Élaboration d’un outil de gestion des prélèvements d’eau sur le bassin de l’Avre

Depuis plusieurs années des épisodes de sécheresse ont affecté le bassin de l’Avre, générant des situations d’assecs, particulièrement dans la partie amont et engendrant des impacts importants dans la partie aval. Ceci a conduit à inclure dans le Schéma d’Aménagement et de Gestion des Eaux (SAGE) de l’Avre des objectifs de sécurisation de la production locale d’eau potable et de préservation des écosystèmes aquatiques.

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Contexte

Un niveau de prélèvement élevé, conjugué aux problèmes de disponibilité de la ressource en eau souterraine et d’impact écologique sur les masses d’eau superficielles, notamment en aval de Verneuil-sur-Avre (27), rend nécessaire une gestion équilibrée et durable de la ressource en eaux souterraines, prenant en compte non seulement les besoins mais également les contraintes à respecter pour garantir la préservation et la protection de cette ressource et des milieux aquatiques associés.
Afin de disposer des éléments nécessaires à la mise en œuvre d’une politique de gestion durable des eaux souterraines, le BRGM, en partenariat avec la DREAL, l’Agence de l’eau Seine-Normandie et Eau de Paris (EdP), a réalisé une étude visant à évaluer l’impact des prélèvements actuels et futurs, définir des volumes d’eau prélevables et établir des règles volumiques de gestion de la ressource en eau sur le bassin de l’Avre.

Objectifs

Les objectifs de l’étude ont consisté à élaborer un outil de gestion fournissant les éléments nécessaires à une gestion optimisée de la ressource en eau à partir de la détermination des quotas de prélèvement dédiés à chaque usage au cours du temps, de manière à pouvoir respecter une série de contraintes techniques, économiques et environnementales.

Plan de situation - MNT interpolé à la maille 100m (par moyenne mobile) depuis le MNT 25m (IGN) © BRGM


Plan de situation - vue 3D du MNT ré-interpolé © BRGM

Méthodologie

Les travaux se sont déroulés en différentes phases, à savoir :

  • synthèse des données et des informations existantes,
  • acquisition de données complémentaires (traçages, campagne géophysique, suivis piézométriques en continu) visant à mettre en évidence des structures géologiques supposées, des axes d’écoulements préférentiels (ex. liens karstiques) et à vérifier certaines limites du bassin hydrogéologique,
  • calculs de bilans hydrologiques et élaboration d’un schéma conceptuel du fonctionnement de l’hydro-système de l’Avre,
  • élaboration d’un modèle géologique avec le logiciel GDM Multilayer en support au modèle hydrogéologique,
  • construction du modèle hydrogéologique avec le logiciel MARTHE représentatif des caractéristiques et du fonctionnement de l’hydro-système (nappes, rivières, zones humides) du bassin versant,
  • simulation de divers scénarii à l’aide du modèle hydrogéologique afin de fournir les éléments nécessaires à l’établissement de règles de gestion du bassin de l’Avre.
    Principe de modélisation avec GDM-Multilayer. La construction du modèle géologique est basée sur trois étapes : (i) la définition d’une pile stratigraphique décrivant la succession des formations et les relations entre deux formations successives ; (ii) l’interprétation des données (leur « codage ») selon le cadre fourni par cette pile ; (iii) l’interpolation des surfaces (les interfaces entre formations) et leur combinaison en fonction des données et de la logique induite par la pile stratigraphique. © BRGM

Principaux résultats (cartes/schémas illustratifs)

Ce projet multi-partenarial a permis de fournir un ensemble d’éléments au gestionnaire de la ressource en eau qui permet aujourd’hui d’établir des règles de gestion de cette ressource, dans le respect des notions de « développement durable » et « d’usages équitables », deux des axes forts véhiculés par la Directive cadre sur l’eau de 2001 et par la Loi sur l’eau et sur les Milieux Aquatique de 2006 (LEMA).
Le logiciel GDM-Multilayer 2014 (BRGM) (https://www.brgm.fr/fr/logiciel/gdm-suite-gerer-modeliser-visualiser-donnees-geoscientifiques-3-dimensions) a été utilisé pour la construction du modèle géologique en trois dimensions. Onze formations géologiques ont été modélisées (figure 3). La pile litho-stratigraphique utilisée pour le modèle a été adaptée afin de mieux correspondre aux besoins de la modélisation hydrogéologique. Cela s’est traduit par le rattachement de la Craie   du Turonien moyen et supérieur à l’entité (SENO) (craie   du Sénonien sèches, à très fort taux de carbonate de calcium, à silex), tandis que la Craie   du Turonien inférieur au caractère relativement marneux a été associée aux craies du Cénomanien moyen et supérieur (CENO). Les craies du Cénomanien ont été séparées en 2 unités dans le modèle (CENS) et (CENI) car dans un secteur du modèle une autre formation (PERC) vient s’intercaler entre les 2. CENS et CENI ont donc dues être distinguées sur l’ensemble du modèle pour cette raison. Les formations GAUL et BASE représenteront dans le modèle hydrogéologique sous le logiciel Marthe le mur de l’aquifère   modélisé et pourront être regroupés.

Pile litho-stratigraphique utilisée pour la modélisation géologique. 11 formations ont été définies : de la formation la plus ancienne (BASE) à la plus récente (ALLU). Les formations Gault, argiles à silex et alluvions reposent en érosion sur les formations sous-jacentes à ces dernières, les autres formations sont en onlap. Les formations de craies altérées SENA et CENA sont intercalées respectivement entre les ARGiles à Silex et le SENOnien et les sables du PERChe et le CENomanien Inferieur.

Le travail de modélisation a consisté (i) à compiler, préparer, et mettre en cohérence les données nécessaires à la construction du modèle ; (ii) à interpoler ces données ; (iii) à combiner les surfaces modélisées.
Le modèle géologique reproduit la géométrie des structures du bassin de l’Avre en 3D, de laquelle sont également extraites des coupes géologiques en 2 dimensions (figure 4). Des fichiers d’exports du modèle ont été réalisés sous forme de grilles de l’altitude des toits et murs des horizons modélisés, et qui ont été ensuite importés dans le modèle hydrodynamique MARTHE pour la simulation des écoulements.
Ce modèle géologique 3D de l’Avre est également consultable depuis ARCGIS grâce à l’extension GDM_Arcgis développée par le BRGM (https://www.brgm.fr/fr/logiciel/gdm-suite-gerer-modeliser-visualiser-donnees-geoscientifiques-3-dimensions ). GDM ArcGIS permet de questionner le modèle 3D depuis Arcgis en demandant par exemple un forage   fictif ou une coupe rectiligne ou brisée.

Vue 3D du modèle - Exemple de carte d’altitude d’une formation et d’une coupe 2D extraite du modèle © BRGM

Les 11 couches du modèles géologiques 3D ont été regroupées en cinq couches dans le modèle hydrogéologique réalisé avec le logiciel MARTHE : (1) les alluvions   et formations à silex, (2) les sables du Perche, (3) la craie   altérée, (4) la craie   du Sénonien et du Turonien supérieur et moyen et (5) la craie   du Turonien inférieur et du Cénomanien.
La recharge et le ruissellement ont été déterminés à partir de données spatialisées de pluie issues de la grille AURELHY de Météo-France et de quatre chroniques pluviométriques journalières. Les paramètres de recharge ont été évalués par le biais de modélisations hydrologiques globales réalisées avec le logiciel GARDENIA.
Le réseau hydrographique principal a été explicitement intégré dans le modèle d’écoulement. Les paramètres qui dimensionnent les échanges nappes/rivières ont été estimés sur la base d’avis d’expert, avant d’être ajustés pendant le calage du modèle.
Une première affectation des paramètres hydrodynamiques a été faite pour chaque couche du modèle à partir de données issues des pompages d’essai et des connaissances d’experts locaux.
Les caractéristiques des prélèvements en nappe et en rivière sont issues des données fournies par l’Agence de l’Eau Seine-Normandie et Eau de Paris. Lorsque les données mensuelles n’étaient pas disponibles, les chroniques ont été reconstituées à partir des éléments à disposition.
Le calage du modèle, en régime permanent puis en régime transitoire sur plus de vingt ans (1990-2012) au pas de temps mensuel, s’est appuyé sur les cartes piézométriques régionales disponibles, ainsi que sur plus de 80 mesures piézométriques ponctuelles réalisées en octobre 2006, une trentaine de chroniques piézométriques et cinq chroniques de débit   enregistrées aux stations hydrométriques implantées sur le réseau hydrographique. Le calage a principalement consisté à ajuster les paramètres hydrogéologiques (perméabilité et coefficients d’emmagasinement  ), les paramètres de recharge et les paramètres dimensionnant les échanges nappe-rivière.
Les résultats du calage en régime transitoire sont satisfaisants malgré la complexité du domaine modélisé, localement karstiques. Les chroniques de débit   simulées aux stations hydrométriques sont en bonne adéquation avec les mesures de terrain (figure 4). Les niveaux piézométriques moyens, leurs fluctuations saisonnières et leurs évolutions pluriannuelles sont relativement bien reproduits sur la majorité des piézomètres. Il convient cependant de souligner que la reproduction des évolutions des débits et niveaux piézométriques, n’est pas totalement atteinte dans certains cas, du fait du comportement hydrodynamique complexe (notamment karstique) de l’hydrosystème dans certains secteurs et surtout d’incertitudes liées à des lacunes de connaissance ou de données. Les contraintes liées à la discrétisation de l’hydro-système peuvent parfois également y avoir contribué. Ces incertitudes ont été identifiées et listées dans le cadre de l’étude. Le calage pourrait ainsi être encore amélioré dans certaines zones, sous réserve de disposer de données complémentaires. Des recommandations ont été établies.

Comparaison des débits de l’Avre mesurés en bleu) et simulés (en rouge) à la station de jaugeage de Muzy (station aval du bassin de l’Avre). © BRGM

Le modèle hydrodynamique de l’hydro-système (nappe-rivières) ainsi construit apparaît toutefois suffisamment pertinent pour répondre aux principaux objectifs de l’étude qui étaient de mettre en place un outil de gestion destiné à aider la structure chargée de gérer la ressources en eau à définir des règles de prélèvements (volumes prélevables) et d’exploitation durable de celle-ci à l’échelle du bassin, qui permettent à la fois de satisfaire la demande en eau potable (locale et parisienne), de préserver les zones humides et de garder un débit   réservé dans l’Avre en aval de Verneuil/Avre.

Parmi les résultats obtenus, le projet a tout particulièrement permis d’apporter des réponses aux interrogations suivantes :

  • Quels sont les volumes d’eau prélevables dans le bassin de l’Avre ? Quel est l’Impact des volumes d’eau prélevés sur l’hydro-système de l’Avre ? (figure 5)
  • Quel est l’impact du climat sur les ressources en eau du bassin de l’Avre ?
  • Quelles sont les zones de connexion/déconnexion de la nappe et de la rivière ?
  • Qu’est-ce qui explique la présence de zones de résurgences et de sources importantes ?
  • Quel est le rôle des discontinuités géologiques dans les écoulements souterrains ?
    Impacts des prélèvements sur le Qmna5 naturel de la rivière aux différentes stations de jaugeage – résultats des différents scénarii simulés. © BRGM

Pour en savoir plus :

Rapport de phases 1 et 2 : http://infoterre.brgm.fr/rapports/RP-60458-FR.pdf
Rapport de phases 3 et 4a : https://infoterre.brgm.fr/rapports/RP-64817-FR.pdf
Rapport de phases 4b et 5 : http://infoterre.brgm.fr/rapports//RP-64826-FR.pdf

Bibliographie :

David Pierre-Yann. (2012) – Elaboration d’un outil de gestion des prélèvements d’eau sur le bassin de l’Avre : phase 1 : Etat de la connaissance et phase 2 : Analyse des données – Rapport final. Rap. BRGM/RP-60458-FR, 204 p., 122 ill., 7 ann. http://infoterre.brgm.fr/rapports/RP-60458-FR.pdf

David Pierre-Yann, Loiselet C., Lasseur E., Matthieu F., Pannet P., Servière M. (2015) - Modélisation hydrodynamique du bassin versant de l’Avre - Phase 3 : Acquisition de données complémentaires - Phase 4a : Construction du modèle géologique - Rapport BRGM/RP-64817-FR. 135 pages, 53 ill., 6 annexes. https://infoterre.brgm.fr/rapports/RP-64817-FR.pdf

David Pierre-Yann, Pennequin Didier, Servière Marie, Amraoui Nadia avec la collaboration de Hugot Virginie (2017) - Elaboration d’un outil de gestion des prélèvements d’eau sur le bassin de l’Avre. Phase 4b : Construction et calage du modèle hydrogéologique et phase 5 : Exploitation du modèle. Rapport BRGM/RP-64826-FR. 219 pages, 118 ill., 10 tab., 8 annexes. http://infoterre.brgm.fr/rapports//RP-64826-FR.pdf

Didier Pennequin, Pierre-Yann David, M. Servière, Nadia Amraoui, Christelle Loiselet. Hydro-system flow modelling for water resources management in the fractured and karstified chalk aquifer environment of Eastern Normandy. Eurokarst 2016, Sep 2016, Neuchatel, Switzerland. ⟨hal-01355499⟩ https://hal-brgm.archives-ouvertes.fr/hal-01355499

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