Contribution de la modélisation hydraulique en rivière pour la quantification des échanges entre la nappe et la rivière dans un modèle hydrologique

DOI
https://doi.org/10.26047/PIREN.rapp.ann.2009.vol46

L’objectif de cette étude est de contribuer à une meilleure simulation des niveaux d'eau dans le réseau hydrographique à l’échelle régionale afin d'améliorer la simulation des interactions nappe-rivière et de mieux quantifier les niveaux piézométriques dans les aquifères. La méthodologie s’appuie sur la plateforme de modélisation intégrée des hydrosystèmes EAU-Dyssée. La plateforme repose sur le couplage de modèles experts simulant: bilan hydrique, écoulements de surface et souterrain, transfert en zone non saturée, la croissance des plantes et le transport. Nous proposons ici une méthode de changement d’échelle dans laquelle la modélisation fine des processus hydrauliques à haute résolution permet d'améliorer la représentation des profils d’eau en rivière et les interactions nappe-rivière à l'échelle régionale. La méthodologie a été testée dans le bassin versant de l’Oise (sous bassin de le Seine) d’une superficie de 17000 Km2 , pour la période 1989-1995. Nous avons utilisé HEC-RAS pour la modélisation hydraulique (équations de Saint-Venant 1D) sur un tronçon de l’Oise de 188 km. Le calage de ce modèle a été effectué en faisant varier le coefficient de Manning n (1/K) avec pour objectif de reproduire les courbes de tarage observées. L'efficacité du modèle hydraulique est évaluée par les critères statistiques classiques de Nash, RMSE, biais à 5 stations hydrométriques. Une courbe de tarage est définie à partir de la simulation hydraulique à la résolution du modèle HEC, tous les 200m en moyenne. Ces courbes de tarage sont ensuite projetées comme conditions aux limites sur les mailles rivière du modèle régional EAU-Dyssée (résolution de 1 km) afin de simuler la fluctuation du niveau d'eau en fonction du débit routé par le module de routage (RAPID). Les échanges entre les mailles rivière et les nappes (modèle SAM) sont ensuite estimés à partir d’une relation de type loi de Darcy se basant sur les gradients de charge verticaux entre la rivière et la nappe. L’impact de la fluctuation des niveaux en rivière sur les isopièzes a été analysé par rapport à un état de référence pour lequel les niveaux en rivière sont fixes. L’analyse des résultats sur la période de simulation montre un écart moyen des niveaux piézométriques pouvant atteindre 1.9 m pour les mailles souterraines situées sous les mailles rivière. Cet écart est plus important pour l'Eocène que pour la Craie sous-jacente, et il se réduit si l’on considère des mailles souterraines plus éloignées de la rivière. Ce travail montre l'intérêt de l'approche pour mieux évaluer les interactions nappes-rivières à l'échelle régionale avec un faible coût de calcul. Il offre des perspectives intéressantes pour simuler des processus jusque là négligés par le modèle EAU-Dyssée, comme l'élimination de nitrate dans les zones humides qui sont souvent situées à la zone de contact entre les nappes souterraines et la rivière.