Les cours d’eau représentent une ressource primordiale que l’homme exploite pour ses besoins en irrigation, en eau potable et en énergie (Rockstrom, 2013). Ils constituent également des écosystèmes vivants et sensibles, abritant une biodiversité importante mais vulnérable face aux pressions anthropiques et aux changements climatiques (Vörösmarty et al., 2010). Tandis que les variables hydrologiques sont suivies depuis de nombreuses années, la qualification de la qualité des masses d’eau est une préoccupation bien plus récente. Parmi toutes les variables de qualité, la température apparaît comme fondamentale (Poole and Berman, 2001). Suite au doublement des niveaux de CO2 atmosphérique d’ici 2050, une augmentation de la température de l'eau de surface est attendue, mais de façon hétérogène sur le globe. Par exemple, la Loire a enregistré une augmentation moyenne de la température de +0,38 °C par décennie (Seyedhashemi, 2022). La réduction des débits exacerbe ces tendances, soulignant l'interaction complexe entre les facteurs hydrologiques et les changements de température. La relation entre débit et température peut être d’autant plus complexe lorsque le débit est composé majoritairement d’eaux provenant des compartiments souterrains, notamment dans les bassins versants comportant une composante karstique. Le terrain karstique peut renforcer la résilience thermique des cours d'eau, atténuant les fluctuations de température journalières et saisonnières (Kessler et al., 2023).
Ainsi, l’estimation et la prédiction de la température est d’autant plus complexe que les facteurs l’influençant sont nombreux, et que les contextes climatiques évoluent rapidement. En première approximation, la température de l’air est couramment utilisée comme proxy de la température de l’eau ce qui permet une estimation statistique rapide et simplifiée (Johnson et al., 2013). Cependant, certains processus d’échange thermique tels que les échanges nappes/rivières (O’Driscoll and DeWalle, 2006) décorrèlent significativement cette relation. Ainsi, la modélisation basée sur la physique se positionne comme une solution pertinente, en particuliers lorsqu'elle est couplée aux modèles hydrologiques. Elle offre des avantages significatifs pour prédire avec précision les variations de température et comprendre les impacts écologiques (Leach and Moore, 2019). Conjointement, l’analyse des données de température et de débit à l’aide de signatures thermiques et hydrologiques jouent un rôle crucial dans la compréhension des composantes des régimes thermiques (Hare et al., 2021).
L'objectif principal de cette thèse est d'analyser l'évolution de la température des rivières, en mettant un accent particulier sur le rôle crucial des eaux souterraines. Cette recherche vise à comprendre les dynamiques thermiques des cours d'eau, à identifier les contributions spécifiques des eaux souterraines à la régulation thermique, et à intégrer ces connaissances pour améliorer les modèles hydrologiques et thermiques couplés. Pour atteindre ces objectifs, nous avons utilisé
une approche méthodologique combinant l'analyse de données empiriques, l'identification de signatures hydrologiques et thermiques, et la modélisation couplée des débits et température. En fin de compte, cette thèse cherche à fournir des outils et des connaissances pratiques pour anticiper les impacts du changement climatique sur les températures des rivières et pour développer des stratégies de gestion durable des ressources en eau.
Les problématiques de la thèse peuvent être définies à travers les questions suivantes :

• Comment utiliser les signatures hydrologiques et thermiques pour analyser l’impact des eaux souterrains sur les régimes d’un bassin versant régional ?
• Comment ces mêmes signatures peuvent également servir à diagnostiquer les résultats d’un modèle couplé débit-température à base physique et distribué ?

Cette thèse a été menée sur le bassin versant de la Saône, affluent principal du Rhône, car nous possédons des données de température et de débits suffisantes à l’analyse spatiale et temporelle des régimes thermiques et hydrologiques, que l’on peut mettre en perspective avec une gamme de lithologies contrastées, représentant une diversité d’écoulements souterrains.

Financement

• 50 % INRAE (département AQUA)
• 50 % Agence de l’Eau Rhône Méditerranée Corse

Références

• Hare, D.K., Helton, A.M., Johnson, Z.C., Lane, J.W., Briggs, M.A., 2021. Continental-scale analysis of shallow and deep groundwater contributions to streams. Nat Commun 12, 1450. https://doi.org/10.1038/s41467-021-21651-0
• Johnson, M.F., Wilby, R.L., Toone, J.A., 2013. Inferring air-water temperature relationships from river and catchment properties: AIR-WATER TEMPERATURE RELATIONSHIPS IN RIVERS. Hydrol. Process. n/a-n/a. https://doi.org/10.1002/hyp.9842
• Kessler, K., Rogers, K., Marsh, C., Hitt, N., 2023. Karst Terrain Promotes Thermal Resiliency in Headwater Streams. Proc. W. Va. Acad. Sci. 95. https://doi.org/10.55632/pwvas.v95i3.947
• Leach, J.A., Moore, R.D., 2019. Empirical Stream Thermal Sensitivities May Underestimate Stream Temperature Response to Climate Warming. Water Resour. Res. 55, 5453–5467.https://doi.org/10.1029/2018WR024236
• O’Driscoll, M.A., DeWalle, D.R., 2006. Stream–air temperature relations to classify stream–ground water interactions in a karst setting, central Pennsylvania, USA. Journal of Hydrology 329, 140–153. https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2006.02.010
• Poole, G.C., Berman, C.H., 2001. An Ecological Perspective on In-Stream Temperature: Natural Heat Dynamics and Mechanisms of Human-CausedThermal Degradation. Environmental Management 27, 787–802. https://doi.org/10.1007/s002670010188
• Rockstrom, J., 2013. Balancing Water for Humans and Nature, 0 ed. Routledge. https://doi.org/10.4324/9781849770521
• Seyedhashemi, H., 2022. Influence des retenues d’eau et du changement climatique sur la température des cours d’eau: modélisation à haute résolution et application au bassin de la Loire (PhD Thesis).
• Vörösmarty, C.J., McIntyre, P.B., Gessner, M.O., Dudgeon, D., Prusevich, A., Green, P., Glidden, S., Bunn, S.E., Sullivan, C.A., Liermann, C.R., Davies, P.M., 2010. Global threats to human water security and river biodiversity. Nature 467, 555–561. https://doi.org/10.1038/nature09440