Revue Géologues n°207, décembre 2020

Sécheresse hydrogéologique : comment définir la sensibilité des nappes aux déficits pluviométriques à partir des chroniques piézométriques ? Application sur la région (). ALLIER Delphine1, MANCEAU Jean-Charles1, BUSCARLET Etienne1, KLINKA Thomas1, CHABART Murielle1, MARLY Xavier2

Différents outils d’analyses des chroniques piézométriques ont été mis en œuvre et appliqués sur la région Grand Est, dans l’objectif de qualifier la sensibilité des nappes captées à la sécheresse météorologique. Ces outils, en particulier le périodogramme et la courbe de décharge seront décrits dans l’article, ainsi que les résultats obtenus sur la région Grand Est où l’on retrouve une assez grande diversité de dynamique.

Introduction

La sécheresse est définie par Jean Margat (1989) comme « une déficience conjoncturelle significative des précipitations - donc des apports d'eau météorique aux « systèmes d'eau » terrestres pendant une durée assez longue (saisonnière, annuelle, voire pluriannuelle) et sur une étendue assez vaste, par rapport aux moyennes (au moins pluri-décennales) ou aux occurrences médianes ». Un tel déficit prolongé des précipitations peut alors avoir des conséquences en cascade sur les sols, les eaux de surfaces puis sur les eaux souterraines. Ces conséquences ne sont pas toutes synchrones ni de même ampleur. Les sécheresses hydrogéologiques, que l’on définit comme l’impact des carences d’apports sur le régime naturel des eaux souterraines, sont en comparaison avec les sécheresses météorologiques, retardées dans le temps, atténuées mais également prolongées dans des proportions qui diffèrent grandement selon les nappes considérées.

Les aquifères, en lissant les anomalies pluviométriques, jouent en effet un rôle de régulateur pour continuer à alimenter les cours d’eau dont ils assurent un débit de base, voire pour pallier des besoins en eau souterraine accrus. Ce sont donc des ressources en eau précieuses lorsque les apports pluviométriques viennent à manquer. Leur résistance est toutefois limitée et des sécheresses hydrogéologiques peuvent se produire en conséquence des sécheresses météorologiques. Se pose alors la question de la sensibilité des eaux souterraines à ces épisodes secs et de comment celle-ci varie d’une nappe à une autre.

Utilisation des chroniques de niveau piézométrique pour traduire la sensibilité des nappes à la sécheresse

De façon générale, la dynamique des eaux souterraines est dépendante de conditions externes (entrées et sorties d’eau), et de conditions internes au système aquifère (propriétés conductrices de l’eau, comme la transmissivité, et accumulatrices, comme l’emmagasinement).

Les flux sortants (typiquement par des émergences ou par les cours d’eau) sont généralement plus continus et réguliers que les flux entrants (typiquement l’infiltration des eaux météoriques). Les eaux souterraines sont donc perpétuellement en régime d’écoulement non permanent (dissymétrie entre apports et exports) avec une évolution du stock en eau souterraine au cours du temps qui traduit le pouvoir de régulation des aquifères. Ce pouvoir de régulation, appelé parfois inertie, est directement dépendant de la transmissivité de l’aquifère, de son coefficient d’emmagasinement ainsi que de sa taille. La diversité des situations induit donc d’importantes différences avec des nappes très réactives et d’autres très inertielles.

1 BRGM, 3 av. Claude-Guillemin 45060 Orléans Cedex 2, France, [email protected] 2 DREAL Grand Est - Délégation de bassin Rhin-Meuse, 2 rue Augustin Fresnel 57071 METZ Cedex 03, France Revue Géologues n°207, décembre 2020

Les différents paramètres permettant de caractériser la dynamique des eaux souterraines sont individuellement souvent mal connus. Le niveau piézométrique est une variable bien plus accessible et qui traduit directement la variation de stock en eau souterraine dans le temps

Cette variable semble alors la plus naturelle et la plus à même de traduire les conséquences des sécheresses météorologiques sur les eaux souterraines puisque la sensibilité d’une nappe dépend :

1- de la variation du stock en eaux souterraines lors des épisodes secs (i.e. ce stock va-t-il considérablement diminuer ?), et 2- de la vitesse de variation de ce stock (i.e. ce stock va-t-il rapidement diminuer ?).

Typologie générique de la sensibilité des nappes à la sécheresse

La sensibilité des eaux souterraines à ces sécheresses météorologiques est très variée.

Les nappes captives, qui ne sont pas directement alimentées par les précipitations, sont très peu sensibles aux sécheresses météorologiques, si ce n’est indirectement dans les cas où le manque d’eau serait compensé par des prélèvements plus importants dans ces nappes.

Concernant les nappes libres, plusieurs configurations peuvent être rencontrées :

- Les nappes libres fortement soutenues par conditions de potentiel imposées à leurs limites (cours d’eau, voire plan d’eau), configuration qui entraîne une relative stabilité des niveaux piézométriques qui varient peu en fonction des apports. Cela peut être le cas de certaines nappes alluviales, mais également de nappes libres drainées par un réseau hydrographique très dense. Les variations en matière de recharge se traduiront rapidement par des variations du débit de drainage. Ces nappes sont donc peu sensibles aux sécheresses météorologiques, mais les cours d’eau seront alors fortement impactés (il ne faut donc pas confondre sensibilité de la nappe aux sécheresses météorologiques, et conséquence d’une sécheresse météorologique sur les cours d’eau, la première pouvant être faible et la seconde forte pour un même épisode de déficit en précipitations) ; - Les nappes libres, à relativement faible réserve, et débitant par un exutoire de type source. Cela peut être le cas de nappes perchées, mais également de plateaux karstiques ; par exemple ces nappes sont très sensibles aux sécheresses météorologiques saisonnières qui peuvent aller jusqu’au tarissement des sources ; - Les nappes libres, à réserves importantes, étendues et souvent à faible densité de drainage : selon leurs caractéristiques intrinsèques, ces nappes auront une inertie plus ou moins importante, ce qui se traduira par un déséquilibre plus ou moins important à l’échelle annuelle entre apports et exports. Sur les niveaux piézométriques représentatifs de la nappe (c’est-à-dire éloignés de l’influence des limites), se superposent donc aux variations annuelles, des variations pluriannuelles correspondant aux successions d’années sèches ou humides. Différents cas de figure existent : o inertie importante : les variations pluriannuelles sont prédominantes, les nappes sont alors surtout sensibles aux sécheresses météorologiques pluriannuelles (i.e. à la succession d’années sèches) ; o inertie moyenne : les variations annuelles et pluriannuelles sont du même ordre : les nappes sont alors sensibles aux deux types de sécheresses saisonnières et pluriannuelles ; o inertie faible : les variations annuelles sont prédominantes : les nappes sont alors surtout sensibles aux sécheresses météorologiques saisonnières.

Sensibilité des nappes de la région Grand Est aux déficits pluviométriques : description des piézomètres retenus Sur la région Grand Est, les dernières années 2018, 2019 et 2020 ont été marquées par une situation de sécheresse prolongée entraînant la mise en place de mesures de restriction d’eau. Pour caractériser la sensibilité des nappes à ces situations de déficit et plus globalement pour améliorer les indicateurs Revue Géologues n°207, décembre 2020 piézométriques, une analyse a été menée sur toutes les chroniques piézométriques disponibles de la région Grand Est (hors nappe d’Alsace) (Manceau et al., 2020). Les chroniques piézométriques étudiées sont issues du portail national d’accès aux données sur les eaux souterraines (https://ades.eaufrance.fr/) et respectent les critères suivants : ouvrages localisés dans la région Grand Est (hors nappe d’Alsace), chroniques contenant au moins 120 données entre la première et la dernière date d’acquisition, chroniques caractérisées par une durée entre la première et la dernière date d’acquisition supérieure à 10 années. Les mesures ayant été qualifiées comme « incorrectes » et « incertaines » sont exclues de l’analyse. Une première évaluation des chroniques piézométriques disponibles, menée à partir de la connaissance et de l’expertise hydrogéologique régionale, a permis d’écarter :

- des ouvrages directement influencés (par des champs captants ou par des exhaures minières), ces ouvrages étant peu représentatifs de la dynamique de la nappe captée ; - des ouvrages captant des nappes captives, et donc indifférents aux sécheresses météorologiques ; - des points de mesure désormais abandonnés, et donc inutilisables pour évaluer de futures sécheresses hydrogéologiques ; - des ouvrages sujets à caution quant à la fiabilité du suivi.

La dernière date de mesure considérée dans cette étude est le 30/03/2020. La suite de l’analyse a donc porté sur 83 chroniques piézométriques pour un total de 490 144 mesures journalières (Fig. 1).

Figure 1 : Ouvrages retenues pour l’analyse des chroniques piézométriques, région Grand Est (France)

Outils d’analyse des chroniques piézométriques Pour analyser de manière automatique i) la variation du stock d’eau souterraine et ii) la vitesse de variation de ce stock, pour les chroniques piézométriques sélectionnées, différents indicateurs ont été calculés. Il s’agit : du battement de la nappe, de la vitesse de décharge et du mode de variabilité dominant. Ces indicateurs ont été développés à l’aide du code R (https://www.r-project.org/). Revue Géologues n°207, décembre 2020

Battement de la nappe Pour évaluer la variation potentielle du stock, l’indicateur choisi est simplement le battement « historique » observé au cours du temps, c’est-à-dire la différence entre les niveaux piézométriques historiques maximum et minimum. L’idée ici n’est pas de quantifier le stock mais de qualifier si les niveaux piézométriques varient considérablement au cours du temps ou non.

Une limite de cet indicateur est sa sensibilité aux valeurs atypiques ayant pu être mesurées, d’où l’importance d’analyser au préalable la fiabilité des chroniques. Le point de mesure doit également être représentatif du régime hydrodynamique de la nappe qu’il capte : non directement influencé par un captage ou un point de recharge artificielle et éloigné des limites à condition de potentiel fixe (cours d’eau ou plan d’eau en relation avec la nappe).

A l’échelle de la région Grand Est, les battements varient entre 1 m et 35 m, les faibles valeurs concernent les nappes alluviales et la nappe des calcaires du Muschelkalk, les fortes valeurs la nappe de la Craie et celle des calcaires du Dogger (cf. Fig. 2).

Figure 2 : Variation du stock d’eau souterraine (traduit par le battement historique) calculé sur les 83 piézomètres étudiés – Région Grand Est (France) (Manceau et al., 2020)

Temps caractéristique de décroissance des niveaux piézométriques La résistance d’un aquifère à la sécheresse va dépendre du temps nécessaire pour qu’une nappe se vidange. Une nappe qui se vidange plus rapidement qu’une autre verra en effet une plus grande proportion de son stock diminuer lors des épisodes de sécheresse. Un indicateur connu est le temps de demi-décroissance des niveaux piézométriques, c’est-à-dire le temps nécessaire pour que, sans apport, la nappe diminue de moitié sa charge hydraulique. Il dépend des paramètres hydrodynamiques de l’aquifères (perméabilité, coefficient d’emmagasinement) et de sa taille (Seguin et Wuilleumier, 2006).

Pour l’estimer, l’outil développé consiste à reconstruire une courbe de vidange-type à partir d’événements passés lors desquels les niveaux piézométriques ont décru en régime non influencé et sans Revue Géologues n°207, décembre 2020

épisodes de recharge (Fig. 3). Cette courbe de vidange-type se rapproche fortement des courbes de tarissement couramment utilisées sur le débit de cours d’eau. Toutefois, certaines spécificités ont conduit au développement d’une procédure automatique fortement inspirée d’une méthode manuelle développée au BRGM par Forkasiewicz et Margat (1976) : en particulier, les niveaux piézométriques décroissent vers un niveau piézométrique de base correspondant au potentiel imposé de la limite aval au point de mesure, qui est souvent inconnu et qu’il s’agit donc de déterminer.

Figure 3 : Exemple de calcul d’une courbe de décharge, exponentielle, à partir des segments sélectionnés (en haut) sur l’ouvrage 01373X0133/P02 captant les Calcaires du Dogger à Saint- Pierremont (54)

L’outil développé fait l’hypothèse d’une décroissance exponentielle des niveaux piézométriques. La limite principale de cet indicateur tient à ses difficultés de détermination 1) dans la situation où les caractéristiques de l’aquifère d’intérêt s’éloignent significativement du cas « exponentiel » idéal (exutoires multiples, présence d’hétérogénéités, forte variation du niveau piézométrique par rapport à l’épaisseur saturée) et 2) lorsque l’inertie est forte et lorsque le temps critique à partir duquel les décroissances deviennent véritablement exponentielles est important, voire inatteignable. Sur les 83 chroniques piézométriques sélectionnées, un temps de décroissance a pu être calculé par l’outil de construction des courbes de vidange pour 60 chroniques.

Des temps caractéristiques très courts sont calculés pour les nappes des calcaires du Tithonien et de l’Oxfordien et pour les alluvions de la Moselle, alors qu’ils sont globalement très longs pour la nappe de la Craie (cf. Fig. 4). Revue Géologues n°207, décembre 2020

Figure 4 : Temps de ½ décroissance des niveaux piézométriques calculés pour 60 chroniques (Manceau et al., 2020)

Mode de variabilité dominant Pour analyser l’inertie de la nappe, un autre outil, complémentaire à la courbe de vidange-type, peut être utilisé. Il s’agit du périodogramme, qui, appliqué aux fluctuations piézométriques, permet d’identifier et de hiérarchiser les différentes variabilités contribuant à la dynamique de la nappe. Dans le cas d’une chronique non influencée par des activités anthropiques, des grands « cycles »3 identifiés au sein des séries piézométriques ont pour origine les grands « cycles » caractérisant les séries climatiques à l’origine des flux de recharge. Pour une nappe très inertielle, la variabilité annuelle (liée à la recharge hivernale) est moins apparente sur la forme du signal piézométrique que cette variabilité pluriannuelle o: l’effet mémoire joué par le système aquifère est bien visible. A contrario, pour les nappes réactives, les effets de la recharge annuelle sont dominants sur le signal par rapport à la variation pluriannuelle du stock.

L’outil utilisé dans cette étude est le périodogramme de Lomb-Scargle (Lomb, 1976 et Scargle, 1982) qui s’applique à des séries pouvant être constituées de mesures non régulièrement échantillonnées. C’est une représentation graphique de la puissance spectrale du signal en fonction de la fréquence (ou de la période). L’idée est alors, à partir de ce graphique, de détecter les périodes présentant les plus fortes puissances spectrales, c’est-à-dire les plus contributives à la dynamique des niveaux piézométriques (cf. Fig. 5).

3 Nota Bene : les composantes pluriannuelles identifiées dans les chroniques ne sont pas réellement cycliques, elles ont une échelle temporelle pluriannuelle (6-7 ans par exemple), mais ne se reproduisent pas à une fréquence régulière. Revue Géologues n°207, décembre 2020

Figure 5 : Périodogramme de la chronique piézométrique mesurée à Janvilliers (51) dans les calcaires de Champigny

Cet outil a été appliqué, pour les 83 chroniques sélectionnées, sur les séries composées des moyennes mensuelles. Les trois cycles principaux se dégageant du périodogramme ont été automatiquement détectés. La grande majorité des chroniques sélectionnées (74) présentent un mode de variabilité annuel dominant. Les variabilités pluriannuelles détectées sont, principalement autour de 6.5 ans (~80 mois) et dans une moindre mesure autour de 16 ans (~200 mois). Il est important de noter que la durée de la chronique limite de facto la période maximale des cycles pouvant être identifiée ce qui signifie que les cyclicités pluriannuelles de l’ordre de 6.5 ans sont plus aisément détectables que celles de plus de seize ans.

Ces cycles pluriannuels détectés dans les séries piézométriques le sont également dans d’autres variables environnementales en France à l’image des précipitations (Massei et al., 2007). Ils sont directement liés à la variabilité climatique à grande échelle, et plus particulièrement à la variabilité pluriannuelle de l’Oscillation Nord Atlantique (NAO).

A l’échelle de la région Grand Est (cf. Erreur ! Source du renvoi introuvable.), la présence marquée de « cycles » pluriannuels est observée surtout sur les nappes inertielles des calcaires du Ludien (Janvilliers, Mécringes dans la ) ou de la Craie du Séno-Turonien ( dans la Marne ou La Saulsotte, Aix-en-Othe et Vailly dans l’Aube). Ces « cycles pluriannuels » sont aussi prédominants sur les fluctuations des niveaux des sables libres de l’Albien (à la limite Aube / Haute Marne, sur les ouvrages de Morvilliers et de Louze).

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Figure 6 : Modes de variabilité dominants issus des périodogrammes calculés pour les 83 piézomètres retenus (Manceau et al., 2020)

Méthode de classification de la sensibilité des nappes suivies dans la région Grand Est aux sécheresses météorologiques La sensibilité des eaux souterraines aux sécheresses météorologiques est définie à partir des résultats des outils décrits ci-dessous. On rappelle que la sensibilité des nappes dépend à la fois de la variation du stock au cours du temps (caractérisé par le battement historique) et de la vitesse de variation de ce stock (caractérisé par deux outils permettant de qualifier l’inertie de la nappe : le temps de ½ décroissance des niveaux piézométriques et les grands « cycles » dominants le signal piézométrique). Afin de classifier, à l’échelle régionale, les eaux souterraines captées par les ouvrages étudiés, une approche de type multicritère a été suivie :

1- La variation du stock au cours du temps est qualifiée en trois classes selon la valeur du battement historique : [Faible < 2 m < Moyenne < 5 m < Forte] 2- La vitesse de vidange est qualifiée en cinq classes selon la valeur du temps de ½ décroissance des niveaux piézométriques : [Très rapide < 15j. < Rapide < 30j. < Assez rapide < 90j. < Assez lente < 180j. < Lente] 3- Les modes de variabilité ont été qualifiés en quatre classes selon la valeur du rapport entre la puissance spectrale du « cycle » annuel et la puissance du cycle pluriannuel le plus important : [Cycle annuel dominant < 0.25 < Cycle annuel dominant (+ autre cycle) < 0.5 < Cycle annuel et pluriannuel d’importance équivalente < 0.75 < Cycle pluriannuel dominant] 4- La sensibilité globale aux sécheresses météorologiques est qualifiée selon le logigramme présenté à la Fig. 7 : a. Une première classification (faible, moyenne et forte) est réalisée selon les classes de variation du stock. Revue Géologues n°207, décembre 2020

b. Puis, pour qualifier les ouvrages les plus inertiels, les deux critères vitesse de vidange et modes de variabilité sont croisés et l’indication « avec inertie » est mentionnée. On rappelle que plus l’inertie d’une nappe sensible au sécheresse est forte, plus cette sensibilité fera référence à des sécheresses météorologiques pluriannuelles (succession d’années sèches). c. Une indication sur les ouvrages qui suivent une nappe en relation forte avec un cours d’eau a été ajoutée [mention « - lien CE »]. Ces ouvrages ont été définis à l’aide de l’expertise des hydrogéologues régionaux. On rappelle que ces nappes sont souvent peu sensibles aux sécheresses météorologiques, mais que les cours d’eau peuvent quant à eux être fortement impactés.

Figure 7 : Logigramme de la définition de la sensibilité à la sécheresse hydrogéologique

Résultats et conclusions Pour chaque piézomètre, une fiche individuelle a été produite pour synthétiser les résultats obtenus (battement, périodogrammes et courbe de vidange) ainsi que qualifier la sensibilité de la nappe captée aux sécheresses météorologiques (cf. Fig. 8). La sensibilité à l’échelle régionale a été cartographiée à partir de ces résultats individuels (cf. Fig.9). Ainsi, en région Grand Est, la majorité des nappes d’eau souterraine ont une sensibilité moyenne à forte à la sécheresse, avec une assez grande diversité de dynamique :

- des nappes, qui vont très peu résister (baisse des niveaux rapide en période de déficit) et être particulièrement sensibles aux situations de déficit annuel ; Exemple des nappes des calcaires du Tithonien, des calcaires de l’Oxfordien (sud de la Meuse), calcaires du Dogger (limite Meurthe-et-Moselle/Moselle) - des nappes, qui vont résister plus longtemps mais pour lesquelles la succession d’années sèches va entraîner une baisse notable des niveaux. Exemple de la nappe de la Craie du Séno-Turonien à l’Ouest de la région

Les chroniques piézométriques retranscrivent la dynamique des eaux souterraines et leur sensibilité aux phénomènes climatiques extrêmes, d’où l’importance de disposer d’un réseau piézométrique fiable, pérenne et représentatif de la diversité des systèmes aquifères. Elles mettent en évidence les relations entre les variations climatiques et les niveaux de la nappe, les propriétés hydrodynamiques de l’aquifère mais aussi, le cas échéant, les relations nappe/rivière et les impacts des prélèvements anthropiques.

Ainsi, les outils de traitement du signal sont précieux pour mieux anticiper les phénomènes extrêmes et les effets du changement climatique sur les eaux souterraines. Pour évaluer ces effets, il sera nécessaire Revue Géologues n°207, décembre 2020 d’étudier plus précisément les chroniques piézométriques disposant d’un long historique de suivi (idéalement plus de 50 ans de données).

Figure 8 - Exemple de fiche « sécheresse hydrogéologique » produite après analyse automatique de la chronique piézométrique de l’ouvrage BSS000PRTA (01871X0031/S1) captant les Calcaires de Champigny à JANVILLIERS (51)

Figure 9 - Sensibilité à la sécheresse hydrogéologique pour les 83 piézomètres retenus

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Bibliographie Forkasiewicz, J., Margat, J., 1976. Premiers résultats d’analyse des fluctuations naturelles de niveau de nappes libres en France – Application à l’appréciation des recharges annuelles et à la prédiction à court terme des niveaux d’étiage en 1976. Rapport 76 SGN 571 AME. Lomb, N.R. 1976, Ap. Space. Sci., 39, 447. Manceau JC, Allier D, Buscarlet E (2020) – Analyse de la sécheresse hydrogéologique dans la région Grand Est – Phase 2 : amélioration des indicateurs de gestion. Rapport final. BRGM/RP-69867-FR, 336 p., 29 ill., 4 tabl., 5 ann., 1 CD. Margat (1989) : Sécheresse et eaux souterraines (1989). La Houille Blanche, n°7, 8-1989. Massei, N., Dieppois, B., Hannah, D.M., Lavers, D.A., Fossa, M., Laignel, B., Debret, M., 2017. Multi- time-scale hydroclimate dynamics of a regional watershed and links to large-scale atmospheric circulation : Application to the Seine river catchment, France. Journal of Hydrology, 546, 262-275. Scargle, J.D. 1982, Ap.J., 263, 835. Seguin J.J., Wuilleumier A. (2006), Exploitabilité des ressources en eaux souterraines en France. Résistance à la sécheresse des principaux aquifères à nappe libre, BRGM/RP-55188-FR. Van Loon A. (2015), Hydrological Drought Explained, Wiley Interdisciplinary Reviews Water 2015