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Investigation of groundwater-surface water interactions with distributed temperature sensing (DTS)

Auteur(s)
Kurth, Anne-Marie
Editeur(s)
Date de parution
2014
Mots-clés
Résumé
Les interactions entre les eaux souterraines et les eaux de surface sont vitales pour les écosystèmes aquatiques car elles influencent sur la température de l’eau, la disponibilité en nutriments et en oxygène dissous et sur la qualité de l'eau dans la zone hyporhéique. Un déficit dans ces interactions pourrait conduire à la détérioration de la santé et du fonctionnement de ces écosystèmes. Entre 1997 et 2008, des recherches ont montré que 22 % des cours d’eau suisses se trouvent dans un état critique écomorphologique (artificielles ou couvertes par exemple). En conséquence, la restauration des rivières est devenue une obligation légale, stipulant la revitalisation de 4000 kilomètres de cours d’eaux et de rivières endommagés sur une période de 80 ans. Dans le cadre de cette thèse, les données sur la revitalisation des cours d’eaux suisses ont été recueillies pour 13 des 26 cantons suisses, pour une période allant de 1979 à 2012. Les résultats ont montré que la longueur totale restaurée a augmenté constamment depuis 1979, avecune longueur moyenne de revitalisation de 9.8 km par an. L’analyse des mesures de revitalisation utilisées a montré des tendances géographiques. Dans la Romandie, des combinaisons des mesures de revitalisation plus durables ont été favorisées, par exemple des méthodes de bio-ingénierie et d’amélioration de la qualité de l’eau. En revanche, les cantons de la Suisse centrale et orientale, préfèrent une seule mesure de restauration avec un degré élevé d’intervention mécanique. En général, les contrôles d’efficacité des restaurations n’ont été réalisés dans moins de 10 % des projets de revitalisation étudiés. La plupart de ces contrôles concerne seulement le nombre des espèces indicatrices, comme les truites. Le rétablissement des interactions entre les eaux souterraines et les eaux de surface n’a été analysé dans aucun des projets. Dans ce contexte, la présente thèse a pour objectif d’analyser l’influence des mesures de revitalisation sur les interactions entre les eaux souterraines et les eaux de surface. Il existe un grand nombre de techniques d’analyse des interactions entre les eaux souterraines et les eaux de surface, parmi lesquels les méthodes des mesures géochimiques, hydrogéologiques et physiques. Dans la présente étude, une combinaison de ces approches est utilisée, avec une attention particulière à la température de l’eau. Cette dernière est examinée par Distributed Temperature Sensing (DTS). La méthode standard DTS utilisée jusqu’à présent permet seulement d’étudier les interactions de l’eau souterraine avec les eaux de surface dans des ruisseaux exfiltrants. Afin d’étudier les effets de la revitalisation des cours d’eaux sur les interactions de l’eau souterraine avec les eaux de surface, une méthode applicable dans des conditions exfiltrantes et infiltrantes pour tout taille de cours d’eau est nécessaire. En conséquence, une nouvelle méthode de mesure a été développée dans cette thèse. Cette méthode dite PAB combine des éléments des méthodes DTS passives (P) et actives (A) existantes avec l’enterrement du câble à fibre optique sous le lit de la rivière. Cette méthode permet des investigations à long terme des interactions de l’eau souterraine avec les eaux de surface dans les cours d’eau exfiltrants et infiltrants de toute dimension. Toutefois, une personne doit être présente pour contrôler le chauffage du câble à fibre optique pendant la mesure DTS active. . Pour contourner cette limitation et permettre l’application à long terme de la méthode PAB dans les régions éloignées, un système DTS autonome (ADTSS) a été développé. Ce dernier cumule plusieurs avantages dont la commande à distance, le transfert automatique des données et le chauffage automatique du câble à fibre optique. Avec l’aide de l’ADTSS et la méthode PAB, les effets de la revitalisation des cours d’eaux sur les interactions entre les eaux souterraines et les eaux de surface ont été analysés pour un cours d’eau urbain. Les résultats indiquent que la construction d’îlots de graviers augmente l’infiltration de l’eau de surface dans le lit du cours d’eau. Sur la base de ces recherches, on peut conclure que certaines modifications de la morphologie des rivières ont un effet positif sur les interactions entre les eaux souterraines et les eaux de surface. Ainsi, la revitalisation des cours d’eau peut être une méthode efficace pour améliorer les interactions de l’eau souterraine avec les eaux de surface., Groundwater-surface water interactions are a vital necessity for aquatic ecosystems as they control the water temperature, the availability of nutrients, dissolved oxygen and the water quality in the hyporheic zone. A lack of groundwater-surface water interactions may result in the deterioration of ecosystem health and functioning. Studies between 1997 and 2008 have shown that 22 % of Swiss water courses were severely degraded, e.g. engineered or covered. As a consequence, river restoration was made a legal obligation, stipulating the restoration of 4000 km of degraded rivers and streams over the course of the next 80 years. For this thesis a review of Swiss river restoration data between 1979 and 2012 for 13 of the 26 Swiss cantons was performed. Results indicated that restoration activities had steadily increased since 1979, with an average restoration rate of 9.8 km/year. An analysis of the restoration techniques revealed interesting geographical trends. In western Switzerland, more sustainable combinations of restoration measures, such as bioengineering or water quality improvements, were favoured. Cantons in central and eastern Switzerland, on the other hand, preferred single restoration measures with a higher degree of mechanical intervention. In general, the evaluation of restoration effects was only reported for less than 10 % of all investigated restoration projects. These mainly focussed on the number of flagship species, such as trout. None of the investigated projects tested whether river restoration had re-established groundwater-surface water interactions. Hence, this thesis aims at investigating the effects of river restorations on groundwater-surface water interactions. A number of techniques are commonly used to investigate groundwater-surface water interactions, including geochemical, hydrogeological and physical approaches. In the present study a combination of approaches is employed, with the main focus being on the physical parameter of water temperature. The latter is investigated with Distributed Temperature Sensing (DTS). DTS is used to measure temperature differences between ground- and surface water in surface water bodies. So far, the existing DTS methods have enabled the investigation of groundwater-surface water interactions under gaining conditions in small brooks. In order to investigate the effect of river restoration on groundwater-surface water interactions, however, a method applicable in both gaining and losing conditions, and which is suitable for water courses of all sizes is required. For this purpose, a new methodology, the <b>PAB</b> approach, has been developed, which combines passive (P) and active (A) DTS methods with the burying (B) of the fibre-optic cable in the subsurface. This approach enables long-term distributed investigations of groundwater-surface water interactions under gaining and losing conditions in water courses of all sizes. The active DTS method in the PAB approach, however, requires the direct presence of an operator controlling the heating of the fibre-optic cable. In order to circumvent this limitation and enable long-term temperature measurements with the PAB approach in remote areas, an autonomous DTS system (ADTS system) has been developed. This system combines several advantages, such as remote control, automated data transfer, and automated heating. By aid of the ADTS system and the PAB approach, the effect of river restoration on groundwater-surface water interactions has been investigated in an urban stream. Results indicate that the installation of gravel islands increased the rate of surface water downwelling. Generalising the results, it may be assumed that such changes to river morphology will have a positive effect on the rate of groundwater-surface water interactions. Therefore, river restoration may be successful in enhancing groundwater-surface water interactions. Concerning the newly-developed DTS method and measurement system, it could be shown that the combination of the ADTS system and the PAB approach is a powerful tool for the investigation of groundwater-surface water interactions. In future river restoration projects, this tool should be employed for evaluating its success in re-establishing groundwater-surface water interactions., Grundwasser-Oberflächenwasser-Interaktionen sind eine notwendige Voraussetzung für gesunde aquatische Ökosysteme, da diese die Verfügbarkeit von Nährstoffen und gelöstem Sauerstoff, aber auch die Wassertemperatur und –qualität in der hyporheischen Zone beeinflussen. Ein Fehlen dieses Austauschs kann Zustand und Funktion solcher Ökosysteme stark beeinträchtigen. Zwischen 1997 und 2008 durchgeführte Untersuchungen haben gezeigt, dass sich in der Schweiz bis zu 22 % der Fliessgewässer in einem ökomorphologisch schlechten Zustand befinden und z.B. künstlich oder eingedolt sind. Als Folgerung dieser Ergebnisse wurde die Revitalisierung von 4000 Flusskilometer über einen Zeitraum von 80 Jahren gesetzlich vorgeschrieben. Für die vorliegende Doktorarbeit wurden Daten von Schweizer Flussrevitalisierungen, welche zwischen 1979 und 2012 durchgeführt wurden, erhoben und ausgewertet. Die Ergebnisse der Erhebung, bei der 13 der 26 Schweizer Kantone teilnahmen, zeigten, dass die Gesamtlänge revitalisierter Fliessgewässer seit 1979 stetig zugenommen hat. Dabei lag die mittlere Revitalisierungslänge bei 9.8 km pro Jahr. Bezüglich der eingesetzten Revitalisierungsmassnahmen zeigten sich geographische Trends. In der West-Schweiz wurden eher auf Nachhaltigkeit ausgerichtete Kombinationen von Revitalisierungsmassnahmen favorisiert, wie z.B. biologischen Verfahrenstechniken und Massnahmen zur Verbesserung der Wasserqualität. Kantone der Zentral- und Ost-Schweiz hingegen bevorzugten einzelne bauliche Massnahmen, wie beispielsweise das Ausbaggern und Neugestalten des Flussbetts. Bei den Erfolgskontrollen ergaben sich keine geografischen Trends. Generell wurden diese nur bei 10 % aller untersuchten Revitalisierungsprojekte durchgeführt, wobei sich diese häufig nur auf die Anzahl von Leitarten, wie z.B. Forellen, konzentrierten. Grundwasser-Oberflächen-Interaktionen wurden in keinem der vorliegenden Projekte untersucht. Vor diesem Hintergrund wurde im Rahmen dieser Doktorarbeit untersucht, wie sich Flussrevitalisierungen auf den Austausch zwischen Grund- und Oberflächenwasser auswirken. Für die Untersuchung von Grundwasser-Oberflächenwasser-Interaktionen sind diverse geochemische, hydrogeologische oder physikalische Messmethoden verfügbar und wurden in dieser Arbeit verwendet. Das Hauptaugenmerk richtet sich hierbei auf die Wassertemperatur, welche mit Distributed Temperature Sensing (DTS) untersucht wurde. DTS misst hierbei die Wassertemperatur in Fliessgewässern, wobei es sich die Temperaturunterschiede zwischen Grund- und Oberflächenwasser zu Nutze macht. Bisherige DTS-Standardverfahren ermöglichen ausschliesslich die Untersuchung von Grundwasser-Oberflächen-Interaktionen in effluenten (Grundwasser gewinnenden) Bächen. Untersuchungen in grösseren oder in influenten(Wasser abgebenden) Fliessgewässern sind nicht möglich. Um jedoch die Auswirkungen der Flussrevitalisierung auf die Grundwasser-Oberflächenwasser-Interaktionen untersuchen zu können, dürfen keine Beschränkungen bezüglich der hydrologischen Situation oder der Grösse des Fliessgewässers bestehen. Daher wurde im Rahmen dieser Doktorarbeit eine neue Messmethode entwickelt. Diese sogenannte PAB-Methode vereint Elemente der bestehenden passiven (P) und aktiven (A) DTS-Methoden mit der Verlegung eines Glasfaserkabels in das Flussbett (buried, B). Damit werden langfristige Untersuchungen der Grundwasser-Oberflächenwasser-Interaktionen in influenten sowie effluenten Fliessgewässern aller Dimensionen ermöglicht. Für die aktiven DTS-Messungen wird jedoch eine Person zur Bedienung der Glasfaser-Heizung benötigt. Dies erschwert die langfristige Anwendung der PAB-Methode in abgelegenen Gebieten. Um diese Limitierung zu umgehen wurde ein autonomes DTS-Messsystem (ADTS) entwickelt. Letzteres ist ferngesteuert, beheizt das Glasfaserkabel vollautomatisch und sendet seine Daten regelmässig an einen Online-Datenspeicher. Auf diese Weise können die Grundwasser-Oberflächenwasser-Interaktionen auch in abgelegenen Gebieten längerfristig untersucht werden. Mit Hilfe des ADTS Systems und der PAB-Methode wurden die Auswirkungen der Flussrevitalisierung auf die Grundwasser-Oberflächenwasser-Interaktionen exemplarisch in einem revitalisierten urbanen Fliessgewässer untersucht. Die Ergebnisse dieser Studie weisen darauf hin, dass die Errichtung von Kiesinseln das Eindringen von Oberflächenwasser in den Untergrund verstärkt hat. Basierend auf diesen Untersuchungen lässt sich schliessen, dass bestimmte Veränderungen der Flussmorphologie, wie z.B. das Einbringen von Kiesinseln, die Grundwasser-Oberflächenwasser-Interaktionen erhöhen können. Somit können Flussrevitalisierungen eine wirksame Methode zur Verstärkung der Grundwasser-Oberflächenwasser-Interaktionen darstellen. In Bezug auf die entwickelten DTS Methode und DTS Messsystem konnte gezeigt werden, dass die Kombination der PAB-Methode mit dem ADTS System sehr gut geeignet sind, um Grundwasser-Oberflächenwasser-Interaktionen in Fliessgewässern zu untersuchen. Daher sollte die Kombination der PAB-Methode mit dem ADTS System bei der Erfolgskontrolle zukünftiger Revitalisierungsprojekte Berücksichtigung finden.
Notes
Keywords: Grounwater-surface water interactions, groundwater upwelling, surface water downwelling, river restoration, Distributed Temperature Sensing (DTS), Autonomous DTS System (ADTS), PAB approach Thèse de doctorat : Université de Neuchâtel, 2014
Identifiants
https://libra.unine.ch/handle/123456789/5892
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10.35662/unine-thesis-2444
Type de publication
doctoral thesis
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