Modeling of water transfer in the alluvial aquifer of Erstein polder (Lower Rhine)
Modélisation du transfert hydrique dans l'aquifère alluvial du polder d'Erstein (Bas Rhin)
Résumé
The hydraulic management of the Rhine has drastically modified the hydrological functioning of alluvial zones and caused the disconnection of most side-channels of the Rhine and alluvial forests. The re-flooding restoration works of the disconnected sectors are planned with objective of both the retention of flood and of ecological flooding which should allow these zones to recover all or part of their functionality.The Erstein polder is a forested experimental area for monitoring the impact of the alluvial zones re-flooding. The flooding of the Rhine plain may modify its hydrological functioning in terms of runoff, groundwater-river exchanges and groundwater recharge. Our general objective is to analyze and quantify water flux in an unsaturated porous aquifer. Therefore, based on the given hydraulic and hydrogeological conditions of the study site, we performed numerical flow simulations using the finite element model Feflow 5.3.This work is structured in five chapters. The starting point is a state of the art about the functioning and the structure of alluvial zones and the mechanisms of water flux in these areas. The second chapter presents the experimental site. A scientific monitoring mission has been implemented on the polder site and an extensive data base of hydrological measurements (surface and groundwater) was created. This data base was used to characterize the water flux in the unsaturated zone. The third chapter is devoted to the construction of the hydrodynamic model. Given the importance of the side channels network supplied by the existing groundwater inside the polder, the water exchange between surface water and groundwater was discussed. Apart from the groundwater recharge by streams, a significant infiltration of water from the soil surface during flooding contributes to groundwater recharge. To quantify this part, we developed an original approach in order to characterize the heterogeneities of soils using hydrodynamic model parameters. These heterogeneities that vary spatially on the polder have a significant influence on the vertical flow and the residence time of water from the ground surface to the groundwater. The results obtained in 1D were then used to model the influence of soil heterogeneities of the entire area of the study site on water infiltration during inundation event and groundwater recharge. Different scenarios of heterogeneity were used to render the structure of the porous aquifer progressively more complex in order to evaluate the impact of the heterogeneities on water flux in the vadose zone of the Erstein polder.
Les aménagements hydrauliques du Rhin ont fortement modifié le fonctionnement hydrologique des zones alluviales et provoqué la déconnexion de la plupart des bras du Rhin et des forêts alluviales. Des opérations de ré-inondation des secteurs déconnectés du fleuve ont été menées dans un objectif à la fois de rétention de crue et de submersion écologique qui devraient permettre à ces zones de retrouver tout ou partie de leur fonctionnalité. Le polder d’Erstein est un secteur forestier expérimental pour le suivi de l’impact des ré-inondations des zones alluviales. Les inondations du polder par les eaux de Rhin sont susceptibles d’en modifier le fonctionnement hydrologique (écoulements de surface, échanges nappe-rivière, recharge de la nappe …). L’objectif général de ces recherches est l’analyse et la quantification des transferts hydriques dans un aquifère poreux dans un contexte de ré-inondation. Pour ce faire nous avons réalisé des simulations numériques de l’écoulement à l’aide du code de calcul Feflow (Finite element subsurface flow system), qui ont été validées par les données hydrogéologiques mesurées in situ. Ce travail est organisé en cinq volets. Le point de départ est un état de l’art du fonctionnement, de la structure des zones alluviales et des mécanismes du transfert hydrique dans ces zones. La deuxième partie, fournit une présentation détaillée du site expérimental sur lequel une mission de suivi scientifique a débuté en 2003 et ainsi fourni une importante base de données hydrologiques (eaux de surface et eaux souterraines). Ces données ont servi à caractériser les écoulements d’eau en zone non saturée. La troisième partie est consacrée à la construction du modèle hydrodynamique. Compte tenu de l’importance du réseau des anciens bras du Rhin alimentées par la nappe existant à l’intérieur du polder, la question des échanges cours d’eau-nappe a été abordée. Hormis la recharge de la nappe par les cours d’eau, une part importante de l’infiltration d’eau depuis la surface du sol lors des inondations contribue à la recharge. Pour quantifier cette part, nous avons développé une approche pédologique originale afin de caractériser les hétérogénéités des sols par des paramètres hydrodynamiques. Ces hétérogénéités qui varient spatialement sur le polder ont une influence significative sur les flux verticaux et les temps de résidence de l’eau dans la zone non saturée. Les résultats obtenus en 1D ont ensuite été appliqués à toute la superficie du polder d’Erstein avec l’objectif de quantifier l’ensemble des écoulements à cette échelle. Différents scénarios d’hétérogénéité proposés se fondent sur une complexification de la structure de l’aquifère poreux, afin d’évaluer l’impact des hétérogénéités du sol sur le transfert hydrique dans le polder d’Erstein.
Origine : Version validée par le jury (STAR)