Écoulement souterrain, érosion par sape et morphologie des réseaux hydrographiques

Dans les bassins versants alluviaux, le sol est principalement constitué de couches de sédiments non consolidés formant un aquifère, c’est-à-dire, une formation géologique perméable capable de stocker de l’eau. Lorsqu’il pleut, l’eau s’infiltre dans le sol et s’accumule dans l’aquifère, où elle s’écoule sous forme d’eau souterraine vers les rivières avoisinantes. La surface libre de cette nappe phréatique suit ainsi l’élévation de la topographie le long du chemin emprunté par les rivières. Dans ce manuscrit de thèse, nous montrons que cette observation, combinée aux équations gouvernant l’écoulement de l’eau souterraine, permet de reconstruire la forme de la nappe phréatique autour d’un réseau hydrographique et de prédire le débit le long de ce réseau.
Nous utilisons d’abord ce constat pour reconstruire de la forme de la nappe dans le bassin de Sanwara, situé au centre de l’Inde. Lors d’une campagne de terrain en septembre 2023, nous avons mesuré la topographie le long de plusieurs rivières du bassin de Sanwara. En parallèle, nous avons installé un pluviomètre et trois piézomètres afin de surveiller les précipitations et le niveau de la nappe dans l’aquifère. En supposant que l’écoulement souterrain dans ce bassin est quasi-horizontal, nous résolvons numériquement l’équation de Poisson, en utilisant la topographie du réseau de drainage comme condition aux limites et le taux moyen de recharge de l’aquifer pendant la mousson comme terme source. Bien que les données disponibles soient encore limitées, la solution numérique fournit une estimation réaliste de la forme de la nappe phréatique. À partir de cette solution, nous calculons le débit moyen des rivières pendant la mousson, et obtenons un accord raisonnable avec les mesures de terrain.
En appliquant la même approche au bassin du Kali Gandaki, au nord du Népal, nous reconstruisons l’évolution sur plusieurs années de la position de la ligne de partage des eaux souterraines en fonction de l’intensité des précipitations. Cela nous permet d’estimer comment le changement climatique pourrait modifier l’étendue de l’aire drainée — et, par conséquent, affecter les ressources en eau du bassin.
Après avoir montré que l’écoulement de l’eau souterraine peut être reconstruit à partir de la forme du réseau de drainage, nous nous intéressons, dans la seconde partie de ce manuscrit, aux processus qui façonnent le réseau lui-même. Lorsque l’eau souterraine émerge dans les rivières avec une force suffisante, elle peut entraîner des sédiments. Ce processus d’érosion par sape influence le développement et la croissance du réseau hydrographique. Pour l’étudier, nous construisons un aquifère expérimental, composé de grains en plastiques érodables. Un réservoir situé sous l’aquifère alimente celui-ci en eau à un taux de recharge contrôlé. Nous observons que l’érosion par sape, induite par l’écoulement souterrain ainsi généré, suffit à initier la formation et la croissance d’un réseau de drainage. Cependant, pour un taux de recharge donné, la croissance du réseau finit par s’arrêter, et celui-ci atteint une morphologie stationnaire. Une légère augmentation du taux de recharge suffit à déclencher une nouvelle phase d’érosion, qui mène à un nouvel état stationnaire. Cette observation suggère que la morphologie du réseau de drainage s’adapte au taux de recharge en évoluant vers une configuration dans laquelle les sédiments de son lit sont au seuil de mise en mouvement. En parallèle, nous observons que la reconstruction de la forme de la nappe autour du réseau de drainage correspond bien aux mesures piézométriques effectuées dans l’aquifère expérimental. Cette solution indique un lien entre la direction de l’écoulement souterrain et la croissance du réseau de drainage.