Modélisation thermo-hydraulique des interactions entre une rivière et un pergélisol. Application à la Yakoutie Centrale, Sibérie

• Directeurs : François COSTARD (IDES)
• Co-encadrant : Christophe GRENIER (LSCE).
• Financement : CEA-CFR

Thèse soutenue le 30 septembre 2015 devant le jury composé de :

 Alain Crave, Chargé de recherche (Université de Renne 1)
 René Therrien, Professeur (Université de Laval)
 Christophe Colin, Professeur (Université Paris Sud)
 Oleg Pokrovsky, Directeur de recherche (Université Paul Sabatier)François Costard, - Directeur de recherche (Université Paris-Sud)
 Christophe Grenier, Chargé de recherche (CEA)

Les régions arctiques subissent de manière encore plus drastique que le reste du monde l’impact du réchauffement climatique en cours. Ces régions sont en majorité recouvertes de pergélisol (sol gelé de façon permanente). La dégradation de ce dernier est susceptible d’avoir des conséquences aussi bien locales que globales (ressources en eaux, constructions, stabilité des sols, effet rétroactif sur le climat par production de gaz à effet de serre). Comprendre comment vont réagir ces régions à l’augmentation de la température de l’air ou encore la modification des régimes d’écoulements, aussi bien de surface que souterrains, est de première importance. Dans cette thèse nous nous intéressons aux transferts de chaleur entre un pergélisol et un écoulement de surface ou souterrain.

Pour cela, un modèle numérique permettant de résoudre le système couplé décrivant les transferts de chaleur et d’eau dans un milieu poreux a d’abord été développé dans la plateforme numérique du CEA Cast3M. Il a permis de mettre en place des expériences numériques proposées dans le projet international d’inter-comparaison de codes couplés thermo-hydrauliques, INTERFROST (lancé par le LSCE en 2014).

D’autre part, le transfert de chaleur par convection forcée entre un écoulement libre et un milieu poreux gelé à été reproduit expérimentalement en chambre froide (au laboratoire GEOPS). La sensibilité de la propagation de la chaleur à la température de l’écoulement ainsi qu’à sa vitesse à été déterminée. Ces expériences ont été reproduites avec succès grâce au modèle numérique, permettant ainsi une validation de ce dernier et l’identification des termes d’échange.

Afin de se confronter à la réalité de terrain, une vallée d’alas à été instrumentée en Yakoutie Centrale (en collaboration avec le Permafrost Institute de Yakutsk), région où le permafrost est continu. Les observations effectuées sur deux années consécutives montrent une forte influence de la rivière sur le régime thermique du permafrost environnant.