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13/12/2016 - ARNOUX Marie

Interactions entre les eaux de surface et les eaux souterraines et leur sensibilité face aux changements climatiques et environnementaux

  • Thèse en cotutelle.
  • Directeurs : Elisabeth GIBERT-BRUNET (IDES) & Florent BARBECOT (UQAM, Montréal, Canada).
  • Financement : Alloc. Supplémentaire, UPSUD.

Thèse soutenue le mardi 13 Décembre 2016 à 15 heures au bâtiment 121 Univ. Paris-Sud 91405 ORSAY CEDEX - Salle de visio-conférence IDOC (IAS)

devant le jury composé de :

- Elisabeth GINERT-BRUNET, Directeur de recherche, Université Paris-Sud/Orsay, Directeur de thèse
- Ian Douglas CLARK (Professeur, Université d’Ottawa, Rapporteur
- Pierre RIBSTEIN, Professeur, UPMC, Rapporteur
- Florent BARBECOT, Professeur, Université du Québec à Montréal, Directeur de thèse
- Christelle MARLIN, Professeur, Université Paris-Sud/Orsay, Examinateur
- Paul DEL GIORGIO, Professeur, Université du Québec à Montréal, Examinateur

Résumé :

Face à l’augmentation actuelle des pressions anthropiques sur les réserves d’eaux douces, leur préservation, et notamment celle des eaux souterraines, est primordiale. Les interactions entre les lacs et les eaux souterraines sont étudiées ici afin d’identifier si certains lacs peuvent être utilisés comme indicateurs de changements qualitatifs et quantitatifs des eaux souterraines, spécialement au Québec où plus de 10% du territoire est recouvert d’eaux douces avec un million de lacs recensés.

Une vingtaine de petits lacs de kettle, situés dans des dépôts fluvioglaciaires, ont été spécifiquement choisis pour leur très probable interconnexion avec les aquifères libres peu profonds. Les flux d’eaux souterraines ont été quantifiés via les bilans hydrologiques des lacs couplés aux deux traceurs naturels des eaux souterraines que sont les isotopes stables de la molécule d’eau et le radon‑222.

A l’échelle régionale, ces lacs présentent un apport annuel et un temps de renouvellement relativement rapide par les eaux souterraines. A l’échelle locale, la modélisation journalière multicouches d’un lac témoin (le lac Lacasse) montre l’importance de la mesure des traceurs, et leur complémentarité, sur la colonne d’eau en fonction des saisons.

Différents scénarii d’évolution climatique et environnementale ont ensuite été testés sur les bilans hydrologiques à long terme. Les résultats montrent que la sensibilité de la composition isotopique des lacs à l’horizon 2050 face à l’évolution de la recharge est principalement contrôlée par le pourcentage que représente l’apport des eaux souterraines dans le total de leurs apports en eau, avec une sensibilité optimale pour une fraction de 50 à 80% des apports totaux.

Par l’amélioration des connaissances sur les interactions entre lacs et eaux souterraines et sur les outils qui les mettent en évidence, ce travail de recherche a montré que la signature géochimique des lacs peut être utilisée comme indicateur du devenir des ressources en eaux souterraines face aux changements climatiques et environnementaux, pour une meilleure gestion durable de ces hydrosystèmes.

Lakes - groundwater interactions and sensitivity to climate and environmental changes

Abstract : In the face of modern anthropogenic pressures the preservation of freshwater resources, particularly groundwater, is paramount. This study investigates interactions between small lakes and groundwater in Quebec, where more than 10% of the territory is covered by freshwater including one million inventoried lakes, to determine whether these lakes may be used as indicators of groundwater change.

Twenty-one kettle lakes, set in fluvioglacial deposits, have been specifically targeted for this study due to the high likelihood of connection to shallow unconfined aquifers. Groundwater flows were quantified via lake water balances coupled with two natural tracers of groundwater : stable isotopes of water and Radon-222. On a regional scale the majority of these lakes are characterized by an important annual groundwater inflow and a short-to-medium groundwater flushing time. Daily multi-layer modeling of one of the study lakes, Lake Lacasse, highlights the importance of conducting measurements of these complementary tracers on the water column at the local scale.

Different climate and environmental change scenarios were tested to determine the longterm evolution of lake geochemistry. The results indicate that the sensitivity of the isotopic composition of lake water to changes in recharge by year 2050 is mainly controlled by the amount of the total lake balance contributed by groundwater, with an optimum sensitivity for 50-80% of the total inflows contributed by groundwater.

This research demonstrates that the geochemical signatures of lakes can be used to indicate future groundwater change in response to climate and environmental evolution, which may assist in improvements to the sustainable management of freshwater resources.

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