État de l’art du fonctionnement hydrothermique de la zone hyporhéique

Beaucoup d’études ont montré l’avantage de l’utilisation de la méthode thermique dans les études des interactions nappe-rivière (Constantz, 1998; Briggs et al., 2012; Caissie and Luce, 2017) du fait que la température est un paramètre crucial dans la plupart des réactions biogéochimiques et contraint le fonctionnement écologique du cours d’eau. La méthode thermique permet donc d’étudier les propriétés hydrothermiques de la zone hyporhéique (ZH) et de quantifier les flux d’eau et de chaleur hyporhéiques (Halloran et al., 2016) à différentes échelles de temps (Goto et al., 2005). C’est dans ce contexte que s’inscrit le chapitre 1 qui présente les principaux processus physiques impliqués dans les échanges d’eau et de chaleur entre le cours d’eau et la zone hyporhéique et les méthodes classiquement proposées pour étudier cette problématique. Ce chapitre présente également une synthèse des différentes estimations des flux de chaleur obtenus dans des études antérieures dans différents contextes hydrogéologiques et climatiques. Les interfaces nappes-rivière contrôlent les flux d’échanges entre les eaux souterraines et les eaux de surface, les flux biogéochimiques et le fonctionnement des écosystèmes et leur rôle dans le maintien de la qualité de l’eau souterraine et de surface. Dans des perspectives de gestion des ressources en eaux, il convient de caractériser les échanges nappe-rivière. Depuis deux décennies, les eaux surfaciques et souterraines donnent cours à des études conjointes. Auparavant, les deux compartiments étaient étudiés séparément du fait de la différence de réaction de ces deux compartiments ; à l’échelle de l’aquifère, des processus hydrologiques basse fréquence se développent et dans les cours d’eau, les processus hydrologiques haute fréquence se réalisent. Ces deux compartiments interagissent à travers différentes interfaces emboitées de différentes extensions spatiales de l’échelle locale [10 cm – 10 m] à l’échelle continentale [> 10 mKm2] avec des échelles intermédiaires (Flipo et al., 2014) (Fig. 1.1).

L’interface nappe-rivière est représentée par la zone hyporhéique (ZH) à l’échelle locale (Flipo et al., 2014). Pour cette interface, il n’y a pas de définition conceptuelle unique en raison de différentes terminologies, méthodologies et dogmes utilisés par les différentes disciplines qui intègrent l’hydrogéologie, la bio-géochimie et l’écologie. Une avancée importante a été l’étude du rôle central de l’échange hydrologique entre les eaux souterraines et les eaux de surface dans la détermination de la biogéochimie et de la faune de la ZH (Valett et al., 1993). « Le Concept du Corridor Hyporhéique  » (HCC) a été proposé par (Stanford and Ward, 1993) qui a mis l’accent sur la connexion et l’interaction entre la ZH et le bassin hydrographique. La ZH est une zone où les frontières sont difficiles à définir (Westhoff et al., 2011). Il peut y avoir des interactions hydrologiques complexes qui peuvent affecter le pourcentage de saturation de cette zone en particulier les variations saisonnières qui peuvent affecter l’extension et la taille de la ZH (Fraser and Williams, 1997). En se basant sur des tests de traceurs, Conant (2004) a trouvé des indications montrant le mélange des eaux de rivière et d’aquifère à une profondeur supérieure à 0.3 m en dessous du lit de la rivière. White (1993) définit la ZH comme un espace interstitiel saturé au- dessous du lit de la rivière qui contient une proportion d’eau de surface. La ZH a des caractéristiques hydrologiques, thermiques, chimiques et métaboliques qui sont uniques et ne sont spécifiques qu’à cette zone (Boulton et al., 1998). Cette zone est définie aussi comme un environnement relativement occupé par des groupes invertébrés et fournit plusieurs services écologiques, jouant un rôle important.

dans les échanges de matière et d’énergie entre la surface et le souterrain (Gibert et al., 1990), dans la régulation thermique et la régulation des flux d’eau. La ZH assure aussi les refuges benthiques des invertébrés (Poole and Stewart, 1976; William and Hynes, 1976), la transformation de la matière organique et l’écologie du cours d’eau (Evans and Petts, 1997). Cette zone peut même atténuer les effets des apports anthropiques dans les cours d’eau comme les apports chimiques sous certaines circonstances (Brunke and Gonser, 1997). Les échanges hyporhéiques sont assurés par infiltration des eaux de surface à travers le lit de la rivière ou par exfiltration des eaux souterraines (Malard et al., 2002). Les eaux souterraines exfiltrantes fournissent des nutriments aux organismes de surface alors que les eaux de surface infiltrantes fournissent de l’oxygène dissous ainsi que de la matière organique aux microbes et les invertébrés de la ZH (Boulton et al., 1998). Les principaux gradients environnementaux observés au niveau de la ZH sont le gradient chimique (oxygène dissous, nutriments) et le gradient thermique (Brunke and Gonser, 1997; Sophocleous, 2002) (Fig. 1.2).