Connectivité hydrologique et géochimique dans le continuum aquifère-rivière en région subarctique

RÉSUMÉ : L'évolution climatique actuelle et l'usage intensif des ressources en eau dans notre société placent la protection des ressources d'eau douce, et donc la compréhension des processus contrôlant sa qualité, au cœur des problématiques de recherche actuelles. Parmi ces processus, les flux de matières entre les rivières et les eaux provenant des bassins versants, dont les processus de subsurface, contrôlent l'état chimique des eaux de rivière et leur contribution comme source de CO2 à l'atmosphère. Plusieurs techniques sont disponibles pour comprendre et quantifier ces flux. Dans ce cadre, l'utilisation du radon en tant que traceur géochimique permet de spécifiquement cibler les eaux souterraines dans leur mélange avec les eaux de surface. Cette thèse cherche à approfondir les connaissances portant sur cette connectivité en qualifiant et en quantifiant les flux d'eaux souterraines et de surface basé sur une combinaison d'approches géochimiques et hydrogéologiques. La rivière Matane (Québec, Canada) a été choisie dans ce cadre comme modèle d'étude. À travers le suivi pluriannuel à haute résolution spatiale et temporelle des niveaux piézométriques dans un méandre de la rivière, couplé à des campagnes d'échantillonnage d'eau de surface et d'eaux souterraines, cette recherche vise d'une part à estimer l'influence de la rivière sur les eaux de l'aquifère alluvial, et d'autre part à quantifier les flux d'eau souterraine et de carbone inorganique dissous à la rivière. Ce travail est accompagné d'une réflexion sur l'optimisation de l'usage des bases de données acquises. Dans le chapitre 1, les variations géochimiques des eaux souterraines et des eaux de surfaces (radon, température, pH, conductivité électrique, et isotopes stables de l'eau) ont été analysées au cours du temps en parallèle avec les variations de température de l'air, du débit dans la rivière, et des niveaux piézométriques. Une analyse multivariée par redondance a permis d'établir que le débit de la rivière contrôle la géochimie dans les eaux souterraines jusqu'à une distance de plus de 200 m du rivage. Un mélange d'eau souterraine avec les eaux de surface se produit ainsi dans l'aquifère alluvial à plus large échelle que ne le laissait penser la littérature scientifique. Le calcul des temps de résidence de l'eau souterraine dans la plaine alluviale, à partir d'un modèle basé sur l'activité de radon, montre des apports d'eau souterraine transversaux et verticaux à l'aquifère alluvial qui répondent aux variations de débit dans la rivière. Le chapitre 2 s'intéresse à quantifier les décharges d'eau souterraine à la rivière. Ces apports, appliqués aux paramètres du système des carbonates, a permis d'estimer les flux de carbone inorganique dissous à la rivière et de CO2 à l'atmosphère aux échelles infra- et pluri- kilométriques. Dans un contexte d'étiage, des transects longitudinaux à hautes et à basses résolutions spatiales d'activités en radon, de carbone inorganique dissous, d'alcalinité totale et de pression partielle en CO2 ont été réalisés. Un modèle utilisant l'activité en radon révèle une hétérogénéité spatiale des décharges d'eau souterraine. Ces apports s'accompagnent d'un flux de carbone inorganique dissous correspondant à moins de 13 % de celui soutenu par la rivière. Ces apports externes induisent pourtant un important flux de CO2 vers l'atmosphère traduisant un dégazage extrêmement rapide du CO2 dès l'arrivée de l'eau souterraine en surface. Le troisième chapitre porte sur l'optimisation de l'usage de bases de données hydrogéologiques via leur partage public et normalisé. Au travers d'exemples tirés de la base de données piézométriques pluriannuelle acquise sur la rivière Matane entre 2011 et 2019, l'étude montre qu'une ré-exploitation d'une base de données existante peut permettre de peaufiner, d'étendre ou de limiter des conclusions obtenues au cours d'études précédentes d'une part, mais aussi de réinvestir les données au sein d'études connexes portant sur des problématiques différentes. Le partage de bases de données selon les principes FAIR est une approche efficace pour préserver et donner accès aux données de recherche à une communauté scientifique large. Cette disponibilité se traduit par des opportunités de mise en valeur des données scientifiques préexistantes dans une optique de maximisation des connaissances et des avancées scientifiques. L'originalité de ce travail réside sur le développement et l'utilisation de bases de données hydrogéologiques et géochimiques, rendues ouvertes et accessibles. En faisant le portrait de la connectivité entre les eaux souterraines et les eaux de surface à travers l'exemple de la rivière Matane, cette thèse souligne l'importance des échanges hydrogéochimiques au sein du continuum aquifère-rivière et leur rôle dans le cycle du carbone. -- Mot(s) clé(s) en français : Eau souterraine ; Rivière ; Continuum hydrologique et géochimique ; Radon ; Traceurs géochimiques ; CO2 ; Publications de bases de données ; Région subarctique. -- \nABSTRACT : Due to climate change and of the intensive uses of water in our society, the protection of freshwater and the processes related to its quality are one of the key research topics in science. These processes include water fluxes between river and groundwater flowing from the catchment. Subsurface exchanges drive the chemical condition in riverine surface water and their contribution as a source of CO2 to the atmosphere. Several methods are available to understand and quantify these fluxes. The use of radon as a geochemical tracer allow to specifically target groundwater in the mixing process with surface water. The objective of this thesis is to intensify the knowledge of this connectivity by describing and quantifying groundwater and river water fluxes using a mix of geochemical and hydrogeological approaches. To investigate this problematic, the Matane River (Quebec, Canada) was used as a model. A pluriannual survey with high temporal and spatial resolution of piezometric levels was conducted in an alluvial floodplain of the river. This survey, combined with sampling campaigns of surface water and groundwater, aim to evaluate the influence of the river on alluvial groundwater, and to quantify groundwater and dissolved inorganic carbon fluxes to the river. The study goes along a discussion about the optimal use of the acquired databases. In the first chapter, geochemical variations of groundwater and surface water (radon, temperatures, pH, electrical conductivity and stable isotopes of water) were analyzed over time and compare with air temperature variations, river discharges, and piezometric levels in the alluvial aquifer. A redundancy multivariate analysis established that river discharges impact groundwater geochemistry up to 200 m from the riverbank. Groundwater and surface water are mixed in the alluvial aquifer on a longer distance than previously estimated. The calculation of groundwater residence time in the floodplain from a model based on radon activity shows transversal and vertical groundwater inputs in the alluvial aquifer. These inputs are controlled by the river discharge variations. The second chapter deals with the quantification of groundwater discharges in the river. These calculated fluxes applied to carbonate chemistry allow the evaluation of dissolved inorganic carbon (DIC) fluxes to the river and CO2 fluxes to the atmosphere at infra- and pluri-kilometric scales. High and low-resolution sections of radon activity, dissolved inorganic carbon concentration, total alkalinity, and CO2 partial pressure had been undertaken in the river at its baseflow. A model based on radon showed spatial heterogeneity of groundwater discharges in the river. These inputs come with a DIC flux that only represents a maximal contribution of 13 % of the river flux. However, these external inputs cause a considerable CO2 flux to the atmosphere. This flux evidence nearly immediate outgassing of CO2 as soon as groundwater discharge in the river. The third chapter focuses on the optimal use of hydrogeological databases through their public and normalized publication. Examples from the pluriannual hydrogeological database collected on the Matane River alluvial aquifer between 2011 and 2019 were used to demonstrate that a database can be reused with other objectives in order to refine, extend or limit previous conclusions of different studies. These databases can also be included in related studies with different purposes. Sharing databases according to the FAIR principles is effective in preserving and providing access to research data to a broad scientific community. This availability results in opportunities to add value to pre-existing scientific data in order to maximize scientific knowledge and progress. The study's originality is on the development and the use of hydrogeological and geochemical databases. By describing the connectivity between groundwater and surface water through the Matane River example, this thesis highlights the importance of hydrogeochemical exchanges in the aquifer-river continuum and the r role in the carbon cycle. -- Mot(s) clé(s) en anglais : Groundwater ; River ; Hydrological and geochemical continuum ; Radon ; Geochemical tracers ; CO2 ; Databases publications ; Subarctic region.

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