Soutenance de thèse de GUILLORY François
Titre de thèse
Modélisation des transferts de radionucléides à l'échelle des bassins versants : continuum sol-rivière
Modeling of radionuclide transferts at the watershed scale: soil-river continuum
Résumé de la thèse
La compréhension du comportement, de la mobilité et du devenir du césium-137 (137Cs) constitue un enjeu majeur pour la radioprotection et la gestion durable des hydrosystèmes contaminés. Principalement issu des essais nucléaires atmosphériques (1945-1980) ainsi que des accidents de Tchernobyl (1986) et Fukushima (2011), le 137Cs persiste durablement dans l'environnement en raison de sa demi-vie de 30 ans et de ses propriétés physico-chimiques. Bien que les principaux mécanismes contrôlant son comportement soient connus, notamment son adsorption préférentielle sur les particules fines, la modélisation de son transfert à l'échelle des bassins versants reste complexe en raison de la forte hétérogénéité spatiale des dépôts, de la variabilité temporelle des flux hydro-sédimentaires et du rôle majeur des événements hydrologiques extrêmes.
Cette thèse propose une approche intégrée visant à quantifier le transfert du 137Cs présent dans les sols vers les cours d'eau en combinant données de terrain, analyse des processus et modélisation hydro-sédimentaire. Le modèle SWAT (Soil and Water Assessment Tool) a été adapté afin d'intégrer un module de partition dissous/particulaire ainsi qu'un bilan massique du radionucléide, permettant de simuler son évolution en lien avec l'érosion, le transport sédimentaire, la granulométrie et les propriétés physico-chimiques du milieu.
Deux bassins versants contrastés ont été étudiés : l'Ardèche, bassin méditerranéen non nucléarisé à forte réactivité hydrologique, et le Rhône, fleuve fortement anthropisé et nucléarisé de grande échelle. Après calibration, les résultats de la modélisation sont du même ordre de grandeur et suivent des tendances similaires aux observations bien que subsistent des différences en lien avec les données d'entrée qui sont parfois en faibles nombres, ainsi qu'à la représentativité des observations. Ces résultats confortent la pertinence d'utiliser cette approche intégrée pour modéliser la dispersion du 137Cs dans des bassins versants. Dans l'Ardèche, les simulations réalisées entre 2016 et 2022 montrent un export annuel moyen d'environ 1,6 GBq, soit près de 0,02 % du stock initial estimé dans les sols. Le transfert est largement dominé par la phase particulaire (~83 %) et fortement contrôlé par les crues, environ 75 % des flux étant exportés durant seulement 10 % des jours présentant les plus forts débits.
À l'échelle du Rhône, un modèle de reconstruction spatialisée des stocks de 137Cs a été développé afin de représenter l'évolution des inventaires depuis 1986 en intégrant décroissance radioactive, migration verticale et redistribution liée à l'érosion. Les simulations mettent en évidence un stock estimé à environ 436 TBq en 2016, alors que les exportations annuelles à l'exutoire restent faibles (~0,13 TBq an-1), traduisant un fonctionnement fortement rétentionnel du bassin (0,01 % du stock initial).
La comparaison multi-échelles met en évidence que le transfert du 137Cs dépend davantage de la dynamique hydro-sédimentaire et de la connectivité des bassins versants que des seuls niveaux de contamination des sols. Les résultats obtenus sont cohérents avec les observations réalisées dans d'autres bassins affectés par les retombées de Tchernobyl ou Fukushima, où les exportations restent faibles relativement aux stocks disponibles malgré une forte mobilisation lors des événements extrêmes.
Malgré les simplifications liées à la représentation des processus géochimiques, de la granulométrie ou des dynamiques de stockage/remobilisation, le modèle reproduit les principaux contrôles du transfert du 137Cs à grande échelle. Cette approche constitue ainsi un outil opérationnel pertinent pour l'étude du devenir à long terme des radionucléides et, plus largement, des contaminants particulaires dans les hydrosystèmes.
Thesis resume
Artificial radionuclides in the environment, particularly cesium-137 (137Cs), remain a major concern for radiological protection and the sustainable management of contaminated hydrosystems. Mainly originating from atmospheric nuclear weapons testing (1945-1980) and from the Chernobyl (1986) and Fukushima Daiichi (2011) nuclear accidents, 137Cs persists in the environment because of its approximately 30-year half-life and its physico-chemical properties. Although the main processes controlling its behaviour are well understood, especially its preferential adsorption onto fine particles, modelling its transfer at the catchment scale remains challenging due to the strong spatial heterogeneity of fallout deposits, the temporal variability of hydro-sedimentary fluxes, and the major influence of extreme hydrological events.
This PhD proposes an integrated framework to quantify soil-to-river transfers of 137Cs by combining field observations, process analysis, and hydro-sedimentary modelling. The Soil and Water Assessment Tool (SWAT) was adapted to incorporate a dissolved/particulate partitioning module together with a radionuclide mass-balance equation, enabling the simulation of 137Cs dynamics in relation to erosion, sediment transport, particle size distribution, hydrology, and the physico-chemical characteristics of the environment.
Two contrasted river basins were investigated: the Ardèche River, a non-nuclearized Mediterranean catchment characterized by high hydrological reactivity, and the Rhône River, a large, highly anthropized, and nuclearized river system. Following model calibration, simulated results were generally consistent with observations and reproduced similar temporal trends, although discrepancies remained due to limitations in input datasets and the representativeness of available observations. These results support the relevance of the proposed integrated approach for modelling 137Cs dispersion at the catchment scale.
In the Ardèche catchment, simulations performed over the 2016-2022 period indicate an average annual export of approximately 1.6 GBq, corresponding to about 0.02% of the estimated initial soil inventory. Transfers are largely dominated by the particulate phase (~83%) and strongly controlled by flood events, with nearly 75% of annual exports occurring during only 10% of the highest-flow days.
At the Rhône basin scale, a spatially distributed reconstruction model was developed to represent the evolution of 137Cs inventories since 1986 by accounting for radioactive decay, vertical migration, and erosion-driven redistribution processes. Simulations indicate a basin-wide inventory of approximately 436 TBq in 2016, while annual exports at the outlet remain low (~0.13 TBq yr-1), representing only 0.01% of the estimated initial inventory and highlighting the strongly retentive behaviour of the basin.
The multi-scale comparison demonstrates that 137Cs transfer is controlled more by hydro-sedimentary dynamics and catchment connectivity than by soil contamination levels alone. The results are consistent with observations reported in other catchments affected by Chernobyl or Fukushima fallout, where exports remain limited relative to available inventories despite substantial remobilization during extreme hydrological events.
Despite simplifications regarding geochemical processes, particle-size representation, and storage–remobilization dynamics, the modelling framework successfully reproduces the main first-order controls governing 137Cs transfer at large spatial scales. This approach provides a robust operational tool for investigating the long-term fate of radionuclides and, more broadly, particulate contaminants in river catchments.