Faculté des sciences

Spotlight on heterogeneity : measuring and modelling stream-aquifer interactions

Kalbus, Edda ; Zwahlen, François (Dir.) ; Schirmer, Mario (Codir.)

Thèse de doctorat : Université de Neuchâtel, 2009 ; Th. 2086.

Les interactions entre les eaux souterraines et les cours d’eaux jouent un rôle important pour le fonctionnement des écosystèmes fluviaux. La plupart des cycles de nutriments et du métabolisme des cours d’eau à lieu dans la zone de transition entre l’aquifère et le cours d’eau. Puisque les patrons d’écoulement des eaux souterraines sont des facteurs majeurs de contrôle de la... Plus

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    Résumé
    Les interactions entre les eaux souterraines et les cours d’eaux jouent un rôle important pour le fonctionnement des écosystèmes fluviaux. La plupart des cycles de nutriments et du métabolisme des cours d’eau à lieu dans la zone de transition entre l’aquifère et le cours d’eau. Puisque les patrons d’écoulement des eaux souterraines sont des facteurs majeurs de contrôle de la transformation des substances dans la zone de transition, la caractérisation et la quantification de ces écoulements sont importantes pour la gestion et la protection des ressources des eaux souterraines et des eaux de surface. Les trajectoires d’écoulement dans la zone de transition présentent communément un motif complexe qui résulte d’hétérogénéités dans la distribution de la perméabilité dans l’aquifère et dans les sédiments du lit des cours d’eau. Une sélection minutieuse des méthodes de mesure est par conséquent nécessaire pour identifier ces trajectoires d’écoulement en fonction de l’hétérogénéité des milieux poreux d’une part et pour obtenir des résultats représentatifs d’autre part. Le long du petit cours d’eau Schachtgraben dans la zone industrielle de Bitterfeld/Wolfen en Allemagne, des eaux souterraines contaminées se déversent dans ce cours d’eau. Afin de mieux comprendre ce problème de contamination, les objectifs généraux de la présente étude sont de déterminer les flux d’eau et de contaminants entre l’aquifère contaminée et le Schachtgraben ainsi que d’étudier les processus sous-jacents et les facteurs déterminants tout en tenant compte de l’hétérogénéité des milieux. Un examen des méthodes de mesure révèle que de nombreuses méthodes existent qu’elles peuvent être employées soit pour la caractérisation de l’aquifère, soit pour les eaux de surface ou soit pour la zone de transition elle-même. Les méthodes diffèrent au niveau de leur résolution, du volume d’échantillonnage et des échelles temporelles qu’elles représentent. Une approche multi-échelle qui combine plusieurs techniques peut réduire considérablement les incertitudes et améliorer les estimations des flux entre les eaux souterraines et de surface. Pour la quantification des flux d’eau et des substances dissoutes à l’interface entre l’ aquifère du Schachtgraben et le cours d’eau, deux nouvelles approches ont été combinées dans une nouvelle méthode performante: il s’agit de la mesure des températures du lit de la rivière pour déterminer la distribution spatiale et l’amplitude du déversement des eaux souterraines à travers le lit, et des tests de pompage intégral pour l’estimation des concentrations moyennes des contaminants et des taux de flux de masses dans les eaux souterraines qui migrent vers la rivière. La combinaison de ces méthodes fournit les flux potentiels de masse de contaminants entre l’aquifère et le cours d’eau. Les flux d’eau entre l’aquifère et le cours d’eau, sur la section étudiée, ont montré une hétérogénéité substantielle qui est associée à la distribution hétérogène des perméabilités au sein de l’aquifère connecté au cours d’eau. Les températures observées dans le lit de la rivière indiquent des zones à haut ou bas écoulement et donc des zones à haute et basse perméabilité. Dans un modèle à deux dimensions d’écoulement des eaux souterraines et de transport de chaleur, il a été montré que l’hétérogénéité de l’aquifère peut être déduite des températures du lit de la rivière. La variance du logarithme des conductivités hydrauliques qui a été utilisée comme donnée d’entrée d’une distribution des perméabilités généré stochastiquement a été calibrée avec les températures du lit observées pour simuler les températures observées et la distribution de flux des eaux souterraines dans le lit étudié. En plus des propriétés de l’aquifère, les propriétés des sédiments du lit des rivières peuvent aussi contribuer à la distribution hétérogène des flux souterrains à travers le lit. Quatre scénarios avec différentes distributions des perméabilités de l’aquifère et du lit ont été définis pour simuler et évaluer l’impact de l’hétérogénéité de l’aquifère et du lit sur la distribution des flux d’eau à travers le lit. Les résultats montrent que l’aquifère a une plus forte influence sur la distribution des flux d’eaux souterraines à travers le lit que le lit lui-même.
    Zusammenfassung
    Interaktionen zwischen Grundwasser und Flüssen spielen eine wichtige Rolle für FlussÖkosysteme. Ein Großteil des Nährstoffkreislaufs findet in der Übergangszone zwischen Aquifer und Fluss statt. Die Verteilung der Wasserströme im Flussbett hat einen maßgeblichen Einfluss auf die Umwandlung von Stoffen in der Übergangszone. Daher leistet die Charakterisierung und Quantifizierung der Fließvorgängen einen wichtigen Beitrag für den Schutz von Wasserressourcen. Die Fließwege in der Übergangszone zeigen oft ein komplexes Muster, das aus der Heterogenität der Durchlässigkeiten im Aquifer und in den Flussbettsedimenten resultiert. Eine sorgfältige Auswahl an Messmethoden ist notwendig um einerseits die Spannweite der Durchflüsse zu erfassen, und andererseits repräsentative Ergebnisse zu erhalten. Am Schachtgraben, einem kleinen Fluss in der Industrieregion Bitterfeld/Wolfen, Deutschland, fließt kontaminiertes Grundwasser in den Fluss. Ziel dieser Arbeit war die Bestimmung von Wasser- und Stoffflüssen zwischen dem kontaminierten Aquifer und dem Schachtgraben, sowie die Untersuchung der maßgeblichen Prozesse und Einflussfaktoren unter besonderer Berücksichtigung der Untergrund-Heterogenität. Eine Literaturübersicht über Messmethoden zeigte, dass zahlreiche Methoden existieren, die entweder im Aquifer, im Oberflächengewässer oder direkt in der Übergangszone angewandt werden. Die Methoden unterscheiden sich in ihrer Auflösung, dem Probevolumen, und den Zeitskalen für die sie repräsentativ sind. Die Kombination verschiedener Methoden auf unterschiedlichen Skalen kann zu einer maßgeblichen Reduzierung von Unsicherheiten führen und die Abschätzung von Massenflüssen erheblich verbessern. Zur Quantifizierung von Wasser- und Stoffflüssen an der Schnittstelle zwischen Grundwasser und Fluss wurden zwei neuartige Methoden zu einer effizienten neuen Vorgehensweise kombiniert: Die Kartierung von Flussbett-Temperaturen zur Bestimmung der räumlichen Verteilung und Größe des Grundwasserzustroms durch das Flussbett, und integrale Pumpversuche zur Abschätzung der durchschnittlichen Schadstoffkonzentrationen im Grundwasser. Die Kombination dieser Methoden ermöglichte die Bestimmung potentieller Schadstoffmassenflüsse zwischen Aquifer und Fluss. Die Wasserflüsse zwischen Aquifer und Fluss waren durch erhebliche räumliche Heterogenitäten im untersuchten Flussabschnitt gekennzeichnet, was auf eine heterogene Verteilung der Durchlässigkeiten im angeschlossenen Aquifer zurückzuführen ist. Die gemessenen Flussbett-Temperaturen weisen auf Zonen hohen oder niedrigen Grundwasserzustroms hin, und damit auf Zonen hoher oder niedriger Durchlässigkeiten. In einem Grundwasserfluss- und Wärmetransportmodell wurde gezeigt, dass die Heterogenität des Aquifers aus Flussbett-Temperaturen hergeleitet werden kann. Die Varianz der Durchlässigkeitsbeiwerte als Eingangsdaten für die Generierung von stochastisch verteilten Durchlässigkeitsfeldern wurde mit gemessenen Flussbett-Temperaturen kalibriert, um die beobachtete Verteilung von Temperaturen und Durchflüssen im untersuchten Flussbett zu simulieren. Zusätzlich zu den Aquifereigenschaften können die Eigenschaften der Flussbett-Sedimente ebenso zu einer heterogenen Verteilung von Grundwasserzuflüssen durch das Flussbett beitragen. Vier Szenarien mit unterschiedlichen Verteilungen der Durchlässigkeiten im Aquifer sowie im Flussbett wurden definiert, um den Einfluss der Aquifer- und Flussbettheterogenität auf die Verteilung der Durchflüsse durch das Flussbett zu simulieren und zu untersuchen. Die Ergebnisse zeigten, dass der Aquifer einen stärkeren Einfluss auf die Verteilung der Durchflüsse hat als die Flussbettsedimente selbst.
    Summary
    Interactions between groundwater and streams play an important role for the functioning of stream ecosystems. Most nutrient cycling and stream metabolism takes place in the transition zone between aquifers and streams. Since flow patterns are the major controlling factor for the transformation of dissolved compounds in the transition zone, the characterization and quantification of flow is an important component for integrated river basin management and the protection of both groundwater and surface water resources. The flow pathways in the transition zone commonly display a complex pattern, resulting from heterogeneities in the permeability distribution in the aquifer and in the streambed sediments. A careful selection of measuring methods is therefore required to capture the range of flows as a consequence of subsurface heterogeneities on the one hand, and to obtain representative results on the other hand. At the Schachtgraben, a small stream in the industrial area of Bitterfeld/Wolfen, Germany, contaminated groundwater discharges into the stream. The general objectives of this study were the determination of water and contaminant fluxes between the contaminated aquifer and the Schachtgraben stream and the investigation of the underlying processes and controlling factors with a focus on subsurface heterogeneity. A review of measuring methods revealed that numerous methods exist which are either applied in the aquifer, in the surface water, or in the transition zone itself. The methods differ in resolution, sampled volume, and the time scales they represent. A multi-scale approach combining multiple techniques can considerably reduce uncertainties and constrain estimates of fluxes between groundwater and surface water. For the quantification of water and solute flows at the stream – aquifer interface of the Schachtgraben, two novel approaches were combined into an efficient new methodology: Streambed temperature mapping for determining the spatial distribution and magnitude of groundwater discharge through the streambed, and integral pumping tests for the estimation of average contaminant concentrations and mass flow rates in the groundwater migrating toward the stream. The combination of these methods yielded potential contaminant mass fluxes between aquifer and stream. The water fluxes between aquifer and stream at the investigated stream reach showed substantial heterogeneity, which is commonly assumed to be a result of a heterogeneous distribution of permeabilities within the connected aquifer. Observed streambed temperatures indicated zones of high or low groundwater discharge and, thus, zones of high or low permeability. Application of a two-dimensional groundwater flow and heat transport model showed that the heterogeneity of the aquifer can be inferred from streambed temperatures. The variance of the logarithm of hydraulic conductivities as input data for a stochastically generated permeability distribution was calibrated with observed streambed temperatures to simulate the observed temperature and groundwater flux distribution in the investigated streambed. In addition to the properties of the aquifer, the properties of the streambed sediments may further contribute to a heterogeneous distribution of groundwater fluxes through the streambed. Four scenarios with different aquifer and streambed permeability distributions were defined to simulate and assess the impact of aquifer and streambed heterogeneity on the distribution of groundwater fluxes through the streambed. The results showed that the aquifer has a stronger influence on the distribution of groundwater fluxes through the streambed than the streambed itself.