Continental hydrosystem modelling: the concept of nested stream–aquifer interfaces

International audienceCoupled hydrological-hydrogeological models, emphasising the importance of the stream–aquifer interface, are more and more used in hydrological sciences for pluri-disciplinary studies aiming at investigating environmental is-sues. Based on an extensive literature review, stream–aquifer interfaces are described at five different scales: local [10 cm– ∼ 10 m], intermediate [∼ 10 m–∼ 1 km], watershed [10 km 2 – ∼ 1000 km 2 ], regional [10 000 km 2 –∼ 1 M km 2 ] and conti-nental scales [> 10 M km 2 ]. This led us to develop the con-cept of nested stream–aquifer interfaces, which extends the well-known vision of nested groundwater pathways towards the surface, where the mixing of low frequency processes and high frequency processes coupled with the complexity of geomorphological features and heterogeneities creates hy-drological spiralling. This conceptual framework allows the identification of a hierarchical order of the multi-scale con-trol factors of stream–aquifer hydrological exchanges, from the larger scale to the finer scale. The hyporheic corridor, which couples the river to its 3-D hyporheic zone, is then identified as the key component for scaling hydrological pro-cesses occurring at the interface. The identification of the hy-porheic corridor as the support of the hydrological processes scaling is an important step for the development of regional studies, which is one of the main concerns for water practi-tioners and resources managers. In a second part, the modelling of the stream–aquifer in-terface at various scales is investigated with the help of the conductance model. Although the usage of the temperature as a tracer of the flow is a robust method for the assess-ment of stream–aquifer exchanges at the local scale, there is a crucial need to develop innovative methodologies for as-sessing stream–aquifer exchanges at the regional scale. After formulating the conductance model at the regional and inter-mediate scales, we address this challenging issue with the de-velopment of an iterative modelling methodology, which en-sures the consistency of stream–aquifer exchanges between the intermediate and regional scales. Finally, practical recommendations are provided for the study of the interface using the innovative methodology MIM (Measurements–Interpolation–Modelling), which is graphi-cally developed, scaling in space the three pools of methods needed to fully understand stream–aquifer interfaces at vari-ous scales. In the MIM space, stream–aquifer interfaces that can be studied by a given approach are localised. The ef-ficiency of the method is demonstrated with two examples. The first one proposes an upscaling framework, structured around river reaches of ∼ 10–100 m, from the local to the wa-tershed scale. The second example highlights the usefulness of space borne data to improve the assessment of stream– aquifer exchanges at the regional and continental scales. We conclude that further developments in modelling and field measurements have to be undertaken at the regional scale to enable a proper modelling of stream–aquifer exchanges from the local to the continental scale

Transformations agricoles et agroalimentaires

À l’heure des robots et du numérique, la terre (habitat, agriculture, paysage, planète) et la nourriture (du corps et de l’âme) sont parmi les préoccupations majeures dans les espaces médiatiques et politiques. Le pétrole et l’abondance qui l’a accompagné nous avaient fait oublier qu’elles sont au fondement des sociétés humaines. La « crise alimentaire » de 2008, qui a secoué plusieurs continents, a rappelé aux gouvernements l’enjeu de la sécurité alimentaire. Après des décennies d’excédents, de baisse du prix des produits agricoles de base, la question de la valeur de la terre et de l’agriculture est de retour. La question de la santé et celle des droits humains prennent une place élargie tant dans les politiques publiques et dans la production de normes alimentaires. Des mouvements sociaux transnationaux s’emparent de la question de l’avenir de l’agriculture et de l’alimentation, et de celle de la « bonne vie ». Pour contribuer à cette réflexion sur l’avenir de la terre et de la nourriture, cet ouvrage étudie la socialisation de l’agriculture, c’est-à-dire sa prise en charge tant par les politiques agricoles (essentiellement nationales) que par l’organisation des marchés dans un cadre national et international. Il le fait en prenant un large recul et mobilise trois temporalités. La première est celle de la planète. La seconde, celle des régimes métaboliques, façons dont l’humanité à différents stades de développement, mobilise matériaux et énergie. La troisième est celle du capitalisme, avec la succession de systèmes hégémoniques (ce qui n’exclue pas de multiples polarités). Cet ouvrage réunit des recherches récentes d’économistes, de sociologues, d’historiens et d’agronomes, de différents pays, recherches qui ont en commun de concerner la place de l’agriculture dans l’évolution des capitalismes

Quantification des échanges nappe-rivière au sein de l’hydrosystème Seine par modélisation multi-échelle

Given the current climate and anthropogenic evolutions, water management becomes one of the greatest challenges of the 21st Century. For that purpose, by identifying hydraulic continuity between surface and subsurface water, the concept of integrated water management can be introduced. In this work this management concept is applied on the Seine basin by quantizing hydrological processes occuring at the nested stream-aquifer interface. The implementatin of the nested interface concept can bedone through multi-scale modeling. This modelling procedure, aimed at embody the local characteristics of the interfaces (such as structural or hydrodynamic heterogeneities) in large scale models. A multi-scale modelling procedures is applied to the regional Seine basin model (70000 km²) in order, to study the hydrodynamic behaviour of the Bassée alluvial plain, and to quantify the stream-aquifer exchanged fluxes at the basin scale. The modelling protocol is initiated with regionals fluxes estimation over Seine hydrosystem. Regional fluxes consistency are assured by a two-step calibration procedure of fully coupled models. Then, the local characteristics of the Bassée alluvial plain, are implemented in the regional model by nested modelling methodology associated with upscaling procedure of hydraulics properties. Finally, the multi-scale modelling procedure lead to quantify distributed stream-aquifer exchanged water fluxes over 83% of the natural river network of the Seine basin, and thus, achieve to answer the integrated water resources management recommandations of the water framework directive.Compte tenu de l’évolution démographique et climatique planétaire, la gestion de la ressource en eau constitue un défi majeur auquel la communauté internationale devra faire face au cours du XXIème siècle. A cet effet, l'identification de la continuité hydrique entre les eaux de surface et les eaux souterraines permet l'introduction de la notion de gestion intégrée de la ressource. L'application de ce principe de gestion au bassin de la Seine, à travers l'estimation des échanges nappe-rivière, est rendue possible par la mise en pratique du concept d'interface nappe-rivière emboitées au sein de travaux de modélisation. Pour cela une procédure de modélisation multi-échelles peut être mise en place. Elle vise à intégrer des informations locales au sein de modélisation à une échelle supérieure. Dans ce mémoire, une procédure de modélisation multi-échelles est mise en œuvre. Ce protocole de modélisation est initié par une estimation des flux d'eau régionaux au sein de l'hydrosystème Seine. La cohérence globale de ces flux est garantie par le développement d'une méthodologie de calibration de modèles couplés en deux étapes. Ensuite les informations locales, que sont les hétérogénéités de la plaine alluviale de la Bassée et de la représentation des interfaces nappe-rivière du réseau secondaire, sont intégrées au modèle régional par une procédure de modélisation emboitée et de changement d'échelle des paramètres hydrauliques. La mise en place de cette procédure a finalement permis l'estimation fine des échanges nappe-rivière sur la quasi-totalité (83%) du réseau hydrographique naturel du bassin de la Seine et ainsi de répondre aux recommandations de gestion intégrée de la ressource faites par la directive cadre sur l'eau

Quantizing stream-aquifer fluxes at regional scale by multi-scale modelling of the Seine hydrosystem

Compte tenu de l’évolution démographique et climatique planétaire, la gestion de la ressource en eau constitue un défi majeur auquel la communauté internationale devra faire face au cours du XXIème siècle. A cet effet, l'identification de la continuité hydrique entre les eaux de surface et les eaux souterraines permet l'introduction de la notion de gestion intégrée de la ressource. L'application de ce principe de gestion au bassin de la Seine, à travers l'estimation des échanges nappe-rivière, est rendue possible par la mise en pratique du concept d'interface nappe-rivière emboitées au sein de travaux de modélisation. Pour cela une procédure de modélisation multi-échelles peut être mise en place. Elle vise à intégrer des informations locales au sein de modélisation à une échelle supérieure. Dans ce mémoire, une procédure de modélisation multi-échelles est mise en œuvre. Ce protocole de modélisation est initié par une estimation des flux d'eau régionaux au sein de l'hydrosystème Seine. La cohérence globale de ces flux est garantie par le développement d'une méthodologie de calibration de modèles couplés en deux étapes. Ensuite les informations locales, que sont les hétérogénéités de la plaine alluviale de la Bassée et de la représentation des interfaces nappe-rivière du réseau secondaire, sont intégrées au modèle régional par une procédure de modélisation emboitée et de changement d'échelle des paramètres hydrauliques. La mise en place de cette procédure a finalement permis l'estimation fine des échanges nappe-rivière sur la quasi-totalité (83%) du réseau hydrographique naturel du bassin de la Seine et ainsi de répondre aux recommandations de gestion intégrée de la ressource faites par la directive cadre sur l'eau.Given the current climate and anthropogenic evolutions, water management becomes one of the greatest challenges of the 21st Century. For that purpose, by identifying hydraulic continuity between surface and subsurface water, the concept of integrated water management can be introduced. In this work this management concept is applied on the Seine basin by quantizing hydrological processes occuring at the nested stream-aquifer interface. The implementatin of the nested interface concept can bedone through multi-scale modeling. This modelling procedure, aimed at embody the local characteristics of the interfaces (such as structural or hydrodynamic heterogeneities) in large scale models. A multi-scale modelling procedures is applied to the regional Seine basin model (70000 km²) in order, to study the hydrodynamic behaviour of the Bassée alluvial plain, and to quantify the stream-aquifer exchanged fluxes at the basin scale. The modelling protocol is initiated with regionals fluxes estimation over Seine hydrosystem. Regional fluxes consistency are assured by a two-step calibration procedure of fully coupled models. Then, the local characteristics of the Bassée alluvial plain, are implemented in the regional model by nested modelling methodology associated with upscaling procedure of hydraulics properties. Finally, the multi-scale modelling procedure lead to quantify distributed stream-aquifer exchanged water fluxes over 83% of the natural river network of the Seine basin, and thus, achieve to answer the integrated water resources management recommandations of the water framework directive

Characterization and modelling of sediment heterogeneity in an alluvial plain. The example of the upper Seine river (France)

International audienc

Etude d'un remplissage alluvionnaire par géoradar - Exemple de la Seine supérieure (France).

National audienc

Distributed simulation of daily stream-aquifer exchanged flux on the Seine basin at regional scale

International audienc

Altération d'habitat hydraulique à l'échelle des bassins versants: impacts des prélèvements en nappe du bassin Seine-Normandie

Parmi les outils permettant d'évaluer les impacts écologiques des altérations de débit des cours d'eau, les modèles d'habitat hydraulique couplent une modélisation hydraulique avec des modèles des exigences écologiques des espèces aquatiques. La simplification de ces modèles permet de les appliquer à l'échelle des bassins versants pour quantifier l'impact sur l'habitat hydraulique de la gestion des débits et des prélèvements. Nous réalisons sur le bassin Seine-Normandie un couplage original d'un modèle hydrologique distribué, de modèles de distribution spatiale des poissons et de modèles d'habitat simplifiés. Ce couplage montre que les prélèvements en nappe génèrent une altération des débits d'étiage modérée (médiane: 4.1 %) qui se traduit pour les espèces en place par une altération d'habitat favorable faible (médiane: 1.6 %). Néanmoins, la répartition spatiale des altérations permet d'identifier les territoires les plus impactés (altération d'habitat ~15 %), du fait de prélèvements importants et/ou de la présence d'espèces plus exigeantes. Une analyse des incertitudes suggère d'interpréter les résultats à l'échelle de territoires ou plus large, et l'exercice permet donc d'identifier les territoires sur lesquels une modélisation plus fine serait utile. Ces résultats ouvrent de nombreuses perspectives pour prendre en compte les milieux aquatiques dans la gestion quantitative des bassins