Connaissance des ressources disponibles sur l’ensemble des bassins versants crayeux du territoire de Champagne –Ardenne

Partenaires

Contexte et objectifs

Afin d’appliquer la circulaire du 30 juin 2008 relative à la résorption des déficits quantitatifs en matière de prélèvement d’eau   et gestion collective des prélèvements d’irrigation et atteindre les objectifs définis dans le 9e programme de l’Agence de l’eau Seine-Normandie concernant la gestion collective des ressources en eau, l’Agence de l’eau Seine-Normandie et la DREAL Champagne-Ardenne ont défini avec le BRGM une étude visant à mieux connaître les ressources en eau disponibles des bassins versants de la craie   de la Champagne Ardenne.

L’étude menée entre 2011 et 2014 par le BRGM (Stollsteiner et al., 2013 et Stollsteiner, 2015), en partenariat avec l’AESN et la DREAL Champagne-Ardenne fait suite notamment aux études précédemment menées en 2006 et 2008 sur des bassins versants suivis hydrométriquement en Champagne-Ardenne (Pinault et al., 2006 ; Asfirane et al., 2008).

Les recherches ont concerné la mise en œuvre d’une méthodologie qui permet de transposer les connaissances acquises lors des études précédentes sur les bassins versants crayeux suivis aux bassins versants crayeux non jaugés à ce jour.

Connaissances acquises antérieurement sur les bassins versants crayeux suivis

Dans la perspective d’estimer des volumes de prélèvements optimaux en fonction de l’état des réserves avant la période d’étiage, des opérations d’analyse des corrélations entre la pluie, les niveaux de nappe et les débits des rivières ont été mises en œuvre, sur 10 bassins versants crayeux de Champagne-Ardenne à l’aide du logiciel TEMPO, développé par le BRGM.

TEMPO est un modèle d’analyse du signal destiné au traitement et à la modélisation des séries temporelles en hydrogéologie  . L’analyse des chroniques et leur modélisation a pour but la prévision de l’évolution des niveaux ou des débits et une évaluation des volumes potentiellement exploitables.

L’unité de gestion prise en compte est la superficie du bassin versant   superficiel calculé à la station de mesure hydrométrique. Les prélèvements ont été pris en compte suivant un plan de gestion qui prédétermine le pourcentage du volume à prélever chaque mois. Les volumes disponibles pour les pompages saisonniers (usage agricole) ont été estimés sur chacun des 10 bassins étudiés. La ressource dépend de la pluviométrie qui sera observée au cours des mois qui suivent la date d’émission de la prévision et, de ce fait, peut être exprimée en fonction de la période de retour correspondant aux différents scénarios de pluie (résultat des simulations TEMPO). Le volume est estimé de manière à ce que le Débit   Objectif d’Etiage   (DOE) ou le Débit   de Crise (DC) ne soit pas dépassé.

Méthodologie appliquée sur les bassins versants non jaugés

Il s’agissait dans un premier temps, pour les bassins versants jaugés ponctuellement suite à la campagne de 2011 (Figure 1), de définir leurs principales caractéristiques, leur fonctionnement hydrogéologique et les ressources en eau qui en découlaient (évaluation des Qmna5 et des volumes maximaux prélevables par évaluation graphique et modélisation globale « Gardenia »).

Dans un deuxième temps, pour les bassins versants non suivis et non jaugés, il a été procédé à la recherche de paramètres caractéristiques permettant d’extrapoler les résultats obtenus pour les bassins versants suivis (recharge  , pluie efficace, Qmna5, volumes maximaux prélevables).

Figure 1 - Localisation des bassins versants jaugés et des stations de mesure utilisés dans l'étude (D'après Stollsteiner et al., 2013) -  voir en grand cette image"
Figure 1 - Localisation des bassins versants jaugés et des stations de mesure utilisés dans l’étude (D’après Stollsteiner et al., 2013)

Principaux résultats

Les analyses effectuées sur les indicateurs piézométriques potentiels des différentes masses d’eau ont permis de montrer l’existence de relations directes entre les débits aux droits des stations hydrométriques et les niveaux d’eau observés aux différents piézomètres existants. Les relations obtenues sont univoques pour des piézomètres à cycles annuels ou multiples pour les piézomètres à cycles pluriannuels. Par ailleurs, il est apparu qu’un seul piézomètre   pouvait être représentatif de l’ensemble d’une masse d’eau   (HG208 notamment), ce qui indique un comportement homogène de celle-ci et permet ainsi l’utilisation de ce piézomètre   pour analyser et/ou simuler les écoulements de bassins versants non suivis de cette même masse d’eau  . Ces relations débit  -niveau piézométrique   permettent, après détermination de la vitesse de vidange des aquifères, de caler le modèle pour estimer les QMNA5 et les volumes maximaux et présentent un grand intérêt pour la prévision des débits d’étiage.

Sur la zone d’étude, les stations hydrométriques et les piézomètres indicateurs associés ont permis de réaliser des modélisations globales pluie-débit  -niveau piézométrique   à l’aide du logiciel GARDENIA (©BRGM). Ces doubles modélisations, qui ont l’avantage simultanément d’équilibrer les bilans et de simuler le fonctionnement des nappes, ont permis, après calage sur la période d’observation des prélèvements, de simuler les débits des cours d’eau des bassins versants suivis et le niveau des nappes sur la période 1980-2011.

Les débits et niveaux ainsi simulés ont été ensuite utilisés pour réaliser des ajustements suivant une loi de Gauss afin de définir les débits minima mensuels de période de retour 5 ans. Au droit de chaque station hydrométrique et pour chaque mois de la période 1980-2011, ce débit   mensuel quinquennal obtenu a été soustrait au débit   moyen mensuel simulé afin de définir les volumes cumulés « disponibles pour tous usages » (débit   excédentaire du QMNA5) sur les périodes allant de mai à septembre (5 mois) et de juin à août (3 mois), périodes susceptibles de nécessiter de l’irrigation.

Ces volumes maximaux déterminés pour les bassins versants suivis par station hydrométrique ne sont pas directement comparables à ceux fournis lors des précédentes études TEMPO. En effet, les hypothèses et options de calcul utilisées pour ces études sont suffisamment différentes pour expliquer les résultats, notamment :

  • une période de calage différente ;
  • la prise en compte de débit   de transfert interbassins, suite à la réalisation de la campagne piézométrique   de 2011 ;
  • des QMNA5 différents car intégrant les débits prélevés (sans décalage temporel) ;
  • une période de prélèvement et une répartition des volumes prélevés différentes ;
  • une fréquence de référence différente : satisfaction des besoins quatre années sur 5 au lieu de trois années sur quatre ;
  • enfin, l’estimation des volumes potentiellement prélevables incluent les prélèvements industriels et AEP, contrairement aux études TEMPO précédentes.

Une démarche similaire a été entreprise au droit des bassins versants jaugés ponctuellement à l’occasion de cette étude, en réalisant des doubles modélisations pluie-débit  -niveau piézométrique  . Ces modélisations, qui reposent uniquement sur 2 jaugeages d’étiage (campagne 2011), sont toutefois rendues possibles par l’utilisation des données de niveau d’eau des indicateurs piézométriques représentant fidèlement le fonctionnement de l’ensemble de la masse d’eau   ainsi que des principaux paramètres de calage des bassins versants voisins, l’ajustement se faisant principalement sur les débits non contrôlés au droit des stations hydrométriques (échanges avec bassins versants adjacents et/ou sous écoulement au droit des stations). Les volumes maximaux disponibles ainsi déterminés pour ces bassins versants ne sont que des estimations méritant d’être confortées par de nouveaux jaugeages ponctuels d’étiage.

Ces débits d’échanges interbassins ou de sous écoulement, mis en évidence par la campagne piézométrique   réalisée en 2011, sont très variables d’un bassin à l’autre mais également variables suivant les niveaux des dômes piézométriques des différentes masses d’eau. C’est en grande partie ce phénomène qui n’a pas permis, malgré l’apport de l’IDPR et de paramètres tels que la rugosité, d’étendre, sans jaugeage spécifique, les résultats précédents (QMNA5 et volume disponible) à l’ensemble des bassins versants crayeux. Il a donc fallu se contenter, pour la zone d’étude restante (environ 25%), d’évaluer au moyen de la pluie efficace et de l’IDPR les recharges moyennes disponibles.

L’étude comparative entre débits moyens prélevés et débits disponibles montrent que globalement, même s’ils sont conséquents, les prélèvements, à l’exception de quelques bassins (notamment au droit de la masse d’eau   HG208), ne sont pas excessifs. Néanmoins, par suite des variations climatiques présentes et futures et de possibles demandes de prélèvements pour l’irrigation centrées sur les mois les plus critiques de l’étiage, les prélèvements moyens actuels sont susceptibles de ne pas être satisfaits à raison de quatre années sur cinq au droit de certains bassins versants.

Manque de connaissances et apports complémentaires

Le manque de connaissance concernant la répartition temporelle et spatiale des volumes de prélèvements a conduit à émettre des hypothèses fortes ne permettant pas, par exemple, d’évaluer leurs impacts sur les débits d’étiage des cours d’eau. Il a ainsi été admis que les quantités prélevées se déduisaient directement (sans retard) sur les débits mesurés aux stations hydrométriques. Cela revient à considérer que les prélèvements s’effectuent à proximité du cours d’eau, vision optimiste de la situation avec un étiage survenant après la période d’irrigation. De plus, la nature même du modèle (de type global) nécessite d’émettre des hypothèses essentielles à son fonctionnement qui ne permettent pas d’évaluer les marges d’incertitudes des résultats.

Une étude complémentaire est en cours de réalisation et doit notamment permettre de préciser les résultats obtenus pour les bassins versants jaugés ponctuellement en utilisant de nouvelles données historiques de jaugeages d’étiage (Stollsteiner, 2015).

Bibliographie

  • ASFIRANE F., WUILLEUMIER A., ALLIER D., VERJUS P. (2008) – Bassin Seine Normandie : estimation des volumes disponibles pour les prélèvements. Rapport final. Rapport BRGM/RP-56690-FR. 482 pages, 393 illustrations, 15 tableaux, 5 annexes : http://infoterre.brgm.fr/rapports/RP-56690-FR.pdf
  • PINAULT J.L., ALLIER D., CHABART M., PANNET P., PERCEVAL W. (2006) - Prévision des volumes d’eau exploitables de 10 bassins versants en champagne crayeuse. Rapport final. Rapport BRGM/RP-55087-FR. 110 pages, 55 figures, 4 tableaux, 4 annexes : http://infoterre.brgm.fr/rapports/RP-55087-FR.pdf
  • PINAULT J-L., ALLIER D., VERJUS P. (DIREN) (2006) – Bassin Seine-Normandie : estimation du volume disponible aux prélèvements de 45 petits bassins versants. Rapport final. BRGM/RP-55232-FR : http://infoterre.brgm.fr/rapports/RP-55232-FR.pdf
  • STOLLSTEINER P, BESSIERE H ; BRUGERON A. ; PINSON S (2013) - Connaissance des ressources réellement disponibles sur l’ensemble des bassins versants crayeux Bassin Seine-Normandie en Champagne-Ardenne -Rapport final -BRGM/RP 61371-FR de septembre 2013. 157 pages, 98 illustrations (figures et tableaux) et 3 annexes, CD : http://infoterre.brgm.fr/rapports/RP-61371-FR.pdf
  • STOLLSTEINER P. (2015) – Compléments à l’étude « Connaissance des ressources réellement disponibles sur l’ensemble des bassins versants crayeux ». Rapport BRGM/RP-64866-FR, nb. p., nb fig., nb ann. Publication en cours.

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