Thèse en modélisation des flux d’eau et de chaleur des eaux souterraines pour quantifier l’hétérogénéité thermique des cours d’eau

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Présentation INRAE

L’Institut national de recherche pour l’agriculture, l’alimentation et l’environnement (INRAE) est un établissement public de recherche rassemblant une communauté de travail de 12 000 personnes, avec 272 unités de recherche, de service et expérimentales, implantées dans 18 centres sur toute la France.INRAE se positionne parmi les tout premiers leaders mondiaux en sciences agricoles et alimentaires, en sciences du végétal et de l’animal. Ses recherches visent à construire des solutions pour des agricultures multi-performantes, une alimentation de qualité et une gestion durable des ressources et des écosystèmes.


Environnement de travail, missions et activités

Contexte
Les effets du réchauffement climatique sont aujourd’hui visibles et mesurables dans les rivières françaises (Seyedhashemi, et al., 2022), notamment l’augmentation continue de leurs températures. Ce réchauffement bouleverse les équilibres écologiques : réduction des habitats aquatiques viables, stress thermique pour les poissons, perte de biodiversité, altération de la qualité de l’eau. Elle affecte aussi des usages cruciaux, comme la production d’électricité ou d’eau potable.

Parmi les processus clés influençant la température des cours d’eau figurent les échanges entre les eaux souterraines et les eaux de rivières (Figure 1.A). Présentant une variabilité temporelle de température plus modérée (plus chaude l’hiver et plus froide l’été), les eaux souterraines peuvent, quand elles contribuent au cours d’eau en quantité significative, atténuer les extrêmes thermiques et jouer un rôle tampon vital pour les écosystèmes. Or, ces interactions restent encore mal connues ce qui limite la cartographie de ces anomalies thermiques pour les préserver - e.g., utilisation comme refuge thermique - (Kurylyk, et al., 2026). La thèse visera à mieux prendre en compte ces interactions clés et ainsi améliorer notre capacité à simuler la
température des rivières et proposer des leviers pour renforcer la résilience des hydrosystèmes.

A l'échelle du bassin de la Saône, l'hétérogénéité géologique et géomorphologique crée des contrastes majeurs dans les interactions nappes-rivières (Figure 1.B). Les bassins de tête de la Saône (~ 100 km²) sont donc un terrain d’étude idéal pour mieux caractériser ces interactions nappes / rivières dans des contextes hydrogéologiques contrastés et quantifier leur impact sur la thermie des rivières, essentiel pour:
– identifier les zones de refuges thermiques;
– comprendre leur étendue spatial et leur stabilité temporelle;
– produire des outils d'aide a la décision pour l'adaptation au changement climatique.
En particulier, cette thèse permettra de fournir des éléments aux gestionnaires des rivières pour favoriser au mieux le maintien des refuges thermiques dans un contexte de changement global.

Problématique de la thèse et objectifs
Vous conduirez une thèse visant à quantifier l’impact des eaux souterraines sur la température des rivières. Appliqué à des bassins versants de taille intermédiaire (~102 km²) situés dans le bassin versant de la Saône, cette thèse vise à progresser de manière générique sur les questions suivantes : où est ce que les eaux souterraines fournissent majoritairement leur apport aux cours d’eau ? Quelle est la température de ces apports en fonction des caractéristiques des masses d’eau concernés et des chemins de l’eau souterraine y contribuant ? Quelle est la stabilité temporelle de ces apports (saisonnière, interannuelle) ?

La problématique de la thèse peut donc s’énoncer de la manière suivante : Comment quantifier la dynamique spatiotemporelle des apports souterrains d'eau et de chaleur aux cours d'eau de tête de bassin, puis intégrer ces connaissances dans une modélisation thermique opérationnelle?
La thèse s'articulera autour de trois objectifs :
1. Quantifier les flux souterrains vers la rivière (Qgw) sur des têtes de bassins représentatives de différents contextes hydrogéologiques.
2. Estimer la température des apports souterrains (Tgw) et les flux de chaleur associes, a partir d'approches combinées données/modèle.
3. Intégrer ces flux dans le couplage TNET/J2000 pour simuler l'hétérogénéité thermique des cours d'eau a fine résolution, notamment en période critique (étiages, canicules).

Méthodologie
Votre travail de recherche consistera à développer des modèles hydrogéologiques de bassins versants et de quantifier leur capacité à représenter l’hétérogénéité spatio-temporelle des arrivées d’eaux souterraines au cours d’eau. Ces modèles seront développés et calibrés de manière parcimonieuse pour s’adapter aux données disponibles. Dans un second temps, ces modèles seront enrichis d’une modélisation de la thermie des eaux souterraines pour quantifier non seulement les flux d’eau mais aussi les flux de chaleur arrivant de la nappe au cours d’eau.

Cette thèse s’organisera autour de trois étapes :
1. Prendre en main le modèle MODFLOW à l’aide de la bibliothèque HydroModPy et l’adapter aux bassins versants à modéliser (Abhervé, et al., 2023, Gauvain, et al., 2026).
2. Réaliser une revue bibliographie sur le transport de chaleur pour pouvoir développer des méthodes basé sur les processus (Briggs, et al., 2018) ou sur les données (Marteau, et al., 2022, Johnson, et al., 2024) pour inférer les flux de chaleur des aquifères au cours d’eau (Kurylyk, et al., 2026).
3. Être en mesure de coupler les codes de calcul développés précédemment avec le modèle T-NET de thermie des rivières pour disposer d’une modélisation intégrée couplant hydrologie de surface et hydrogéologie.

Environnement de travail
Vous exercerez votre activité au sein de l’unité de recherche RiverLy (INRAE Villeurbanne) conduisant des recherches pluridisciplinaires sur le fonctionnement des hydrosystèmes. RiverLy allie des compétences en écologie, microbiologie, écotoxicologie, chimie environnementale, hydrologie et hydraulique. Elle regroupe environ 130 personnes dont 70 permanents.
Vous serez encadré par :
- Jean Marçais (UR RiverLy), hydrogéologue et modélisateur. Jean travaille sur l’estimation des contributions d’eaux souterraines au débit des rivières et à leur impact sur les âges de l’eau en rivière.
- Florentina Moatar (UR RiverLy), spécialiste des interactions entre hydrologie, qualité de l’eau, climat et pressions anthropiques. Elle est à l’origine du développement du modèle T-NET, modèle utilisé à l’étape 3 (cf. méthodologie).
-Ronan Abhervé (UMR SAS, INRAE Rennes), expert en modélisation hydrogéologique sous MODFLOW. Ronan travaille sur les rivières intermittentes et les caractérisations des propriétés hydrogéologiques à partir des réseaux de rivières.
Cette thèse s’intégrera dans le projet ThermieFrance, projet coordiné par Florentina Moatar. Ce projet rassemble un large consortium académique et opérationnel (INRAE, CNRS, BRGM, Météo-France, EDF, Mine Paris PSL, etc.). La thèse bénéficiera d’un accès privilégié aux bases de données du projet, à des temps d’échange entre doctorants et à des formations interdisciplinaires.
Collaborations envisagées :
- Barret Kurylyk, Dalhousie University, New Brunswick, Canada, hydrogéologue expert sur les questions d’échange
nappe / rivière et leur impact sur la thermie des cours d’eau.


Formations et compétences recherchées

Master/Ingénieur (Bac+5)

Nous recherchons un candidat curieux pour les problématiques environnementales, créatif et rigoureux ayant une forte appétence pour la modélisation environnementale.
- Formation recommandée : Formation de niveau Master 2 ou ingénieur dans le domaine de l’hydrologie, des géosciences ou sciences de l’environnement.
- Connaissances souhaitées : Hydrologie idéalement hydrogéologie.
- Aptitudes recherchées : Forte appétence pour la modélisation, Connaissance langage interprétée Python, R, et/ou MATLAB. Autonomie. Bonne capacité de rédaction.


Votre qualité de vie à INRAE

En rejoignant INRAE, vous bénéficiez(selon le type de contrat et sa durée) :

- jusqu'à30 jours de congés+ 15 RTTpar an (pour un temps plein)
- d'un soutienà la parentalité : CESUgarded'enfants, prestations pour les loisirs ;
- de dispositifs de développement des compétences: formation, conseilen orientation professionnelle ;
- d'un accompagnementsocial : conseil et écoute, aides et prêts sociaux ;
- de prestationsvacancesetloisirs :chèque-vacances,hébergements à tarif préférentiel ;
- d'activitéssportivesetculturelles ;
- d'unerestaurationcollective.


Modalités pour postuler

J'envoie mon CV et ma lettre de motivation

Les personnes accueillies à INRAE, établissement public de recherche, sont soumises aux dispositions du Code de la fonction publiquenotamment en ce qui concerne l’obligation de neutralité et le respect du principe de laïcité. A ce titre, dans l’exercice de leurs fonctions, qu’elles soient ou non au contact du public, elles ne doivent pas manifester leurs convictions, par leur comportement ou leur tenue, qu’elles soient religieuses, philosophiques ou politiques.> En savoir plus : site fonction publique.gouv.fr