Aquifère de la craie champenoise

La craie   du Sénonien au Turonien inférieur, affleurant à l’est du Bassin Seine-Normandie dite « Craie   Champenoise », constitue l’aquifère   le plus important du territoire de Champagne-Ardenne. La nappe est libre, drainée par les vallées arrosées ou sèches.

La fissuration de la craie   est plus développée dans les vallées ce qui permet d’y obtenir des débits de production beaucoup plus grands que sous les plateaux. L’aquifère   crayeux est intensément exploitée pour l’alimentation en eau potable, l’industrie et l’irrigation.

Sommaire de l’article :

  1. La craie, une formation épaisse et perméable
  2. Un réservoir aquifère très fissuré… voire localement karstifié
  3. La vulnérabilité de la craie champenoise
  4. Les écoulements de la nappe
    1. Une grande nappe libre
    2. Des variations piézométriques saisonnières et interannuelles
    3. L’écoulement de la nappe suit la topographie
    4. Des gradients hydrauliques variables entre les vallées et les plateaux
  5. Les principales caractéristiques hydrodynamiques de la nappe
  6. Le suivi quantitatif de la ressource
    1. Un réseau de piézomètre organisé
    2. La gestion quantitative de la ressource
    3. Des outils pour améliorer la gestion de la ressource
  7. Le suivi qualitatif de la ressource
    1. Une contamination en nitrates et en produits phytosanitaires en augmentation
    2. Des études pour mieux comprendre les transferts de pollution diffuse

La craie  , une formation épaisse et perméable

La formation du Crétacé supérieur, allant du Sénonien au Turonien inférieur s’étend à l’affleurement tel un croissant à l’est du Bassin Parisien. Elle couvre au nord une partie du département de l’Aisne et des Ardennes, les départements de la Marne   et de l’Aube. Elle recoupe du nord au sud les vallées de l’Aisne, de la Marne  , de l’Aube et de la Seine.

La formation plonge à l’ouest en direction du centre du Bassin Parisien, sous les formations tertiaires pour devenir, sauf exception, très peu productive.

A l’est, l’épaisseur de la formation devient négligeable (passage à des horizons marno-calcaires du Turonien inférieur). Les faciès rencontrés sont les suivants : craie   blanche massive (craie   de Reims et craie   de Chalons), craie   blanchâtre localement riche en silex (craie   de Rethel), Marnes grises à verdâtre (Dièves du Turonien inférieur).

  • En Champagne, le réservoir aquifère   correspond à la craie   du Sénonien et du Turonien supérieur. La base de la craie  , que l’on rencontre sur la bordure extérieure des affleurements, à l’est du territoire, devenant marneuse et imperméable, est considérée comme le substratum de la nappe. La nappe de la craie   séno-turonienne repose donc sur les marnes sableuses et argileuses du Turonien inférieur
  • Dans l’Aisne, le Turonien inférieur est formé d’argiles vertes ou bleues appelées « Dièves ». Bien représentées dans le nord de l’Aisne, celles-ci font place à des craies marneuses dans le sud. Dans sa moitié supérieure le Turonien est plutôt représenté par la craie   blanche à silex. Il va de quelques dizaines de mètres dans le nord à plus de 100 m dans le sud du département
Aquifères crétacés en Champagne crayeuse : carte simplifiée (Extrait de « Aquifères et eaux souterraines en France », 2006)


Aquifères crétacés en Champagne crayeuse : coupe simplifiée (Extrait de « Aquifères et eaux souterraines en France », 2006)


Colonne stratigraphique de l’Est champenois (d’après carte géologique n°109 Attigny modifiée- Extrait de « Aquifères et eaux souterraines en France », 2006)

Un réservoir aquifère   très fissuré… voire localement karstifié

L’ensemble de la réserve aquifère   crayeuse en Champagne-Ardenne, n’est pas mobilisable de façon homogène car la craie   est affectée par différents types de fissuration résultant soit d’efforts tectoniques soit de phénomènes géomorphologiques (érosion, zones de décompression dans les vallées).

Une fois ouvertes les fissures ont pu s’agrandir et s’élargir sous l’action chimique (dissolution des carbonates) ou mécanique des eaux souterraines.

Cette évolution peut atteindre localement un stade ultime qui correspond au développement d’un réseau karstique, donnant naissance à des sources à fort débit  .

A l’extrémité est de la Montagne de Reims (communes de Verzy, Trépail, Verzenay, Mailly-Champagne…), les réseaux karstiques se développent dans la partie supérieure de la craie   sous et/ou en limite des formations tertiaires (argiles et sables du Sparnacien).

En zone de karst, l’aquifère   de la craie   est caractérisé par l’existence d’une triple porosité   : porosité   de matrice, de fracture et de fissure.

Karst de Verzy (BRGM, 2003)

La particularité de l’aquifère   crayeux est le contraste important entre la porosité   totale, qui peut atteindre localement 30 à 45 %, et la porosité   efficace, seulement de 1 à 5 %. Le réservoir efficace de la craie   correspond à une épaisseur moyenne (sous le niveau du sol) de 30 mètres sous les plateaux et de 40 mètres sous les vallées à cours d’eau pérenne. A partir de 40 m de profondeur, le réservoir crayeux sans fissure devient compact et est considéré comme improductif. Cette craie   peu perméable devient le mur de la nappe, à l’exception de certaines zones où l’on rencontre des lits de silex qui permettent à l’eau de circuler.

La qualité hydrodynamique du réservoir crayeux est donc essentiellement due au réseau important de diaclases et de fissures développé à partir de la surface du sol par les variations climatiques, et surtout par le pouvoir de dissolution de la craie   par les eaux de pluie.

La perméabilité de diaclases est la plus représentative dans le réservoir crayeux, avec de fortes valeurs en surface, de l’ordre de 10-2 m/s puis des valeurs en diminution progressive, inférieures à 10-7 m/s au-delà de 40 m de profondeur. Cette très forte hétérogénéité verticale des perméabilités a pour conséquence une très grande variabilité des débits de productions des ouvrages d’exploitation, selon l’état d’ennoyage ou non des niveaux producteurs.

La vulnérabilité de la craie   champenoise

La vulnérabilité de la nappe de la craie   est très variable géographiquement et doit être définie localement par la prise en compte de l’ensemble des conditions naturelles favorables (recouvrement, nappe profonde, terrains de surface peu perméables, vitesse d’écoulement lente, lit de cours d’eau colmaté…) ou défavorables (phénomènes karstiques, pertes des cours d’eau,…).

Ainsi, dans le nord de l’Aisne et de la Champagne, la présence en surface d’argile   du Thanétien parfois sous recouvrement des limons de plateau peut être considérée comme un écran à d’éventuelles pollutions de surface. Un réservoir constitué de craie   marneuse (Turonien inférieur) sera moins vulnérable qu’un réservoir de craie   blanche (Sénonien) ou de craie   karstique. L’épaisseur de la zone non saturée ainsi que la profondeur de la nappe, qui augmente des vallées vers les plateaux, jouent également un rôle.

Plus généralement, la nappe de la craie  , tout en étant libre, possède une vulnérabilité immédiate assez faible vis-à-vis des pollutions accidentelles. En effet les temps de transfert à travers la zone non saturée sont importants (0.5 m/an environ) et les sols ont en général une forte capacité de rétention.

A contrario, vis-à-vis des pollutions diffuses, la vulnérabilité à plus long terme est importante : 70% de superficie de la Craie   Champenoise à l’affleurement est occupée par des activités agricoles. Les actions correctives doivent être mises en œuvre sur des périmètres géographiques et des périodes de temps adaptés pour espérer voir les effets significatifs et bénéfiques sur la qualité des eaux souterraines.

Plusieurs études ont été menées à l’échelle du bassin ou du territoire de la craie   Champenoise (Cf. rapports BRGM suivants : Laville et al., 1998 ; Mardel et al, 2005 et 2008 ; Vernoux J.F. et al., 2007 et 2008).

Les écoulements de la nappe

Une grande nappe libre

La nappe de la craie   présente un régime libre dans une grande partie du territoire de Champagne-Ardenne et peut donc fluctuer au gré des recharges et des vidanges naturelles de l’aquifère  .

La nappe est essentiellement alimentée par les pluies efficaces dans toute sa partie libre et se vidange par le biais d’exutoires naturels que constituent les sources et les cours d’eau.

Des variations piézométriques saisonnières et interannuelles

Le niveau de la nappe varie de façon saisonnière et interannuelle (la quantité de précipitations   efficaces jouant sur l’amplitude). Les amplitudes de variations piézométriques sont également très variables géographiquement : de quelques mètres dans les vallées à cours d’eau pérenne, elles peuvent dépasser 20 m en crête piézométrique  . Les courbes de fluctuations annuelles montrent un maximum en janvier-février (période de hautes eaux) et un minimum en septembre-octobre (période de basses eaux).

Globalement, il apparaît que la nappe de la craie   réagit rapidement aux pluies d’automne et d’hiver, d’autant plus vite que la zone non saturée est peu épaisse et que la craie   est marneuse. La nappe se recharge d’octobre à avril lors d’épisodes pluvieux, et se vidange le reste de l’année. La variabilité saisonnière très marquée et la variabilité interannuelle faible prouvent qu’il y a une forte diffusivité du réservoir, une faible épaisseur utile de la nappe, une réalimentation rapide et un bon drainage.

Comparaison des graphiques d’évolution de deux piézomètres (en plateau et en vallée) captant la Craie Champenoise (BRGM - ADES)

L’écoulement de la nappe suit la topographie

La surface piézométrique   de la nappe de la craie   suit le relief en l’amortissant ; la nappe est drainée par les cours d’eau et les vallées sèches (coïncidant le plus souvent avec une zone fissurée favorisant les écoulements souterrains) se comportent comme des drains naturels. Dans les vallées, les circulations préférentielles permettent des débits d’exploitation considérables ce qui est loin d’être le cas sous les plateaux ou la craie  , restée compacte, ne fournit que des débits faibles (de l’ordre de 5 à 10 m3/h).

La réalisation de cartes piézométriques permet la mise à disposition d’une donnée concernant l’altitude de la nappe au moment de la mesure représentée selon des courbes de niveau (ou isopièzes) avec une précision qui dépend de la densité de points de mesure et de la méthode d’interpolation. Ces cartes renseignent sur la situation de la nappe à l’époque de la mesure (hautes eaux, basses eaux ou moyennes eaux) ainsi que le sens et les vitesses d’écoulement.

Ainsi, on dispose pour la craie   champenoise de 6 cartes piézométriques, de la plus ancienne à la plus récente :

  • Piézométrie moyennes eaux de 1967 (Albinet, 1967)
  • Carte des hautes eaux de la Craie   en Champagne-Ardenne année 2002 (Rouxel-David et al., 2003)
  • Carte des basses eaux de la Craie   en Champagne-Ardenne année 2002 (Rouxel-David et al., 2003)
  • Piézométrie de basses eaux 2005 (P. Chrétien et al., 2006)
  • Piézométrie de hautes eaux 2001-2002 et moyennes eaux 1960-2007 (Chrétien et al., 2007)
  • Piézométrie basses eaux de la craie   Séno-turonienne dans le sud-est du Bassin Parisien (Craste de Paulet et al., 2011)

Les cartes piézométriques associées sont disponibles dans l’article SIGES dédié aux cartes piézométriques.

Des gradients hydrauliques variables entre les vallées et les plateaux

Les gradients hydrauliques varient notablement entre les vallées et les plateaux (ainsi qu’à proximité du recouvrement tertiaire). De 15 ‰ sur les pentes des Monts de Moronvilliers, le gradient hydraulique est de 1 ‰ dans la vallée de la Vesle, près de Val-de-Vesle. Ils traduisent l’influence de la topographie et surtout des variations de transmissivité   de la craie  .

Carte piézométrique de la Craie Champenoise – période de hautes eaux (avril 2002) (Rouxel-David et al., 2003)

Les principales caractéristiques hydrodynamiques de la nappe

Les valeurs communiquées proviennent de la littérature et de la compilation de données faite à l’échelle de la Champagne-Ardenne par le BRGM.

Porosité   (%)

  • porosité   totale (volume des vides / volume total de la roche) : 10 à 45 %
  • porosité   efficace (volume d’eau gravitaire / volume total de la roche saturée en eau) : de 2 à 6%.

Transmissivité   T (m2/s)

  • En plateau : 10-6 à 10-4
  • En vallée : 10-3 à 10-1
  • En moyenne : 2.10-2 sur 70 ouvrages environ captant la craie   champenoise quel que soit le contexte

Perméabilité K (m/s)

  • En plateau : 10-7 à 10-6
  • En vallée : 10-5 à 10-2

Coefficient d’emmagasinement  

  • En plateau : 1 à 2%
  • En vallée : 3 à 5% et jusqu’à 9% en présence de diaclases

Productivité (m3/h)

  • En plateau : 2 à 50 m3/h
  • En vallée : 50 à 300 m3/h voir plus localement
  • En moyenne : 30 m3/h sur 400 ouvrages environ captant la craie   champenoise quel que soit le contexte

Le suivi quantitatif de la ressource

Le suivi quantitatif ou piézométrique  , sur de longues périodes, permet de connaitre l’évolution du niveau des nappes, de réaliser des statistiques de calculer des périodes de retour des niveaux les plus hauts ou les plus bas et de modéliser, le cas échéant, les fluctuations selon des scénarios prédictifs.

La plus ancienne chronique sur la Craie   Champenoise (Fresnes-les-Reims – 51) comprend 46 ans de mesures.

Piézomètre de Fresnes-les-Reims (51), suivi depuis 46 ans (BRGM)

Un réseau de piézomètre organisé

Le suivi est organisé selon un réseau de mesure ou réseau piézométrique  , dispositif de collecte de données correspondant à un ensemble de stations de mesure servant à suivre la piézométrie en différents points d’une nappe.

Les mesures acquises à un pas de temps variable en fonction du point (suivi horaire, journalier ou hebdomadaire) sont collectées dans la banque de données ADES.

Pour la craie   Champenoise, on compte 10 réseaux d’extension variable (départementale, régionale, au niveau d’un bassin, nationale). Ces réseaux de suivi, de surveillance ou patrimonial regroupent au total 33 piézomètres. Certains ouvrages étant communs à plusieurs réseaux. On compte :

  • Répartition par territoire : 12 piézomètres en Picardie et 21 en Champagne-Ardenne
  • Répartition par masses d’eau : 9 piézomètres pour HG206, 11 pour HG207 et 13 pour HG208
Cartographie des points du réseau de suivi « quantité » ou piézométrique de la Craie Champenoise au 1er septembre 2014 (BRGM - ADES)

La gestion quantitative de la ressource

L’évaluation de la ressource disponible et l’élaboration de règles de gestion volumique sont devenues ces dernières années un enjeu important pour tous les acteurs de l’eau afin de pouvoir anticiper, dans la mesure du possible, les épisodes de sécheresse et leurs impacts sur les milieux naturels et les activités humaines. Les efforts actuels se portent en particulier sur la gestion collective des ressources en eau qui doit permettre une gestion équilibrée et concertée en rassemblant l’ensemble des préleveurs (agricoles et non agricoles) sur une zone déterminée.

La gestion collective est fortement incitée, en particulier sur les zones de répartition des eaux (ZRE) afin de rétablir l’équilibre entre les besoins en eau et les ressources disponibles.

La Craie   Champenoise n’est pas concernée par les ZRE mais une réflexion est en cours dans le cadre du SDAGE Seine-Normandie sur les bassins versants crayeux en déficit local.

La gestion collective doit permettre à terme de définir le volume allouable à chaque catégorie d’usagers en fonction du niveau de la ressource et des règles locales de gestion. Dans la Marne  , une structure de concertation locale a été mise en place pour mettre en œuvre une gestion collective volumétrique pour les besoins de l’irrigation : AGREAU51.

Des outils pour améliorer la gestion de la ressource

A ce jour, plusieurs outils existent (notamment modèles GARDENIA, TEMPO, « Retourne »…) et ont été testés sur le territoire de la craie   champenoise. Leur mise en œuvre a donné lieu à des rapports publics disponibles sur le site http://www.brgm.fr/

  • Elaboration d’une règle de gestion volumique de la ressource en eau du bassin de la Barbuise (Aube) – Martin et al. (2004)
  • Elaboration de règles de gestion volumique de la ressource en eau pour les bassins versants de la Somme-Soude et de la Coole (51) - Schmidt C., Chabart M. et Normand M. (2006)
  • Etude des bassins versants de la Somme-Soude et de la Coole (51). Acquisitions de données complémentaires et mise en œuvre d’un SIG - Chabart M., Pannet P., Stollsteiner P., Mardhel V. (2006)
  • Prévision des volumes d’eau exploitables de 10 bassins versants en champagne crayeuse - Pinault J.L., Allier D., Chabart M., Pannet P., Perceval W. (2006)
  • Etude de la gestion volumique de la ressource en eau sur le bassin versant de la Retourne (Ardennes) - Chabart M., Pannet P et al. (2008)
  • Connaissance des ressources disponibles sur l’ensemble des bassins versants crayeux. Bassin Seine-Normandie en Champagne-Ardenne- Stollsteiner P., Bessiere H., Brugeron A., Pinson S. (2013). Un résumé de l’étude a été réalisé par la DREAL Grand-Est, le document est téléchargeable ici.
    Exemple de prédiction avec le logiciel GARDENIA d’un niveau piézométrique sur la Craie Champenoise à 8 mois (SCHMIDT C., CHABART M. et NORMAND M., 2006)


    Exemple de simulation réalisée avec le logiciel GARDENIA (STOLLSTEINER.P., BESSIERE.H., BRUGERON.A., PINSON.S., 2013)

Le suivi qualitatif de la ressource

Le suivi qualitatif est organisé selon des réseaux de mesure analogues à ceux du suivi piézométrique  .

Pour la craie   Champenoise, on compte 18 réseaux d’extension variable (départementale, régionale, au niveau d’un bassin, nationale). Ces réseaux de suivi (notamment contrôle sanitaire et installations classées), de surveillance patrimonial ou opérationnel regroupent au total 1239 ouvrages ou qualitomètres captant la Craie   Champenoise « libre » ; certains ouvrages étant communs à plusieurs réseaux. On compte :

  • Répartition par région : 148 piézomètres en Picardie et 1091 en Champagne-Ardenne
  • Répartition par masses d’eau : 133 qualitomètres pour HG206, 529 pour HG207 et 577 pour HG208
Cartographie des points du réseau de suivi « qualité » de la Craie Champenoise au 1er septembre 2014 (BRGM - ADES)

Une contamination en nitrates et en produits phytosanitaires en augmentation

La qualité physico-chimique de l’eau souterraine « brute » (avant traitement) issue de la Craie   Champenoise est globalement satisfaisante à l’exception des nitrates et des produits phytosanitaires. L’évolution de cette qualité constitue un enjeu majeur dans la mesure où cette eau est, en grande partie, utilisée pour l’alimentation en eau potable. Depuis de nombreuses années, dans les eaux brutes, les teneurs moyennes en nitrates sont en augmentation régulière et les produits phytosanitaires contaminent faiblement mais largement les captages.

Des études pour mieux comprendre les transferts de pollution diffuse

Dans ce contexte, la DREAL Champagne-Ardenne et le BRGM ont conduit en 2006 une étude qui visait à déterminer les vitesses de circulation dans la zone non saturée crayeuse (bassins versants de la Superbe - 51 et de la Retourne - 08) et à estimer les stocks de nitrates encore présents pour comprendre et prévoir l’évolution de la qualité de la nappe de la craie  . Parmi les principales conclusions de l’étude (CHABART.M., BARAN.N., BRAIBANT.G., JOUBLIN.F., PANNET.P., PERCEVAL.W., SCHMIDT.C., 2006), on retiendra que :

  • sur les parcelles étudiées le stock de nitrates est de l’ordre de 400 à 600 kg d’azote par hectare sur les 4 premiers mètres de la zone non saturée
  • la vitesse moyenne d’infiltration des nitrates au sein de la zone non saturée de la craie   est de l’ordre de 0.3 à 0.6 m par an

En parallèle, l’Agence de l’eau Seine-Normandie a lancé en 2006 une étude (ADEQUAT Environnement, 2006) sur le bassin d’alimentation crayeux du captage de Mourmelon-le-Petit (51) avec deux objectifs majeurs :

  • estimer le risque qu’un stock de pesticides et de nitrates présents dans la zone non saturée puisse atteindre la nappe captée
  • mettre en évidence l’impact des mesures préventives menées depuis plusieurs années dans le périmètre de protection du captage

Depuis plusieurs années, les membres du GEGENA2 (Groupe d’Etude sur les Géomatériaux et les Environnements Naturels Anthropiques et Archéologique) de l’Université de Reims Champagne-Ardenne (URCA), travaillent sur les modalités d’écoulements et de transferts aux interfaces (atmosphère/sol et sol/sous-sol) afin de déterminer les facteurs contrôlant les transferts latéraux (ruissellement) et verticaux (infiltration diffuse et concentrée) d’eau et de matières (sédiments, éléments traces métalliques) de la surface du sol à la zone saturée. Dans cet objectif, le karst de la craie   sur le pourtour de la Montagne de Reims et sa contribution à la pollution de la nappe ont été particulièrement étudié dans le cadre du programme de recherche AQUAL (Cf. travaux d’Alain DEVOS et Olivier LEJEUNE, 2001 à 2007).

En 2012, une nouvelle étude, conduite à l’échelle du bassin Seine-Normandie par le BRGM pour l’Agence de l’Eau Seine-Normandie, s’est attachée à caractériser les pollutions diffuses (nitrates et produits phytosanitaires), en travaillant à la fois sur l’état actuel de contamination mais aussi en valorisant et interprétant les données historiques de qualité. Les approches proposées dans cette étude visaient à :

  • caractériser les temps de transfert et de résidence de l’eau,
  • caractériser et expliquer la variabilité spatiale et temporelle de la contamination des eaux souterraines vis-à-vis des paramètres nitrate et phytosanitaires,
  • décrire les tendances passées de l’évolution de la qualité des eaux souterraines.

Plus largement, les informations obtenues dans le cadre de cette étude permettent :

  • de mieux connaître les comportements hydrodynamiques des aquifères du bassin Seine-Normandie (notamment la Craie   Champenoise)
  • d’expliquer l’évolution des concentrations en contaminants et principalement les nitrates dans le milieu souterrain
  • d’apporter des arguments quant aux reports de délais, voire d’objectifs de qualité des masses d’eau souterraine   vis-à-vis des obligations de bon état de la DCE
  • d’aider à la prévision de l’état chimique des eaux souterraines
  • de porter un regard critique sur les points de surveillance du réseau mis en place dans le cadre de la Directive Eau sur le bassin Seine-Normandie

Pour le secteur de la Craie   Champenoise à l’est du bassin, la répartition des tendances d’évolution des concentrations en nitrates est hétérogène en cohérence avec les observations faites sur les états actuels de contaminations. Les fortes variabilités spatio-temporelles observées s’expliquent généralement par l’hétérogénéité des caractéristiques hydrogéologiques et hydrodynamiques de la Craie   Champenoise qu’elle soit exploitée en zones de plateaux ou en fonds de vallée, en secteur karstique ou non karstique.

Pour en savoir plus :

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