WP3 – Mesure des gaz et de la température par fibre optique

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Contexte général

La température est classiquement utilisée comme traceur naturel des écoulements hydrologiques et s’avère être une méthode efficace et simple pour caractériser la zone critique à plusieurs échelles. Pour cela, la mesure de température distribuée par fibre optique (Distributed Temperature Sensing, DTS) est une technologie innovante très utile pour caractériser spatialement et temporellement les interactions eau-aquifère, pour identifier la circulation des fluides dans le sol et en forage et pour caractériser les propriétés intrinsèques du milieu (sols, zone hyporéique, aquifère etc..). Un dispositif de mesure peut facilement être installé pour suivre les variations de température dans des puits profonds, en fond de rivière ou dans le sous-sol. La précision peut être inférieure à 0,1 ° C dans certains cas avec une résolution d’échantillonnage égale à 12,5 ou 25 centimètres. Au cours des dernières années, plusieurs travaux ont été entrepris dans le cadre du WP 3 pour: (i) développer des méthodes d’investigations et de caractérisation plus performantes, notamment pour estimer les flux ou les variations de teneur en eau; (ii) observer et caractériser les processus de la zone critique.

Caractérisation de la dynamique des systèmes aquifères

Les méthodes DTS ont été adaptées en hydrogéologie pour caractériser le comportement et la dynamique des systèmes aquifères. Ces tâches ont été réalisées sur le site expérimental de Ploemeur en Bretagne et sur le site expérimental hydrologique de Poitiers (tous deux appartenant au réseau de sites hydrogéologiques H +). Le déploiement de fibre optique dans les forages, la surveillance passive de la température ou la réalisation de tests de traçage thermique ont permis de localiser les écoulements préférentiels, quantifier les flux et étudier le transport thermique en milieu hétérogène. De plus, des méthodes actives de mesure de température par fibre optique ont été développées, afin d’estimer la distribution des flux en forage. Le principe des méthodes actives repose sur l’utilisation d’une source de chaleur, comme un fluide injecté, ou une résistance thermique. La réponse en température est indicative des propriétés de diffusion du milieu ou bien des propriétés d’advections et permet ainsi la mesure des vitesses d’écoulements. Ainsi, ces différentes méthodes permettent (i) de quantifier la distribution des écoulements en forage et de caractériser la dynamique des écoulements, (ii) d’estimer les paramètres hydrauliques et les propriétés thermiques des aquifères et (iii) d’améliorer la compréhension des échanges thermiques dans les aquifères hétérogènes.

Caractérisation de la zone non-saturée

Les méthodes DTS ont aussi été développées pour caractériser la zone non saturée, qui est un élément clé pour comprendre le processus de transfert dans la zone critique. Ainsi, dans le cadre du WP 3, un câble à fibre optique a été déployé sur le site de l’Observatoire Draix-Bléone (réseau RBV) pour surveiller la température du sol (dans les 30 premiers cm). L’objectif est de mesurer l’humidité du sol afin de quantifier la réponse hydrologique d’un bassin vers des changements hydroclimatiques à différentes échelles temporelles.

Caractérisation des échanges eau souterraine-eau de surface et des flux hyporhéiques :

Les méthodes DTS ont enfin également été utilisées pour caractériser les échanges entre les eaux souterraines et les eaux de surface. Un câble de fibre optique a été ainsi déployé sur le long terme dans le bassin de Kerbernez (AgrHys, réseau RBV) et sur l’Observatoire de la Zone Critique d’Orgeval (réseau ORACLE). Le déploiement à long terme de câbles de fibre optique dans les sédiments d’un cours d’eau permet de surveiller les variations diurnes ou saisonnières des températures de surface dans les sédiments et d’en déduire des zones les anomalies thermiques pouvant être associées aux zones d’exfiltration.

Une méthode active a également été mise en place en rivière pour estimer la distribution des échanges nappe-rivière. En chauffant le câble déployé dans le sédiment, il est possible en effet de quantifier les flux et interactions entre les eaux souterraines et les cours d’eau. Cette méthode innovante a pu être testée avec succès dans le bassin-versant de Kerbernez (Réseau RBV).

 

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