Étude théorique des conditions d’écoulements au-dessus d’une nappe drainée par fossé

Nappes superficielles et zones humides : réflexions sur quelques définitions

Le terme de « zone humide » est – entre autre – associé à la présence de nappes superficielles dans un bassin versant. Ces deux notions sont étroitement liées, même si nous allons montrer que les difficultés de définition du terme de « zone humide » sont largement dues au caractère ambigu du qualificatif « superficiel ». En effet, en hydrogéologie, le terme de nappe superficielle ne recouvre pas de notion précise, la qualification même de « superficielle » étant éminemment relative selon les échelles et les phénomènes étudiés. En général, une nappe superficielle est définie comme une nappe libre, dont l’aquifère peut être une formation géologique ou un sol, et dont la surface libre est proche de la surface du sol (quelques cm à dizaines de cm) pendant au moins une période l’année.

A l’échelle des petits bassins versants amonts, on peut ainsi distinguer trois groupes de systèmes de nappes superficielles :

– sur les plateaux, dans le cas de sols ayant un horizon imperméable à faible profondeur (p.e. sols bruns lessivés) des nappes perchées temporaires dont l’origine est essentiellement climatique (excès d’eau de précipitation par rapport aux possibilités de percolation) peuvent être observées en général durant la saison humide. Ces nappes sont contenues dans le premier mètre du sol et n’ont pas forcement d’exutoire identifié ;

– dans le versant, dans le cas de l’existence d’un nappe perchée due à la présence d’un horizon géologique peu perméable, on peut observer des zones d’intumescence de la nappe (mouillères) et/ou des lignes de sources. Dans certains cas (p.e. série d’années particulièrement pluvieuses) ce type de nappe peut s’étendre jusqu’aux zones de plateau ;

– dans les thalwegs ou fonds de vallées, la nappe alluviale est en général permanente, alimentée par l’ensemble du versant et drainée par le réseau de surface (ru, rivières). C’est ce dernier type de système qui sera particulièrement étudié dans le cadre de ce travail.

Les zones humides de fond de vallées sont des infrastructures naturelles présentes de manière diffuse dans les bassins versants amonts d’ordre 1 à 3, encadrant le réseau hydrographique et pouvant occuper des superficies importantes selon le contexte géomorphologique. Mérot et al. (2000) estiment par exemple qu’elles représentent entre 15 et 20 % de la surface des bassins versants amonts dans le grand Ouest.

Tout comme la plupart des terres agricoles, ces zones ont fait l’objet d’une pression d’intensification de la part de l’agriculture depuis quelques décennies. Des opérations de drainage et d’assainissement agricole sont en particulier suspectées d’avoir largement modifié leur caractère humide et leur fonctionnement hydrologique. Or, les zones humides de fond de vallée ont un rôle déterminant dans l’hydrologie des bassins versants, en particulier en tant qu’interface entre les versants et le réseau hydrographique. D’autre part, on confère à ces zones des potentialités «tampons » – c’est à dire susceptibles de jouer un rôle dans la rétention / dégradation de polluants d’origine agricole – au même titre que d’autres infrastructures telles que les haies, les bandes enherbées, les cours d’eaux eux mêmes.

Mais, malgré leur importance, ces zones ne font pas l’objet de mesures de protection, de conservation voire même d’inventaires spécifiques : un des premiers enjeux pour ces systèmes est donc celui de la définition et de la délimitation.

Il existe en effet de très nombreuses définitions de ce qu’est une zone humide, rappelées par exemple par Barnaud (2000). Schématiquement, elles comportent toutes des critères liés à l’hydrologie, à la végétation et à la topographie (localisation).

Sur le plan international, on peut citer à titre d’exemple deux définitions :

– « …toute zone de transition entre les systèmes terrestres et aquatiques où la nappe phréatique est proche de la surface du sol, ou dans laquelle cette surface est recouverte d’eau peu profonde, de façon permanente et temporaire …» (UNESCO / MAR, 1973) ;
– « …des étendues de marais, de fagnes, de tourbières ou d’eaux naturelles ou artificielles, permanentes ou temporaires où l’eau est stagnante ou courante, douce, saumâtre ou salée, y compris des étendues d’eau marine dont la profondeur à marée basse n’excède pas 6 mètres… » (Convention RAMSAR, 1982).

Sur le plan national, le cadre de définition de ces systèmes est la Loi sur l’eau du 03/01/1992 . Elle précise le terme de zone humide dans l’article 2 : « …des terrains exploités ou non, habituellement inondés ou gorgés d’eau douce, salée ou saumâtre de façon permanente ou temporaire. La végétation, quand elle existe, y est dominée par des plantes hygrophiles, pendant au moins une partie de l’année… »

Malgré l’intérêt indiscutable de ces définitions, il faut bien reconnaître leurs limites. Si on ne se place que sur le strict plan hydrologique, les définitions proposées recouvrent a priori des surfaces considérables et des systèmes extrêmement différents (Cf. Fig. Ci. I. 2.). D’autre part, les termes et les concepts employés sont difficilement compatibles avec une analyse opérationnelle des systèmes. Comment en effet quantifier (c.a.d mesurer) les notions de « habituellement inondés », « proche de la surface du sol », « temporaire » ?

Confrontés au même type de questions, les services concernés aux USA ont choisi une option de définition hydrologique quantifiée des zones humides, dans le cadre du Clean Water Act. Le critère retenu a été élaboré à partir du « 1987 U.S Army Corps of Engineers (COE) Wetlands Delineation Manual » et ses différentes mises à jour. Ce critère est le suivant : « …le sol doit être inondé ou saturé durant la période de croissance des végétaux, pour une durée supérieure à 5% (et jusqu’à 12,5%, selon les cas, N.D.R) de cette période. La saturation est considérée comme acquise si la nappe est au moins à 30 cm de la surface. La période de croissance est définie comme la période comprise entre la dernière date où la température de l’air atteint en moyenne 28°F (-2.2 °C, N. D. R) au printemps et la première date où elle atteint cette température en automne… ». Ce critère a été légèrement modifié en 1995 : la présence de la nappe dans les 30 premiers centimètres doit être atteint pendant au moins 14 jours consécutifs durant la période de croissance précédemment définie (Skaggs et al, 1995). Force est de constater que cette série de définitions est particulièrement précise et pragmatique. De nombreuses zones humides ont ainsi été délimitées aux USA avec des contraintes très fortes en matière de gestion, de restauration et de protection. Le principal reproche fait à cette définition tient à son extrême sensibilité au choix des critères de temps de résidence de la nappe. En effet, en imposant le critère « temps de présence de la nappe » à 14 jours consécutifs non plus chaque année mais pour  une période de retour de deux ans, on augmente significativement les surfaces susceptibles d’être des zones humides, et donc de tomber sous le coup du Clean Water Act (Skaggs, communication personnelle).

Quels que soient leurs défauts ou mérites respectifs, les différentes définitions précédemment évoquées ont toutes été motivées par le souci d’identifier les zones à nappes superficielles en tant qu’infrastructures naturelles et de les inscrire à part entière dans les hydrosystèmes. Une fois définies, elles peuvent donc être délimitées et faire l’objet d’une gestion spécifique. En effet, d’importantes fonctions ont été reconnues à ces zones et elles peuvent être contradictoires avec une gestion strictement agronomique. C’est en particulier le cas pour les zones humides de fond de vallée.

Les fonctions des zones humides de fond de vallées

Ces dernières années, le Programme National de Recherche sur les Zones Humides (PNRZH) initié par le Ministère de l’Aménagement du Territoire et de l’Environnement, a permis de fédérer au niveau national les nombreuses recherches menées sur les zones humides. Dans ce cadre, le projet « Typologie Fonctionnelle des Zones Humides de fonds de vallées en vue d’une régulation de la pollution diffuse » (TY-FON, Mérot et al. (2000)) a eu comme objectif de préciser les différentes fonctions remplies par ces infrastructures particulières. Une partie de ce travail a contribué à ce projet et nous en rappelons, dans ce qui suit, les principaux résultats.

Fonctions hydrologiques

Les zones humides de fond de vallées sont en interaction avec l’ensemble du bassin versant. Cette interaction s’exerce à deux niveaux. :

– avec le versant : les zones humides de fond de vallées sont des lieux d’accumulation (stockage) des flux provenant des versants. Ces flux peuvent être superficiels (pluie, ruissellement) ou souterrains (sol, nappe). Cette saturation saisonnière est due à la position topographique de ces zones et en général à la présence en profondeur d’un niveau imperméable de nature pédologique ou géologique ;
– avec le réseau hydrographique : les zones humides de fond de vallées sont le siège de débordements du réseau lors de crues occasionnelles ; d’autre part, c’est le niveau d’eau libre dans le réseau hydrographique qui va en partie contrôler la capacité de drainage du système ; enfin, c’est la nappe présente dans la zone de fond de vallons qui va alimenter le débit d’étiage du cours d’eau du bassin versant.

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Table des matières

Introduction
Avant Propos
Chapitre Introductif. Nappes superficielles et hydrologie des zones humides de fond de vallées. Quels modèles pour quels enjeux ?
I. Nappes superficielles et zones humides : réflexions sur quelques définitions.
II. Les fonctions des zones humides de fond de vallées.
II.1. Fonctions hydrologiques
II.2. Fonctions biologiques et agronomiques
II.3. Fonctions de « zones tampons »
II.4. Synthèse
III. Hydrologie de surface et zones humides de fond de vallées : enjeux et outils
III.1. Hydrologie de surface et nappes superficielles : les approches traditionnelles
III.2. Nouveaux enjeux, nouveaux outils ?
III. 3. Démarche suivie
Chapitre 1. Définition du système. Analyse des principaux modèles hydrauliques de nappe. Principes de l’adaptation des modèles saturés. Modèle SIDRA 2+.
I. Définition du système et conditions aux limites
II. Les différents classes de modèles de nappes.
II.1. Les hypothèses des modèles saturés
II.1.1. Recharge de la nappe (H5 a)
II.1.2. Le concept de porosité de drainage (H5b)
II.2. Simplification des modèles saturés
II.2.1. L’hypothèse DF et le phénomène de suintement (H7a).
II.2.2. Position de l’imperméable. Notion de profondeur équivalente (H7b)
II. 3. Conclusions
III. L’équation de Boussinesq : principes de résolution. Généralisation de l’intégration spatiale
III.1. Etablissement de l’équation de Boussinesq et principes généraux de résolution
III.2. Le potentiel de débit unitaire
III.3. Généralisation de l’intégration spatiale
III.3.1. Cas du régime permanent.
III.3.2. Cas du régime transitoire
III.3.3. Conclusions.
IV. Le modèle SIDRA 2+
IV. 1. Présentation de SIDRA 2+
IV. 2. Prise en compte de l’évapotranspiration
IV. 3. Prise en compte du problème de l’affleurement : simulations exploratoires
IV. 3. 1. Position du problème
IV. 3. 2. Approches traditionnelles de l’affleurement dans les modèles fondés sur l’hypothèse de DF
IV. 3. 3. Evaluation de la longueur d’affleurement en régime transitoire : hypothèses simplificatrices possibles
Mode de gestion choisi dans SIDRA 2 +
IV. 3. 4. Comparaison de calculs de la longueur d’affleurement par SIDRA 2+ et HYDRUS 2D
IV. 3. 5. Conclusions
V. Conclusions
Chapitre 2. Etude théorique des conditions d’écoulements au-dessus d’une nappe drainée par fossé
I. Introduction
II. Steady state analysis of unsaturated flow above a shallow water-table aquifer drained by ditches
(C. Kao, S. Bouarfa, D. Zimmer, J. of Hydrology, 2001, (250), 122-133)
II. 1. Introduction
II. 2. One-dimensional steady state pressure head profile above a fixed water-table.
II. 3. Transition Zone and Capillary Fringe
II. 4. Numerical study of vertical steady infiltration above a fixed water-table
II. 5. Two-dimensional steady pressure head profiles and fluxes above a water-table drained by a ditch
II. 5. 1. Numerical procedure
II. 5. 2. Simulation Results
II.6. Conclusions
III. Evaluation de la part du flux horizontal dans la zone non-saturée dans l’écoulement total : approche analytique
III. 1. Etablissement d’une expression analytique du ratio Rus (x)
III. 2. Comparaison de la prédiction de Rus (xi) à partir de la pente de la nappe calculée par HYDRUS 2D
III. 3. Comparaison de la prédiction de Rus(xi) à partir de la pente de la nappe calculée par l’approche de Dupuit
III. 4. Conclusions
IV. Influence de l’extension latérale du système
V. Conclusions et perspectives : vers le régime transitoire ?
Chapitre 3. Prise en compte du phénomène de suintement dans la détermination de la position de la surface libre de la nappe. Approches analytique, numérique et expérimentale
I. Définitions et état des connaissances
I.1. Cas du drainage par un fossé vide, avec un niveau d’eau amont fixé : solution de Kozeny (1931, cité par Youngs, 1990)
I.2. Cas du drainage par fossés avec recharge pluviométrique constante (Engelund, 1951)
I.3. Conclusions
II. Mise en évidence de la relation débit / hauteur de suintement : approche numérique
II.1. Démarche suivie et outils utilisés
II.1.1. Traitement du suintement dans le code SWMS 2D (HYDRUS 2D)
II.1.2. Traitement du suintement dans la résolution de l’équation de Laplace avec Free Fem 3.0
II.2 Simulations réalisées et résultats
II.2.1 Comparaison avec la relation d’Engelund.
II.2.2. Influence de la taille du système, cas du fossé vide.
II.2.3. Effet des propriétés hydrodynamiques du sol
II.2.4. Effet de l’anisotropie.
II.2.5. Effet d’un niveau d’eau constant dans le fossé
II.3 Conclusions
III. Mise en évidence de la relation débit / hauteur de suintement : approche expérimentale sur modèle physique
III.1 Dispositif expérimental
III.1.1. Principe général
III.1.2. Caractéristiques du sol
III.1.3. Gestion des débits (aspersion et exutoire)
III.1.4. Mesures tensiométriques
III.2 Protocole expérimental, traitement des données
III.2.1. Conditions générales de réalisation des expériences
III.2.2. Traitement des données tensiométriques
III.3 Résultats et discussions
III.3.1. Cas du fossé vide
III.3.2. Cas du niveau d’eau aval (Hw) constant.
III. 4. Conclusions et conséquences en terme de modélisation
Conclusion

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