Thermal reactivity at the stream–aquifer interface - Archive ouverte HAL Accéder directement au contenu
Article Dans Une Revue Hydrogeology Journal Année : 2020

Thermal reactivity at the stream–aquifer interface

Reactividad térmica en la interfaz río–acuífero

Réactivité thermique à l’interface cours d’eau–aquifère

Reatividade termal na interface rio–aquífero

(1) , (1) , (1) , (1)
1
Agnès Rivière
Nicolas Flipo
Patrick Goblet

Résumé

The evolution of water temperature at the stream–aquifer interface and the associated heat fluxes have a major influence on the ecological state. Here, a synthetic case is developed to characterize the behavior of the stream–aquifer interface submitted to meteorological and hydrological forcings as well as to various hydraulic and thermal properties, representative of a wide range of lithofacies from clay to gravel/sand. The thermal regime of the stream–aquifer system is driven by two pseudo-periodic cycles: the annual cycle and the diurnal cycle. A thermo-hydrogeological model coupled with a parameter sampling script is used. The results highlight the drivers that have the greatest influence on heat fluxes: (1) the meteorological conditions through the seasonal thermal gradients established between the stream and the aquifer during winter and summer periods, and (2) the hydraulic conductivity at the stream–aquifer interface. Depending on the hydraulic conductivity values at the stream–aquifer interface, two thermal regimes exist: for high hydraulic conductivities, advective fluxes clearly prevail, while for lower hydraulic conductivities, conductive fluxes predominate in most cases. This depth is reduced in upwelling cases and modulated by the thermal regime. The predominance of either the streambed- or aquifer-property effects depends on the equivalent hydraulic conductivity. In downwelling conditions under a given meteorological setup, stream–aquifer disconnection leads to increased advective fluxes compared with its connected counterpart. Results from this study provide better insight into heat fluxes at the stream–aquifer interface, which will ultimately result in a better stream heat-balance model.
La evolución de la temperatura del agua en la interfaz río–acuífero y los flujos de calor asociados tienen una gran influencia en el estado ecológico. Aquí se desarrolla un caso sintético para caracterizar el comportamiento de la interfaz río–acuífero sometido a forzantes meteorológicos e hidrológicos, así como a diversas propiedades hidráulicas y térmicas, representativas de una amplia gama de litofacies desde la arcilla hasta la grava/arena. El régimen térmico del sistema río–acuífero está impulsado por dos ciclos pseudoperiódicos: el ciclo anual y el ciclo diurno. Se utiliza un modelo termohidrogeológico junto con un programa de muestreo de parámetros. Los resultados ponen de relieve los factores que tienen mayor influencia en los flujos de calor: (1) Las condiciones meteorológicas a través de los gradientes térmicos estacionales establecidos entre el río y el acuífero durante los períodos de invierno y verano, y (2) La conductividad hidráulica en la interfaz río–acuífero. Según los valores de conductividad hidráulica en la interfaz río–acuífero, existen dos regímenes térmicos: en el caso de conductividades hidráulicas altas, predominan claramente los flujos advectivos, mientras que, en el caso de conductividades hidráulicas más bajas, predominan en la mayoría de los casos los flujos conductivos. Esta profundidad se reduce en los casos de afloramiento y es modulada por el régimen térmico. El predominio de los efectos de propiedad del cauce o del acuífero depende de la conductividad hidráulica equivalente. En condiciones de descenso en una configuración meteorológica determinada, la desconexión entre el río y el acuífero provoca un aumento de los flujos advectivos en comparación con su homólogo conectado. Los resultados de este estudio permiten comprender mejor los flujos de calor en la interfaz río–acuífero, lo que en última instancia dará lugar a un mejor modelo de equilibrio térmico de la corriente.
L’évolution de la température de l’eau à l’interface nappe-rivière et les flux de chaleur associés ont une influence majeure sur l’état écologique. Dans cette étude, un cas synthétique a été développé pour caractériser le comportement de l’interface nappe-rivière soumis à des forçages météorologiques et hydrologiques ainsi qu’à des propriétés hydrauliques et thermiques différentes, représentatives d’une large gamme de lithofaciès des argiles aux graviers/sable. Le régime thermique du système cours nappe-rivière est contrôlé par deux cycles pseudo-périodiques: le cycle annuel et le cycle diurne. Un modèle thermo-hydrogéologique couplé avec un script d’échantillonnage de paramètres est utilisé. Les résultats mettent en évidence les paramètres clefs: (1) les conditions météorologiques via les gradients thermiques saisonniers établis entre le cours d’eau et l’aquifère pendant les périodes d’hivers et d’été, et (2) la conductivité hydraulique à l’interface cours d’eau–aquifère. Selon les valeurs de la conductivité hydraulique au niveau de l’interface nappe-rivière, deux régimes thermiques existent: pour les fortes conductivités hydrauliques, les flux advectifs dominent clairement, alors que pour les plus faibles conductivités hydrauliques, les flux conductifs prédominent. La profondeur est réduite dans le cas d’exfiltration. La prédominance des effets des propriétés du lit de la rivière ou de l’aquifère, dépend de la perméabilité équivalente. Pour des conditions d’infiltration pour un jeu météorologique donné, la déconnexion entre la rivière et l’aquifère conduit à une augmentation des flux advectifs par rapport à son homologue connecté. Les résultats de cette étude permettent de mieux comprendre les flux thermiques de l’interface nappe-rivière, ces connaissances permettront d’améliorer les modèle thermique desrivières.
A evolução da temperatura da água na interface rio–aquífero e os fluxos de calor associados têm uma grande influência no estado ecológico. Aqui, um caso sintético é desenvolvido para caracterizar o comportamento da interface rio–aquífero submetida a forçantes meteorológicas e hidrológicas, bem como à várias propriedades hidráulicas e térmicas, representativas de uma gama de litofácies, de argila a cascalho/areia. O regime térmico do sistema rio–aquífero é impulsionado por dois ciclos pseudo-periódicos: o ciclo anual e o ciclo diurno. Um modelo termo-hidrogeológico acoplado a um roteiro de amostragem de parâmetros é usado. Os resultados destacam os fatores que mais influenciam nos fluxos de calor: (1) as condições meteorológicas por meio dos gradientes térmicos sazonais estabelecidos entre o rio e o aquífero durante os períodos de inverno e verão, e (2) a condutividade hidráulica na interface rio–aquífero. Dependendo dos valores da condutividade hidráulica na interface rio–aquífero, existem dois regimes termais: para alta condutividade hidráulica, prevalecem claramente os fluxos advectivos enquanto para condutividades hidráulicas mais baixas, os fluxos condutivos predominam na maioria dos casos. Essa profundidade é reduzida em casos de ressurgência e modulada pelo regime térmico. A predominância dos efeitos das propriedades do leito do rio ou do aquífero depende da condutividade hidráulica equivalente. Em condições de subsidência sob uma determinada configuração meteorológica, a desconexão do rio–aquífero leva a um aumento dos fluxos advectivos em comparação com o seu homólogo conectado. Os resultados desse estudo fornecem uma melhor compreensão dos fluxos de calor na interface fluxo-aquífero, o que resultará em um melhor modelo de balanço de calor no rio.
河流-含水层界面水温的演变及其伴随的热通量变化对生态有重要影响。因此,开发了一个综合案例来描述不同气象和水文条件下的河流-含水层界面的行为,并讨论了从粘土到砾石-砂石等广泛的岩相中不同的水力学和热学属性对界面的影响。河流-含水层系统的热力学变化规律状态由两个伪周期驱动:年循环和日循环。本研究采用耦合参数采样脚本的热力学-水文地质模型。结果突显了对热通量影响最大的驱动因素:(1)冬季和夏季时,河流-含水层之间季节性热梯度的气象条件;(2)河流-含水层界面的渗透系数。根据河流-含水层界面处的渗透系数取值,存在两种热力学规律:当渗透系数较大时,平流通量明显占优势,而当渗透系数较小时,对流通量在大多数情况下占优势。在水位上升的情况下,水位埋深减小,并受热力学变化规律影响。河床或含水层性质效应显著程度取决于等效渗透系数。在特定气象条件导致的水位下降情景时,对比连接状态,河流与含水层断开水力联系后会导致平流通量增加。研究结果为进一步研究河流-含水层界面的热通量提供了依据,并最终发展更好的河流热平衡模型。
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Dates et versions

hal-03181813 , version 1 (25-03-2021)

Identifiants

Citer

Agnès Rivière, Nicolas Flipo, Patrick Goblet, Asma Berrhouma. Thermal reactivity at the stream–aquifer interface. Hydrogeology Journal, 2020, 28 (5), pp.1735-1753. ⟨10.1007/s10040-020-02154-6⟩. ⟨hal-03181813⟩
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