mensuelle pour tester le procédé et fixer l'ordre de grandeur du phénomène.
Le modèle mis au point est ensuite appliqué à l'échelle hebdomadaire pour une étude fine des mécanismes d'alimentation et une détermination plus précise des fonctions de retard.
Dans le douzième et dernier chapitre, nous proposerons d'adopter une représentation du t4a~6ekt dal~
la zone non
~atunée par analog~e avec l'écoulement à travers une série de réservoirs linéaires à tarissement exponentiel. Le modèle mis au point sera appliqué à Un autre bassin de la nappe de la craie....
CHAPITRE X
L'INFILTFATION EN ZONE TEMPEREE APPLICATION A LA HAUTE-LYS
RESUME: Desaription du ahcorrp d'appliaation, le bassin de la Haute-Lys, et du modèle maillé de la nappe. Présentation de la méthode adoptée pour identifier les méaanismes d'infiltration. Définition du aonaept de fonation de retard.
1 - POSITION DU PROBLEME
Dans les régions arides, l'un dES grands problèmes de l' hydro-,géologie consiste à évaluer la contribution des crues d'oueds à l'alimentation
des nappes à surface libre. La ressource étant limitée, la connaissance de l'infiltration et de sa variabilité temporelle détermine les possibilités de mise en valeur des eaux souterraines. Dans les régions à climat tempéré, les relations nappe-rivière se posent en des termes différents: les apports aux nappes sont tels que les cours d'eau se trouvent le plus souvent en situation drainante vis-à-vis des aquifères. Lorsqu'une rivière se trouve perchée au-dessus d'une nappe à surface libre, il n'a généralement pas été observé d'alimentation notable par le cours d'eau pérenne
Dans les régions karstiques cependant, des formes d'érosion particulières favorisent d'importantes infiltrations provenant d'écoulements temporaires en surface. Ainsi, C. MEGNIEN (1976, p. 590) estime-t-i1 que l'alimentation de la nappe des Calcaires de Champigny est assurée à environ 80 % à partir des écoulements superficiels temporaires.
Toutefois, le lit des rivières pérennes est le plus souvent colmaté (M. HENRY, 1963), et une infiltration importante y constitue un phénomène accidentel, tel celui noté par H. YOUSSOF (1973) dans l'Escaut.
Il semble donc généralement admis que t'i»6iitn~t~o»
e66iQaQe
de6 p~é~pitation6constitue la ~o~Qe phi»~pale de ~e»ouvettementdes eaux souterraines en zone tempérée. Par comparaison aux régions arides où le facteur décisif du développement est la ressource en eau souterraine, celle-ci est abondante en zone tempérée où, pour la France par exemple, J. MARGAT
(1977) estime qu'il est très difficile de déséquilibrer durablement la plupart des grands systèmes aquifères à surface libre: le facteur limitant est alors le rendement des ouvrages de captages et non la ressource renouve-lable. Cette observation ne s'applique toutefois pas aux nappes profondes captives, si étendues soient-elles (nappe des Calcaires Carbonifères du Nord (H. YOUSSOF, 1973), nappe des Sables Eocènes de la région bordelaise) ni aux nappes libres de faible extension.
Quelles que soient la structure et la dimension de l'aquifère cependant, la définition à long terme des ressources mobilisables dans cet aquifère nécessite que soit analysé avec précision le i:J~OCe6~M
d'a.-U.mentatio»
de la nappe. Deux aspects complémentaires sont à considérer dans cette recherche:
- évalueA
.la.pCVtt des
p~é~pLtatian6qui
.s'i»~iitne et parvient effectivement à la nappe. C'est l'infiltration efficace;- décrire le mécanisme du transfert des masses d'eau entre le moment où elles traversent la surface du sol et celui où elles rejoignent la surface de la nappe. Cela revient à dé.n;nJ.~ .le J1.e;tcUl.d èi.
l'i»6iitnatio».
A ces deux questions: combien d'eau .s'infiltre et comment cette eau percole-t-elle entre le sol et la nappe, nous allons tenter de répondre par une méthode indirecte utilisant à la fois un modèle maillé simulant les écoulements dans l'aquifère saturé, et un modèle de convolution pour simuler le transfert dans la zone non saturée.
Sur l'exemple de la Haute-Lys et après un bref aperçu sur l'hydrogéologie du bassin, nous examinerons les conditions de mise au point d'un modèle de simulation représentant à la fois les écoulements souterrains et superficiels, dont les échanges, directs au niveau des cours d'eau, se font ailleurs par l'intermédiaire du milieu non saturé. Ce dernier est représenté par une boite noire dont on cherchera à déterminer les caracté-ristiques globales à travers l'analyse des mécanismes d'infiltration.
2 - HYDROGEOLOGIE ET MODELISATION DU BASSIN DE LA HAUTE-LYS La Lys, et son affluent la Traxenne, forment à Lugy un bassin versant de 85 km2 (Fig. 53). Ce bassin couvre la nappe de la craie surmontant
les schistes à passées gréseuses du Primaire, réputés imperméables (voir annexe II.5).
S. RAMON (1971) distingue une entité cénomanienne alimentée à
trave~s son toit par le Turonien. La nappe du Turonien émerge dans la vallée sous forme de sources diffuses à tarissement rapide. Les émergences naturelles du Cénomanien sont au contraire à débit régulier et localisées à l'aval de Fruges pour la Traxenne, et de Verchin pour la Lys. Vers le Nord, la nappe cénomanienne se trouve barrée par le Primaire et s'écoule entièrement dans la Lys qui draine ainsi l'ensemble des écoulements superficiels et souterrains du bassin.
L'étude des faciès de la craie et de leurs caractéristiques hydrauliques, réalisée par P. CAULIER (1974), rassemble et interprète la totalité des informations relatives à la craie de la région du Nord.
Utilisant diverses méthodes de correlation entre forages, cet auteur définit différents faciès dans la craie et en délimite l'extension. Au-dessus des argiles du Gault et de la base argileuse du Cénomanien, on peut ainsi déter-miner trois faciès continus dans la Haute-Lys:
- le Cénomanien: alternance de bancs de craie et de marnes;
- le Turonien inférieur: craie plastique très argileuse;
- le Turonien moyen: craie et marnes en alternance.
Cette succession sera précisée sur l'ensemble des forages réalisés par la suite. Les nombreuses diagraphies et les essais au micro-moulinet confirment en particulier le Turonien inférieur comme une zone stérile formant écran entre la nappe du Cénomanien et celle du Turonien.
La surface piézométrique des nappes est soumise à des fluctua-tions importantes (Fig. 54). De ce fait, les limites du bassin versant
souter-rain varient au cours du temps et la construction d'un modële de simulation
~eprésentatifde ce régime non stationnaire nécessite d'étendre la zone
d'investigation jusqu'aux limites hydrauliques du système que sont les cours d'eau des bassins adjacents. Dans les interfluves, ces limites seront
reliées par des lignes de courant de la nappe de la craie.
La zone d'étude étendue atteint près de 350 km2• Les
cours d'eau sont représentés dans le modèle par des drains à niveaux imposés permettant de figurer, en particulier, la mobilité des zones de drainage en tête de rivières: il a en effet été observé sur la Traxenne que les premières émergences pouvaient se déplacer en cas de modification importante du régime hydrogéologique naturel.
Les deux aquifères, Cénomanien et Turonien, sont représentés par deux couches perméables dans lesquelles l'écoulement est bidimensionnel.
Ces deux couches sont reliées par une couche semi-perméable (Turonien inférieur) à travers laquelle prendront naissance des écoulements verticaux régis par la loi de Darcy. L'espace est discrétisé en mailles carrées de taille variable permettant de représenter avec une bonne précision le bassin de la Lys en y affectant de petites mailles, et de représenter le reste du modèle où la précision désirée est moins grande, par des mailles plus larges (Fig. 55) •
Pour le calage des paramètres du modèle, nous renvoyons le lecteur à l'annexe II.G. Le calage des transmissivités est réalisé en régime permanent sur un étiage représenté par l'état de la nappe relevé en Décembre 1971. Une fois déterminées les transmissivités, on ajuste les coefficients d'emmagasinement sur un régime de ~~ement
non in6luencé.
Durant la période de référence pour le calage en transitoire (30 Avril au 30 Octobre 1975), on fait l'hypothèse selon laquelle l'alimen-tation de la nappe est nulle ou négligeable.
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1. FIG. 54 - EVOLUTION PIEZOUETRIQUE DANS LA HAUTE-LYS
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FIG. 55 - MAILLAGE DU MODELE LYS ET P0IIITS DE MESUPES PIEZOMETRIQUES
3 -APPROCHE GLOBALE DE L'INFILTRATION
A la question de savoir quelle part des précipitations partici-pe à l'écoulement, un élément de réponse sera fourni par le calcul d'une
pluie nette à l'aide d'un modêle à réservoir unique de type Thornthwaite.
Nous verrons ensuite quelle part de cette pluie nette s'infiltre et quelle en est celle qui ruisselle.
3.1 DETERMINATION DE LA PLUIE NETI'E SUR LE BASSIN
Pour ce faire, nous avons réalisé le calage d'une
6onction de tnan66ent plule-drblt4
entre la pluie nette sur le bassin et les débits de la Lys. Ceux-ci sont mesurés à Lugy depuis 1970.L'origine des eaux s'écoulant dans la Lys est multiple:
a) en étiage, elle draine la nappe du Cénomanien, partiellement en charge, et elle-même réalimentée par la nappe du Turonien moyen; elle draine également directement cette derniêre. b) en hautes eaux, des sources de débordement de la nappe du Turonien s'ajoutent aux débits du systême précédent. c) enfin, au cours des orages, soit en été, soit en hiver, du ruissellement superficiel peut venir s'ajouter aux débits d'origine souterraine, sans s'être infiltré.
Le temps de transit de la lame d'eau jusqu'à l'exutoire sera différent suivant le mécanisme mis en oeuvre. De plus, une part importante des précipitations est réévaporée et ne participe pas à l'écoulement.
La pluie elle-même est observée à Fruges, sur la Traxenne et à Fiefs, à l'Est du cours amont de la Lys. Par la méthode de Thiessen, on pourra donc calculer une lame d'eau moyenne tombée sur le bassin-versant de la Lys à Lugy.
La méthode proposée consiste à rechercher, par déconvolution, un opérateur ~ liant la pluie P au débit Q:
t
Q(t) =
f
P(T) ~(t-T)dT-00
Le terme P de cette équation représente la pluie nette: c'est la part des précipitations qui participe à l'écoulement total. Dans ces conditions, s'il y a coïncidence parfaite entre les bassins-versants super-ficiel et souterrain, l'aire de la fonction ~ devrait être égale à l'unité si Q et P s'expriment dans les mêmes unités.
Pour déterminer l'entrée du modèle de déconvolution, on calcule la pluie nette en affectant au sol une R.F.U. et en appliquant l'évapotrans-piration potentielle calculée par la formule mensuelle de Thornthwaite.
Ce bilan est réalisé au pas journalier*i le cumul sur le pas de temps du modèle de déconvolution (qui est de 7 jours) est effectué pour donner la pluie nette hebdomadaire.
Connaissant la série des débits Q et des pluies nettes corres-pondantes (Fig. 56 & 57), on cherchera, par déconvolution, un opérateur ~
linéaire et stationnaire, indépendant de l'état du système. On affectera une "mémoire" N au système, c'est à dire que l'on supposera que la pluie tombée à une époque antérieure à la date t-N n'aura plus d'influence sur le système. Différentes valeurs de N sont testées.
L'objectif des calculs effectués est la
neehenehe de la pluie
eo~gée
la mieux adaptée
àla modétiôation
du système. Cela revient à rechercher par approximations successives la valeur de R.F.U. qui permettra la meilleure restitution des débits de la Lys à Lugy. L'E.T.P., qui est l'autre paramètre de la pluie nette, influe peu sur celle-ci. Les divers tests de sensibilité que nous avons réalisés (M. BESBES &G. d~ MARS1LY,~977,a) en utilisant des formules différentes (Turc, par exemple), tendent à le confirmer.
Pour comparer les différents essais réalisés, on considère:
i - La qualité de l'ajustement obtenu, exprimé par l'écart moyen entre débits réels et déhits calculés. Cette comparaison est effectuée d'une part sur la période de calage, d'autre part sur une période non utilisée pour le calage, mais où les débits de la Lys sont connus.
ii - Le degré de signification physique de l'hydrogramme unitaire obtenu que traduisent l'allure de cet hydrogramme et sa superficie A.
Cette superficie peut fournir des indications sur la structure du
* Voir annexe 1.4 pour le principe du calcul.
F1G. 56