Modéliser le transport des microbes entre rivières et eaux souterraines avec HydroGeoSphere
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|Publication|
Currle, F., Therrien, R., and Schilling, O. S. 2025. Explicit simulation of microbial transport with a dual-permeability, two-site kinetic deposition formulation using the integrated surface–subsurface hydrological model HydroGeoSphere, Hydrol. Earth Syst. Sci., 29, 5383–5403, https://doi.org/10.5194/hess-29-5383-2025.
Une nouvelle façon de simuler le déplacement des microbes dans les systèmes rivière–aquifère
La protection de l’eau potable dépend en grande partie de notre capacité à comprendre comment les microbes se déplacent entre les rivières et les eaux souterraines. Or, ces microbes ne se comportent pas comme les solutés classiques : à cause de leur taille, ils peuvent être exclus des pores les plus fins du sol, ce qui accélère parfois leur transport. Cela signifie que les méthodes habituelles de délimitation des zones de protection des puits peuvent sous‑estimer le risque microbien.
Pour répondre à ce défi, les chercheurs ont implanté dans le modèle hydrologique intégré HydroGeoSphere (HGS) une nouvelle approche basée sur un modèle de double‑perméabilité combiné à une cinétique d’adsorption–désorption à deux sites. Cette formulation permet de représenter deux types de pores dans le sous‑sol :
des zones à haute perméabilité, où les microbes circulent rapidement ;
et des zones à faible perméabilité, où les solutés diffusent et où les microbes peuvent s’adsorber, se désorber ou s’inactiver plus lentement.
Le modèle permet désormais de simuler en parallèle :
l’écoulement de l’eau à la surface et en profondeur,
le transport de solutés réactifs,
et le transport microbien, incluant adsorption, désorption et inactivation.
Les chercheurs ont vérifié la validité du modèle en le comparant à une solution analytique, puis l’ont testé dans deux scénarios :
un bassin versant où un apport microbien provenant d’un épandage de fumier a été intégré dans un modèle pluie–débit ;
un site de filtration riveraine, où des microbes réactifs et des gaz traceurs (comme l’hélium et le radon) ont été simulés simultanément afin de comparer leurs temps de trajet et leurs courbes de percée.
Ces tests montrent que le modèle peut analyser de manière intégrée les mécanismes de transport, les mélanges eau de rivière/eau souterraine et les risques de contamination. Cependant, cette nouvelle capacité implique un coût : transformer le sous‑sol en système à double‑perméabilité double le nombre de nœuds à calculer, ce qui augmente fortement les besoins informatiques. De plus, ce type de modèle nécessite de nombreuses données pour être calibré correctement, notamment des données de traceurs multiples (gaz, solutés, microbes), en raison du grand nombre de paramètres liés aux processus d’adsorption, de désorption et au contraste entre les deux perméabilités.
L’avantage est que les progrès récents permettent maintenant d’obtenir des données continues : les gaz nobles peuvent être mesurés en continu, et la cytométrie en flux en ligne permet de suivre les microbes quasiment en temps réel.
Comme HGS peut simuler plusieurs groupes microbiens (multi espèces), il devient possible d’étudier non seulement un « total microbien », mais aussi des groupes distincts ou même des pathogènes spécifiques – au prix d’un effort de calcul plus grand.
Qu’est‑ce que la cytométrie en flux ?
La cytométrie en flux en ligne (online flow cytometry) est une technique de mesure automatisée, installée directement sur un réseau d’eau ou en sortie d’un système de traitement, qui permet de compter et caractériser les microbes présents dans l’eau et suivre leur évolution au fil du temps. Cette technique est utile parce qu'elle donne accès à une vision dynamique des microbes dans l’eau et permet de:
détecter plus tôt un risque de contamination
suivre les temps de réponse d’un système de filtration riveraine
mieux calibrer les modèles hydrologiques (comme HGS) avec des données continues
comprendre les mécanismes d’atténuation dans le sous-sol (adsorption, désorption, inactivation)
C’est une technologie clé pour les sites de puits en filtration sur berge, les réseaux municipaux, et les études de transport microbien.
À retenir
L’article présente une avancée importante pour la gestion de l’eau potable grâce à une nouvelle version du modèle HydroGeoSphere (HGS), désormais capable de simuler de manière intégrée l’écoulement de l’eau, le transport des solutés et celui des microbes. Cette amélioration repose sur une approche à double perméabilité et une cinétique d’adsorption–désorption plus réaliste, permettant de mieux reproduire la façon dont les microbes se déplacent réellement dans les systèmes rivière–aquifère. Comme ces microbes peuvent voyager plus rapidement que les solutés en raison de leur exclusion des pores fins, ce modèle permet une évaluation beaucoup plus fiable des risques de contamination.
Pour les gestionnaires, l’intérêt majeur réside dans la possibilité de mieux délimiter les zones de protection des puits et d’évaluer les risques microbien lors d’événements extrêmes, comme les crues. Le modèle peut aussi utiliser des données modernes — gaz nobles mesurés en continu, cytométrie en flux en temps réel — pour offrir une calibration plus précise. Bien que cette approche soit exigeante sur le plan informatique, elle représente un outil novateur d’aide à la décision, particulièrement pertinent pour les sites de filtration riveraine et la gestion opérationnelle des captages. En somme, cet outil améliore de manière significative la capacité à prévoir, comprendre et réduire les risques de contamination microbienne des eaux souterraines.
Cette avancée permet de mieux définir les zones à protéger autour des puits et d’évaluer les risques de contamination des puits en filtration sur berge, même lors d’événements extrêmes comme les inondations.