Elle comporte 120 stations de jaugeage, pour lesquelles des chroniques de pluie et de débit d’une durée moyenne de 10 ans sont exploitées. Les chapitres 1 et 2 présentent respectivement un état de l’art des approches utilisées dans cette thèse, et les sites d’études et données exploitées. Le chapitre 3 caractérise l’influence du karst sur l’hydrologie des bassins versant, à travers l’analyse de bilans hydrologiques annuels (adaptation des théories de L’Vovich et Budyko) réalisés à l’échelle du tronçon de rivière. Les bilans intègrent les IGFs et mettent en évidence les bassins élémentaires en pertes et en gains. Le chapitre 4 analyse cette influence à l’échelle de l’évènement de crue, à l’aide de descripteurs calculés sur les hydrogrammes (indices de bilan, temps caractéristiques, et simulations du modèle d’onde diffusante avec échanges latéraux). Malgré une forte variabilité dans les influences du karst, des spécificités sont mises en évidence, comme l’importance des IGFs, et le laminage des crues. Le chapitre 5, basé sur la simulation des débits à l’aide de deux modèles à réservoirs dédiés à la prévision (Gardénia et GR5H), analyse (i) la capacité des modèles conceptuels à renseigner sur les processus hydrologiques des bassins et (ii) l’intérêt de la connaissance des processus hydrologiques spécifiques au karst pour l’amélioration des modélisations pluie-débit sur ces bassins. Le chapitre 6 présente une première typologie des processus hydrologiques en période de crue sur deux bassins karstiques contrastés, qui tient compte de la saisonnalité et du type de karst (unaire, binaire). Il se base sur le développement d’une nouvelle méthode d’analyse des relations débit-concentration, appliquée à des données de conductivité électrique obtenues par l’instrumentation de tronçons karstiques. Dans le chapitre 7, la synthèse de ces travaux menés à différentes échelles temporelles (année, évènement) et spatiales (bassins topographiques, élémentaires) permet de dégager, via les signatures hydrologiques, des tendances régionales sur les processus hydrologiques des bassins versants à composante karstique en crue, et de discuter de leur prise en compte par les modèles. Des préconisations sont également formulées pour étendre l’usage des signatures hydrologiques comme moyen d’identification des processus hydrologiques spécifiques sur de nouveaux bassins karstiques, et pour mieux les prendre en compte dans la modélisation des crues.

Mots clés : Karst, crue, Interbasin Groundwater Flow (IGF), modélisation 

Figure 1 : Méthodologie de travail appliquée pour la partie 1 (Le Mesnil et al., 2020, https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2020.124583)

Figure 2 : Méthodologie de travail appliquée pour la partie 3

  https://hal-brgm.archives-ouvertes.fr/tel-03578569

L’objectif de cette thèse est de s’appuyer sur les gaz dissous et notamment l’Excès d’Air – EA calculé à partir des gaz néon-argon-azote, pour développer de nouveaux traceurs informant des conditions et modalités de la recharge des aquifères et plus particulièrement, pour les systèmes karstiques sur l’importance (1) des mises en charge au sein des réservoirs karstiques et (2) des échanges drains/matrice au sein des réservoirs. Les travaux de thèse reposent sur deux sites pilotes : le bassin d’alimentation du Durzon (Causse du Larzac – milieu dolomitique, non exploité) et le bassin d’alimentation du Lez (karst Nord-montpelliérain – milieu calcaire, exploité pour l’AEP) ce qui permet d’évaluer (1) le rôle de la lithologie dans l’acquisition des signatures des gaz dissous et (2) le rôle de la gestion active par pompage (Lez) dans l’évolution de l’excès d’air.

Au préalable au développement de traceurs innovants de la recharge, un travail de compréhension du mécanisme de formation de l’EA a été mené d’un point de vue théorique et conceptuel puis par une approche modélisation à l’aide d’un modèle hydrodynamique couplé à un modèle de mélange d’EA (sur le bassin d’alimentation du Durzon). Cet aspect de modélisation permettrait d’implémenter un modèle numérique de type modèle à réservoir en y apportant de nouvelles contraintes de type données hydrogéochimiques.

Un suivi innovant des gaz nobles par spectrométrie à phase gazeuse permettant un suivi continu infra-journalier a permis de suivre les dynamiques d’évolution des gaz nobles lors d’une crue de reprise sur le bassin d’alimentation du Lez. Ce suivi a permis de mettre en avant le potentiel d’informations qu’apporte les gaz dissous pour une meilleure compréhension des processus hydrogéologiques au cours de la recharge avec notamment l’hélium et l’argon qui mettent en évidence des différences de dynamiques d’écoulement à la source au cours de la crue et renseignent sur l’origine et la nature des réservoirs mobilisés.

Mots clés : aquifère karstique, excès d’air, gaz dissous, recharge, transferts

Figure 1: photo prise par Remi Muller (HSM) – prélèvements des paramètres physico-chimiques et gaz dissous en souterrain sur le bassin d’alimentation du Durzon (-9m de profondeur – aven des Reynelles – Causse du Larzac) Figure 2: photo prise par Alain Jacquet - préparation pour un échantillonnage en souterrain avec des spéléologues (bassin d’alimentation de l’Ironselle – Causse Méjean) Figure 3: photo prise par Remi Muller (HSM) - illustration du sujet de thèse : étude des transferts d'eau et de gaz lors du transferts le long de la Zone Non Saturée

Figure 4: Manip de mesure en continu des gaz dissous lors d'un épisode de recharge intense sur le bassin d'alimentation du Lez (Nord Montpellier)

Les eaux des aquifères profonds constituent la ressource exclusive pour l'alimentation en eau potable sur le territoire de Bordeaux Métropole. Toutefois elles se voient menacées par la croissance démographique et les effets du changement climatique. La valorisation de ressources d'eau alternatives, telles que les nappes superficielles et les eaux pluviales, peut substituer une partie des usages présents ou futurs actuellement couverts par le réseau d'eau potable. Différents types de solutions innovantes de gestion des eaux pluviales sont à l'étude, en particulier les Solutions fondées sur la Nature (SfN), qui ont la particularité de pouvoir proposer des solutions d’infiltration des eaux pluviales, mais aussi de fournir des solutions à d’autres enjeux urbains concomitants, centres d’attention des stratégies de la métropole (lutte contre les îlots de chaleur, préservation de la biodiversité, capture de polluants, …).

La thèse consiste en une évaluation économique de ces solutions, en intégrant à leurs coûts et bénéfices les différents services écosystémiques qu’elles génèrent. Une particularité de cette approche est de prendre en compte la diversité des coûts et co-bénéfices issue de la répartition spatiale des SfN sur le territoire. Cette approche économique a pour vocation de fournir un cadre d'aide à la décision à Bordeaux Métropole pour arbitrer entre différentes stratégies de développement de ces solutions innovantes et notamment raisonner leur répartition spatiale. Pour ce faire, une méthodologie d’évaluation spatialement explicite est mise en place et mobilise diverses méthodes économiques : optimisation multi-objectif, analyse coût-bénéfices, analyse multicritère, méthodes d’évaluation contingente, expérience de choix.

Mots clés : économie de l’environnement, services écosystémiques, solutions fondées sur la nature, optimisation multi-objectif, expérience de choix, gestion des eaux pluviales.

Les Solutions fondées sur la Nature génèrent de multiples bénéfices pour les villes  Source : Agence de l’Eau Rhin Meuse

L’agriculture engendre des impacts à la fois positifs et négatifs sur l’environnement, comme la contamination des eaux par les pesticides. Les relations entre pratiques agricoles et impacts environnementaux sont complexes. Identifier des solutions requiert de s’intéresser autant aux processus physiques (e.g. transfert de polluants) qu’humains.

Ces deux aspects sont retenus dans le projet RIVAGE dont l’objectif est de mettre en place un dispositif d’évaluation et d’accompagnement des innovations en agriculture pour améliorer la qualité du milieu et des produits agricoles.

Nous travaillons à l’échelle d’un territoire en Guadeloupe, sur un bassin versant équipé pour le suivi des pratiques agricoles, des flux hydriques et de la qualité des sols et des eaux. Pour acquérir des éléments de diagnostic, le projet vise à analyser les pratiques agricoles et à formaliser les connaissances sur le fonctionnement du milieu physique (transfert des polluants au sein des différents compartiments de l’environnement). Ces connaissances seront mobilisées dans un système d’information participatif conçu à partir d’un modèle de représentation des relations entre processus humains et environnementaux (modèle DPSIR). Des innovations seront alors identifiées et testées dans le cadre de la mise en place d’un dispositif d’expérimentation en partenariat. Le résultat est une approche intégrée, justifiée par la diversité des acteurs impliqués dans le processus de changement (agriculteurs et acteurs du développement agricole (cible principale), gestionnaires du territoire, associations, habitants, consommateurs, et la communauté scientifique) : (i) intégration des points de vue pour aboutir à un diagnostic partagé des enjeux territoriaux; (ii) intégration des connaissances pour représenter de façon efficace les impacts des pratiques agricoles sur l’homme et son milieu.

Crédit photo (JB Charlier, BRGM)

Crédit photo (JB Charlier, BRGM)

Le 29 janvier 2021 à 11h00, Frédéric Grelot a présenté "so-ii - Instrumenter sur la durée l'observation des adaptations aux inondations"

Depuis décembre 2019, l'observatoire des impacts des inondations so-ii est reconnu comme un service d'observation de l'OSU Oreme et devrait contribuer à la future ZA BCM. Le périmètre géographique de so-ii est centrée autour des bassins versants de l'Étang de l'Or et du Lez. Cet observatoire vise à la production de données sur les impacts des inondations, mais également des adaptations en lien avec l'occurrence de ce risque naturel. Il est organisé en tâches d'observation complémentaires. L'objectif de cette présentation est de présenter les observations en cours d'acquisition (méthodes et données), en explicitant le lien avec les thématiques de recherche portées au sein de l'UMR, et d'ouvrir la discussion à de possibles collaborations.

Pour en savoir plus : http://so-ii.org

Le 05 février 2020 à 11h00, Joaquin Ameller Pavez nous a présenté ses travaux de thèse intitulés "Programme de redéveloppement de friches dans la Vallée de la Chimie: une approche d’analyse économique et d'aide à la décision" (Thèse réalisée sous la Direction de J.D. Rinaudo du BRGM).

Résumé:

Le redéveloppement des friches est une question qui préoccupe de plus en plus les urbanistes du monde entier. De plus en plus de friches, sites sur lesquels fleurissaient autrefois d’intenses activités économiques ou industrielles, sont désormais abandonnés ou sous-utilisés. Les friches industrielles sont souvent une source de nuisances pour les populations qui résident dans leur voisinage. En même temps, les friches industrielles situées dans les zones métropolitaines offrent de réelles opportunités de densification des villes. Dans un domaine où la plupart des analyses et des outils d'aide à la décision sont réalisés au niveau des sites, cette thèse propose une approche d’analyse conjoint de grands ensembles de sites à l’échelle du territoire des métropoles, afin de développer des stratégies régionales de redéveloppement. Plus précisément, elle présente un outil d’optimisation économique dans le cadre d'une analyse coûts-avantages pour le réaménagement d’un ensemble de friches industrielles. La mise en œuvre du modèle est illustrée de manière empirique avec le cas d’étude de la Vallée de la Chimie dans la métropole du Grand Lyon. La thèse développe et utilise des approches innovantes dans le domaine du redéveloppement des friches. L’idée n’étant pas de remplacer l’approche site spécifique conventionnelle, mais de prouver l’intérêt d’utiliser de façon complémentaire des approches prenant en compte l’interaction et synergies des sites et alternatives de reconversion face aux objectives du territoire. Globalement, cette recherche démontre de manière cohérente la pertinence des analyses économiques à échelle régionale, explore comment les facteurs d'incertitude peuvent être gérés pour porter les approches économiques à l'échelle régionale, et présente le potentiel d’utilisation du modèle.

Résumé :

 Exploitation agricole à base des eaux souterraines et des eaux des crues (©Khardi, 2020)

Le développement de l’agriculture irriguée dans les régions arides est souvent accompagné d’une exploitation intensive des eaux souterraines. Ce développement peut également être à l’origine de réallocations considérables de la ressource en eau de surface et souterraine à l’échelle du bassin versant. Cette thèse prend les innovations de mobilisation des eaux d’irrigation comme point d’entrée pour appréhender les pratiques d’adaptation au manque d’eau à l’échelle du territoire oasien Todgha-Ferkla au Sud-Est du Maroc et elle entreprend une concertation territoriale sur l’avenir de la gestion de l’eau moyennant une démarche participative. Deux innovations récemment introduites sur le territoire de Todgha-Ferkla ont été identifiées et analysées : (i) le captage des eaux de crues dans un bassin en terre pour la recharge de la nappe et l’irrigation à l’échelle de l’exploitation agricole ; (ii) l’association du système de khettara au pompage solaire dans la nappe sous-jacente dans les anciennes oasis. Des enquêtes de terrains, l’analyse d’images satellitaires, un suivi piézométrique multi-site et une modélisation analytique de la recharge ont été menés entre 2020 et 2023. En parallèle, un processus participatif impliquant un panel mixte d’acteurs a été conçu et mené afin d’établir un diagnostic factuel de la disponibilité des ressources en eau afin de coconstruire des solutions consensuelles pour une gestion durable de l’eau à l’échelle du territoire. Notre recherche a montré que l’usage conjugué des eaux de crues à l’échelle de l’exploitation agricole pour l’irrigation des palmiers dattiers et pour la recharge de la nappe permet de minimiser les pertes par évaporation. La modélisation analytique basée sur les mesures de terrain a montré que la recharge à partir du bassin de captage des crues a un effet sur la piézométrie spatialement et quantitativement très limité en raison de l’hydrogéologie de la zone. En outre, l’irrigation pourrait contribuer à la recharge de la nappe lorsqu’elle est prolongée sur plusieurs semaines grâce à l’arrivée de plusieurs crues rapprochées dans le temps. Quant à l’association du pompage par énergie solaire et du système traditionnel de la khettara, elle permet de sauvegarder l’accès et la gestion collective des eaux souterraines. Ainsi, l’organisation sociale autour de la ressource en eau souterraine est maintenue tant que la baisse accélérée des niveaux piézométriques ne ralentit pas le pompage provisoirement salvateur. L’analyse des innovations et les résultats de la concertation territoriale montrent que ce territoire est le siège d’une course à l’eau généralisée et non régulée, qui pourrait mettre en péril à terme toute forme d’agriculture, en premier lieu dans les parties les plus à l’aval du bassin versant. Les adaptations individuelles constatées apportent des améliorations locales mais restent tributaires des autres activités à l’échelle du bassin versant. La concertation territoriale révèle la nécessité de concevoir et de mettre en exergue un nouveau modèle de gouvernance de l’eau en vue d’assurer une gestion durable de ces oasis. De manière générale, la présente thèse contribue à la compréhension des pratiques d’irrigation et de leur mode de gestion dans le territoire oasien de Todgha-Ferkla et apporte des éléments de réflexion au débat national pour durabiliser la gestion de l’eau dans les oasis.

Oasis traditionnelle alimentée par la ‘Khettara’ (©Khardi, 2020)

Mots clés : oasis, extensions agricoles, irrigation, recharge de la nappe, khettara, innovations, concertation territoriale, eau au Maroc