Thèse Année : 2025

Groundwater flow, seepage erosion and morphology of river networks

Écoulement souterrain, érosion par sape et morphologie des réseaux hydrographiques

Résumé

In alluvial catchments, the ground is primarily composed of unconsolidated sediment layers that form an aquifer, i.e. a permeable geological formation capable of storing water. During rainfall, water infiltrates the soil and accumulates in the aquifer, where it flows as groundwater toward nearby rivers. The groundwater's free surface, called the water table, thus aligns with the topographic elevation along the course of a river. In this Ph.D. manuscript, we show that this observation, combined with the equations governing groundwater flow, allows us to reconstruct the shape of the water table around a drainage network and to predict the water discharge in the rivers of this network. We first use this finding to reconstruct the shape of the water table in the Sanwara basin, located in central India. During a field campaign in September 2023, we measured the topography along several rivers within the Sanwara catchment, and installed a pluviometer and three piezometers to monitor rainfall and groundwater levels in the aquifer. Assuming that groundwater flow is primarily horizontal in this basin, we numerically solve the Poisson equation, using the topography of the drainage network as a boundary condition and the mean monsoon rainfall rate as a source term. Although constrained by a relatively sparse dataset, the numerical solution yields a realistic estimate of the water table shape. Based on this solution, we compute the average river discharge during the monsoon and find a reasonable agreement with field measurements Applying the same approach to the Kali Gandaki basin in northern Nepal, we reconstruct the evolution over several years of the position of the groundwater divide as a function of rainfall intensity. This enables us to estimate how climate change could modify the extent of the drainage area and, consequently, affect the basin's water resources. Having shown that the flow of groundwater can be reconstructed from the shape of the drainage network, we turn, in the second part of this manuscript, to the processes shaping the network itself. When groundwater emerges into rivers with sufficient force, it can entrain sediment particles and trigger seepage erosion, thereby influencing the development and expansion of the river network. To investigate this process, we construct a laboratory-scale experimental aquifer, made of erodible plastic sediments. A reservoir beneath the aquifer supplies water at a controlled recharge rate. We find that the seepage erosion, driven by the resulting groundwater flow, is sufficient to initiate the formation and growth of a drainage network. However, for a given recharge rate, the growth of the network eventually stops, and the drainage network reaches a steady state morphology. A slight increase in the recharge rate is enough to trigger a new phase of erosion, ultimately leading to a new steady state. This indicates that the morphology of the drainage network adapts to the recharge rate by evolving toward a configuration in which the sediments in its bed are at the threshold of motion. At the same time, we observe that the reconstruction of the water table around the drainage network is in good agreement with the piezometric measurements carried out in the experimental aquifer. This solution indicates a connection between the direction of the groundwater flow and the growth of the drainage network.

Dans les bassins versants alluviaux, le sol est principalement constitué de couches de sédiments non consolidés formant un aquifère, c'est-à-dire, une formation géologique perméable capable de stocker de l'eau. Lorsqu'il pleut, l'eau s'infiltre dans le sol et s'accumule dans l'aquifère, où elle s'écoule sous forme d'eau souterraine vers les rivières avoisinantes. La surface libre de cette nappe phréatique suit ainsi l'élévation de la topographie le long du chemin emprunté par les rivières. Dans ce manuscrit de thèse, nous montrons que cette observation, combinée aux équations gouvernant l'écoulement de l'eau souterraine, permet de reconstruire la forme de la nappe phréatique autour d'un réseau hydrographique et de prédire le débit le long de ce réseau. Nous utilisons d'abord ce constat pour reconstruire de la forme de la nappe dans le bassin de Sanwara, situé au centre de l'Inde. Lors d'une campagne de terrain en septembre 2023, nous avons mesuré la topographie le long de plusieurs rivières du bassin de Sanwara. En parallèle, nous avons installé un pluviomètre et trois piézomètres afin de surveiller les précipitations et le niveau de la nappe dans l'aquifère. En supposant que l'écoulement souterrain dans ce bassin est quasi-horizontal, nous résolvons numériquement l'équation de Poisson, en utilisant la topographie du réseau de drainage comme condition aux limites et le taux moyen de recharge de l'aquifer pendant la mousson comme terme source. Bien que les données disponibles soient encore limitées, la solution numérique fournit une estimation réaliste de la forme de la nappe phréatique. À partir de cette solution, nous calculons le débit moyen des rivières pendant la mousson, et obtenons un accord raisonnable avec les mesures de terrain. En appliquant la même approche au bassin du Kali Gandaki, au nord du Népal, nous reconstruisons l'évolution sur plusieurs années de la position de la ligne de partage des eaux souterraines en fonction de l'intensité des précipitations. Cela nous permet d'estimer comment le changement climatique pourrait modifier l'étendue de l'aire drainée et, par conséquent, affecter les ressources en eau du bassin. Après avoir montré que l'écoulement de l'eau souterraine peut être reconstruit à partir de la forme du réseau de drainage, nous nous intéressons, dans la seconde partie de ce manuscrit, aux processus qui façonnent le réseau lui-même. Lorsque l'eau souterraine émerge dans les rivières avec une force suffisante, elle peut entraîner des sédiments. Ce processus d'érosion par sape influence le développement et la croissance du réseau hydrographique. Pour l'étudier, nous construisons un aquifère expérimental, composé de grains en plastiques érodables. Un réservoir situé sous l'aquifère alimente celui-ci en eau à un taux de recharge contrôlé. Nous observons que l'érosion par sape, induite par l'écoulement souterrain ainsi généré, suffit à initier la formation et la croissance d'un réseau de drainage. Cependant, pour un taux de recharge donné, la croissance du réseau finit par s'arrêter, et celui-ci atteint une morphologie stationnaire. Une légère augmentation du taux de recharge suffit à déclencher une nouvelle phase d'érosion, qui mène à un nouvel état stationnaire. Cette observation suggère que la morphologie du réseau de drainage s'adapte au taux de recharge en évoluant vers une configuration dans laquelle les sédiments de son lit sont au seuil de mise en mouvement. En parallèle, nous observons que la reconstruction de la forme de la nappe autour du réseau de drainage correspond bien aux mesures piézométriques effectuées dans l'aquifère expérimental. Cette solution indique un lien entre la direction de l'écoulement souterrain et la croissance du réseau de drainage.

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  • HAL Id : tel-05626084 , version 1

Citer

Celeste Romon. Groundwater flow, seepage erosion and morphology of river networks. Earth Sciences. Université Paris Cité, 2025. English. ⟨NNT : 2025UNIP7228⟩. ⟨tel-05626084⟩
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