Etude des relations nappe-rivière en Haute-Normandie, bassin versant de l Austreberthe Modélisations hydrologiques GARDENIA

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1 Etude des relations nappe-rivière en Haute-Normandie, bassin versant de l Austreberthe Modélisations hydrologiques GARDENIA BRGM/RP FR Novembre 2007

2 Etude des relations nappe-rivière en Haute-Normandie, bassin versant de l Austreberthe Modélisations hydrologiques GARDENIA BRGM/RP FR Novembre 2007 Étude réalisée dans le cadre des opérations de recherche EAU-R18 L. Arnaud Vérificateur : Nom : Stollsteiner P. Date : 23 novembre 2007 Approbateur : Nom : Pasquet J.-F. Date : 23 novembre 2007 Signature : Signature :

3 Mots clés : Aquifère crayeux, Bilan hydrologique, Modélisation Gardénia, Pluie efficace, Recharge, Relation nappe-rivière, Ruissellement, Austreberthe, Blacqueville, Seine-Maritime, Haute-Normandie. En bibliographie, ce rapport sera cité de la façon suivante : Arnaud L. Etude des relations nappe-rivière en Haute-Normandie Modélisations GARDENIA. Rapport BRGM/RP FR, 55 p., 26 ill., 2 ann. BRGM, 2007, ce document ne peut être reproduit en totalité ou en partie sans l autorisation expresse du BRGM.

4 Synthèse Dans le but d approfondir la connaissance relative aux relations nappe-rivière en Haute-Normandie, l Agence de l Eau Seine-Normandie (AESN) et le BRGM se sont associés dans le cadre d un projet de recherche. La méthodologie proposée par le brgm se décompose en deux approches complémentaires : une approche par modélisation hydrologique globale du bassin versant, objet du présent rapport ; une approche par traçages isotopiques qui devrait permettre d évaluer la nature des relations entre les nappes, les sources et la rivière (Rapport BRGM/RP FR). Le Comité de Pilotage du projet, constitué de l AESN, de la DIREN Haute-Normandie et du BRGM a, dans un premier temps, décidé de tester la méthodologie sur le bassin versant de l Austreberthe (Seine-Maritime). Des modélisations satisfaisantes (pluie-débit et pluie-niveau) ont pu être obtenues pour le bassin versant de l Austreberthe. Les différents termes du bilan hydrologique moyen calculé sur la station de jaugeage de Saint-Paër, permettent de tirer les enseignements suivants : les précipitations efficaces annuelles moyennes sont de l ordre de 375 mm. Cette valeur est cohérente avec la cartographie nationale des pluies efficaces élaborée par le MEDAD sur la période ; avec un débit de fuite négligeable (prélèvements non restitués au bassin versant + écoulement souterrain au droit de la station de jaugeage), le bilan hydrologique ne fait apparaître aucun déséquilibre quantitatif du bassin versant ; la contribution moyenne des écoulements souterrains lents au débit de l Austreberthe est de l ordre de 90 %. Cette contribution moyenne est en accord avec les travaux actuellement menés par l Université de Rouen. En période d étiage (juillet à octobre), le cours d eau est quasi-exclusivement alimenté par les eaux souterraines. En période hivernale (décembre à mars), même si la contribution du ruissellement augmente, l alimentation de l Austreberthe par les eaux souterraines reste prépondérante (en moyenne entre 86 et 89 %). Des écoulements rapides significatifs ne sont observés sur le bassin versant que lors des hivers exceptionnellement pluvieux où leur contribution peut alors atteindre entre 20 et 30 %. En ce qui concerne les deux campagnes de prélèvements réalisées dans le cadre des traçages isotopiques, en novembre 2006 et en mai 2007, le modèle semble indiquer une contribution des écoulements lents à l alimentation de l Austreberthe sensiblement identique : respectivement 98 et 96 %. BRGM/RP FR Rapport final 3

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6 Sommaire 1. Introduction Contextes géologique et hydrogéologique du bassin versant de l Austreberthe SITUATION GEOGRAPHIQUE CONTEXTE GEOLOGIQUE RESSOURCES EN EAU SOUTERRAINE L aquifère crayeux L exploitation de la ressource Modélisations GARDENIA LE MODELE HYDROLOGIQUE GLOBAL GARDENIA DU BRGM Principe du modèle Fonctionnement du modèle Equations du bilan hydrologique APPLICATION AU BASSIN VERSANT DE L AUSTREBERTHE Les données d entrée Les données de sortie Le calage du modèle Bilan hydrologique moyen Contribution des écoulements lents Conclusions Bibliographie...45 BRGM/RP FR Rapport final 5

7 Liste des illustrations Illustration 1 Carte de localisation du bassin versant de l Austreberthe (en hachuré) Illustration 2 Modèle Numérique de Terrain pour le bassin versant de l Austreberthe (source : IGN) Illustration 3 Carte géologique au 1 / au droit du bassin versant de l Austreberthe (carte n 76 Yvetot, 1974, BRGM ) Illustration 4 Extension des terrains crétacés (extrait de la notice de la carte n 76 Yvetot, 1974, BRGM ) Illustration 5 Carte piézométrique sur le bassin versant de l Austreberthe à l échelle du 1 / (BRGM, 1990) Illustration 6 Evolution des prélèvements en eau sur le bassin versant de l Austreberthe entre 1994 et 2005 (source AESN) Illustration 7 Représentation schématique des éléments du bilan hydrologique d un bassin versant Illustration 8 Fonctionnement du modèle hydrologique GARDENIA pour la simulation du débit d'un cours d'eau ou d'un niveau piézométrique (Schéma classique) Illustration 9 Localisation des différentes stations de mesures disponibles sur le bassin versant Illustration 10 Répartition annuelle des précipitations et de l ETP sur la station climatique de Rouen-Boos (source : Météo France) Illustration 11 Répartition de la pluie efficace annuelle moyenne ( ) sur le bassin versant de l Austreberthe (source : MEDAD) Illustration 12 Graphe des double cumuls pour les stations climatiques d Auzebosc et de Boos (source : Météo France) Illustration 13 Caractéritiques des 2 stations de jaugeage suivies par la DIREN Haute- Normandie Illustration 14 Graphique de corrélation entre les lames d eau journalières ruisselées à Saint-Paër et à Duclair Illustration 15 Graphique de double cumul pour les lames d eau ruisselées à Saint- Paër et à Duclair Illustration 16 Débits caractéristiques de l Austreberthe à la station hydrologique de Saint-Paër (source : DIREN Haute-Normandie) Illustration 17 Hauteur d eau précipitée à Rouen et débits de l Austreberthe en 2001 (au pas de temps journalier) Illustration 18 Chronique piézométrique sur Blacqueville de 1968 à Illustration 19 Visualisation sur la période du calage pluie-débit de l Austreberthe à Saint-Paër sur la période (en bleu : la part des écoulements lents) BRGM/RP FR Rapport final

8 Illustration 20 Reconstitution des débits de l Austreberthe à Saint-Paër depuis 1979 (en bleu : la part des écoulements lents)...34 Illustration 21 Visualisation sur la période du calage pluie-niveau à Blacqueville sur la période Illustration 22 Bilans hydrologiques annuels moyens calculés pour chacune des modélisations sur la période Illustration 23 Représentation schématique du bilan hydrologique à Saint-Paër...37 Illustration 24 Contributions des écoulements souterrains lents au débit de l Austreberthe au pas de temps mensuel ( )...38 Illustration 25 Evolution des paramètres hydro-climatiques pour le cycle hydrologique Illustration 26 Synthèse des données piézométriques et hydrologiques pour les deux campagnes de prélèvements...41 Liste des annexes Annexe 1 Compte-rendu du calage de la modélisation pluie-débit sous GARDENIA...47 Annexe 2 Compte-rendu du calage de la modélisation pluie-niveau sous GARDENIA...51 BRGM/RP FR Rapport final 7

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10 1. Introduction Dans le but d approfondir la connaissance relative aux relations nappe-rivière en Haute-Normandie, l Agence de l Eau Seine-Normandie (AESN) et le BRGM se sont associés dans le cadre d un projet de recherche. La méthodologie proposée par le BRGM se décompose en deux approches complémentaires : une approche par modélisation hydrologique globale du bassin versant, objet du présent rapport ; une approche par traçages isotopiques qui devrait permettre d évaluer la nature (qualitativement et éventuellement quantitativement) des relations entre les nappes (aquifère crayeux, nappe d accompagnement), les sources et la rivière. Dans le but d étudier l impact des variations saisonnières sur ces relations (contribution de la nappe à l écoulement de la rivière à l étiage), deux campagnes de mesures ont être menées (Rapport BRGM/RP FR). Le Comité de Pilotage du projet, constitué de l AESN, de la DIREN Haute-Normandie et du BRGM a, dans un premier temps, décidé de tester la méthodologie sur le bassin versant de l Austreberthe (Seine-Maritime). Les modélisations hydrologiques (pluie-débit et pluie-niveau) ont été réalisées à l aide du logiciel GARDENIA, développé par le BRGM. L objectif principal de ces modélisations est ici de différencier les deux composantes de l écoulement : celle rapide que l on peut assimiler au ruissellement superficiel et aux écoulements karstiques ; celle lente que l on peut assimiler à la composante lente des écoulements souterrains (milieux poreux et fissurés), c est-à-dire à la contribution des aquifères au débit des rivières. Après une présentation des contextes géologique et hydrogéologique du bassin versant étudié, il sera procédé à la description et à l analyse critique des données utilisées. La présente étude repose sur les données issues des différentes stations de mesures disponibles (données climatiques, piézométriques, hydrologiques et de prélèvements). Enfin, les résultats obtenus seront commentés et plus particulièrement détaillés pour les périodes correspondant aux deux campagnes de prélèvements relatives à l approche isotopique. BRGM/RP FR Rapport final 9

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12 2. Contextes géologique et hydrogéologique du bassin versant de l Austreberthe 2.1. SITUATION GEOGRAPHIQUE En rive droite de la Seine, le point de confluence de l Austreberthe et du fleuve est situé sur la commune de Duclair, au sommet de la troisième boucle de la Seine à partir de l estuaire (Illustration 1). Illustration 1 Carte de localisation du bassin versant de l Austreberthe (en hachuré) L Austreberthe prend sa source sur la commune de Sainte-Austreberthe. Son seul affluent pérenne est le Saffimbec (rive droite), ce dernier prend naissance au niveau de résurgences karstiques, sur la commune de Limésy. Le point de confluence des deux cours d eau est situé sur la commune de Pavilly. La superficie du bassin versant hydrographique de l Austreberthe est de 215 km². L altitude moyenne du bassin versant est de 126 m NGF avec une altitude minimale de 3 m NGF et une altitude maximale de 179 m NGF (Illustration 2). BRGM/RP FR Rapport final 11

13 Illustration 2 Modèle Numérique de Terrain pour le bassin versant de l Austreberthe (source : IGN) 2.2. CONTEXTE GEOLOGIQUE D après la carte géologique à 1/ n 76 Yvetot (1974, BRGM ) et les données BSS (Banque de données du sous-sol gérée par le BRGM et accessible au public), le sous-sol du bassin versant de l Austreberthe est composé d une superposition de plusieurs formations, avec du sommet vers la base (Illustration 3) : des limons non différenciés (notation LP ; Illustration 3) couvrant le sommet des plateaux ; un deuxième ensemble de formations superficielles, constitué d argiles résiduelles à silex (notation RS ; Illustration 3) provenant de l altération de la craie sous-jacente. Ces dépôts semblent présenter une épaisseur variant de 12 BRGM/RP FR Rapport final

14 quelques mètres à 10 mètres sur le bassin versant étudié. Les Argiles à silex affleurent en tête des vallons secs du bassin versant ainsi que sur les différents versants ; un substratum composé de craies : - la craie blanche du Santonien (notation C5) affleurant sur les versants de l Austreberthe dans sa partie aval (au Sud de Pavilly). Sa puissance est variable, elle est de 30 à 40 m près de Barentin et Pavilly ; - la craie blanche grisâtre du Coniacien (notation C4) affleurant également dans la basse vallée de l Austreberthe ; - la craie grise blanchâtre à rares silex du Turonien (notation C3) affleurant dans les vallées du Saffimbec et de l Austreberthe en amont de Pavilly. Son épaisseur varie entre 40 et 80 m sur la partie amont du bassin versant ; - craie grise glauconieuse à silex du Cénomanien moyen et supérieur (notation C2) qui n affleure que dans la vallée du Saffimbec. L épaisseur de cet ensemble est de 30 à 35 mètres. D un point de vue structural, la partie amont du bassin versant de l Austreberthe est traversé par un système complexe de failles et de flexures prolongeant la faille de la Seine (Illustrations 3 et 4) : une faille reliant Sainte-Austreberthe et Pavilly (de direction varisque) recoupe la haute vallée de l Austreberthe et présente un rejet de 70 m. Trois failles, de direction armoricaine, ont été reconnues au nord-ouest de Pavilly, la faille nord recoupe la vallée du Saffimbec et présente un panneau nord-est affaissé et un rejet de 20 à 30 m près de Pavilly et probablement de 70 à 80 m près de Mesnil- Panneville. Les deux failles méridionales présentent au contraire des panneaux sudouest affaissés avec un rejet total évalué à environ 200 mètres. Ce dernier secteur est finalement intercalé entre deux régions séparées par la faille de la Seine et son prolongement : une région nord relevée et une région sud abaissée (Cf. Illustration 4). BRGM/RP FR Rapport final 13

15 Etude des relations nappe-rivière en Haute-Normandie Modélisations GARDENIA Illustration 3 Carte géologique au 1 / au droit du bassin versant de l Austreberthe (carte n 76 Yvetot, 1974, BRGM ) 14 BRGM/RP FR Rapport final

16 Etude des relations nappe-rivière en Haute-Normandie Modélisations GARDENIA Illustration 4 Extension des terrains crétacés (extrait de la notice de la carte n 76 Yvetot, 1974, BRGM ) 2.3. RESSOURCES EN EAU SOUTERRAINE L aquifère crayeux La principale ressource en eau souterraine du bassin versant de l Austreberthe est l aquifère crayeux. Quelques rares ouvrages captent tout de même la nappe alluviale ( 2.3.2). La craie est une roche carbonatée résultant du dépôt marin de boues et de coquilles de micro-organismes. Pour différentes raisons géologiques (tectoniques, variations climatiques...), la craie a été affectée par de nombreux accidents (failles, fissures...) et soumise à des altérations dont l'un des résultats est le développement de réseaux karstiques. La craie est ainsi un milieu mixte : poreux, fissuré, et «karstique». Lorsque la craie est compacte (sous les plateaux et à grande profondeur), les eaux s écoulent dans les pores intergranulaires qui ont des dimensions de l ordre du micron. Les valeurs de perméabilité sont égales ou inférieures à m/s. Les vitesses de circulation de la nappe sont alors de l ordre de 1 à 10 mètres par an. Dans les vallées sèches et humides, des fissures d ouverture millimétrique voire centimétrique affectent ce milieu, mais il est encore assimilable à un milieu poreux car les écoulements ont un BRGM/RP FR Rapport final 15

17 régime laminaire et respectent la loi de Darcy. Les perméabilités ont alors des valeurs comprises entre et m/s. Les vitesses d écoulement peuvent atteindre plusieurs dizaines et même plusieurs centaines de mètres par an. Lorsque l ouverture des fissures s agrandit et que les conditions de charge le permettent, le régime d écoulement devient turbulent, avec des vitesses atteignant plusieurs centimètres à la seconde. Les écoulements obéissent à d autres lois que celles de Darcy et parfois à d autres conditions (flux) que les conditions de pression. Ces réseaux sont connus dans toute la région recouverte par la craie, mais ils n intéressent que certains talwegs, certaines vallées sèches et humides, et n occupent qu une petite partie de l aquifère. Des opérations de traçages menées sur le bassin versant de l Austreberthe et du Saffimbec ont mis en évidence de telles circulations karstiques. Sur l Illustration 5 (carte piézométrique), les flèches vertes représentent les traçages positifs et les points rouges représentent les bétoires (pertes karstiques). Ces données sont issues de l inventaire pilote bétoires-traçages réalisé par le BRGM en 2004 (Rapport BRGM/RP FR). Il est rappelé que cet inventaire pilote, préalable à un futur inventaire régional, n est pas exhaustif. Sur le bassin versant, la surface piézométrique de la nappe épouse fortement la morphologie du sol (Illustration 5) qui dépend en partie de la répartition de la fissuration de la craie. Elle forme des dômes d alimentation sous les plateaux où l aquifère peu fissuré a une fonction capacitive, et des dépressions dans les zones fissurées drainantes à fonction transmissive (vallées humides et sèches, réseaux «karstiques»). La nappe s écoule par gravité depuis le sommet des plateaux vers les sources et les cours d eau du Saffimbec et de l Austreberthe (Cf. figures de drainance sur la carte piézométrique ; Illustration 5). Ces deux cours d eau sont donc alimentés en grande partie par l apport des eaux souterraines, notamment en période d étiage (règle générale en Haute-Normandie). L Illustration 5 présente également la délimitation du bassin versant souterrain de l Austreberthe, tracé à partir de la carte piézométrique départementale (BRGM, 1990). Aucun échange souterrain (via le réseau karstique notamment) n étant reconnu avec les bassins versants souterrains, le bassin versant hydrogéologique reste très proche du bassin versant hydrographique (délimitation plus lissée pour une superficie de 203 km²). 16 BRGM/RP FR Rapport final

18 Illustration 5 Carte piézométrique sur le bassin versant de l Austreberthe à l échelle du 1 / (BRGM, 1990) L exploitation de la ressource La ressource en eau souterraine concernait 99 % des prélèvements sur le bassin versant de l Austreberthe en 2005 (Illustration 6). Aujourd hui, il ne subsiste qu un seul captage en rivière : celui de la société Gailliard à Barentin. BRGM/RP FR Rapport final 17

19 Après une décroissance des prélèvements entre 1994 et 1998, on constate une nette augmentation en 1999/2000, à attribuer aux prélèvements industriels. En 2005, les prélèvements destinés à l alimentation en eau potable représentaient de l ordre de 60 % des prélèvements du bassin. Ils se font par l intermédiaire de 3 forages : le forage de Limesy (indice BSS n 00767X0021) ; le forage de Duclair (indice BSS n 00992X0197) ; le forage de Sierville (indice BSS n 00767X0020). Certains des ouvrages industriels exploitent la nappe alluviale (ex. de la société BADIN). Enfin, aucun prélèvement agricole n est connu par l AESN dans l emprise du bassin versant de l Austreberthe Volume annuel (m3) Prélèvements totaux Prélèvements en nappe Prélèvements AEP Prélèvements industriels Année Illustration 6 Evolution des prélèvements en eau sur le bassin versant de l Austreberthe entre 1994 et 2005 (source AESN) 18 BRGM/RP FR Rapport final

20 3. Modélisations GARDENIA 3.1. LE MODELE HYDROLOGIQUE GLOBAL GARDENIA DU BRGM Principe du modèle Le modèle hydrologique global GARDENIA (Thiery, 2003) est un modèle hydrologique global développé par le BRGM. Ce logiciel simule le cycle de l eau (Illustration 7), depuis les précipitations sur le bassin versant jusqu au débit à l exutoire d une rivière (ou d une source) ou au niveau ponctuel d un aquifère (niveau piézométrique). Illustration 7 Représentation schématique des éléments du bilan hydrologique d un bassin versant Ce modèle est global, car il considère des «données d entrée» globales en pluie et évapotranspiration potentielle et une sortie unique qui est, suivant le cas, le débit à l exutoire ou le niveau piézométrique en un point de la nappe sous-jacente. GARDENIA simule le cycle de l eau par plusieurs réservoirs en cascade. BRGM/RP FR Rapport final 19

21 Fonctionnement du modèle Plusieurs schémas hydrauliques peuvent être utilisés : le schéma type GARDENIA au sens strict avec son module de production propre. Plusieurs configurations sont possibles avec notamment 1 (Illustration 8) ou 2 réservoirs souterrains. Dans la présente étude, nous avons utilisé la configuration avec un seul réservoir. Dans la configuration à 1 réservoir souterrain, les 3 réservoirs représentent schématiquement : - la zone superficielle du sol sujette à la reprise par évaporation ; - la zone non saturée siège des écoulements rapides (Ruissellement et composante rapide des écoulements karstiques) ; - la zone saturée siège des écoulements lents de l aquifère ; le schéma mixte type GARDENIA avec le module de production type GR4 ; le schéma type GR4 développé par Edijatno et Michel (1989). Les échanges entre les réservoirs sont définis par des fonctions de transfert faisant intervenir une dizaine de paramètres globaux (réserve utile, temps de tarissement, etc.) définis pour un bassin versant ou une entité homogène au sein d un bassin versant. Pour initialiser l état de remplissage des réservoirs, il est nécessaire, en modélisation hydrologique globale, de prendre en compte une période d initialisation. Celle-ci doit être d autant plus longue que l inertie ou «mémoire» de l aquifère est grande. Cela suppose de disposer de chroniques de pluie et d'etp sur une période aussi longue que possible antérieurement à la période de calage. Le calage du modèle consiste à ajuster au mieux les données d entrée (pluie, ETP) et les données de sortie (débit ou niveau piézométrique) avec un jeu de paramètres aussi réaliste que possible, calé sur l'exploitation de l'ensemble des données disponibles. Ce calage s effectue par une méthode semi-automatique. L utilisateur fournit un jeu de paramètres initiaux, donne des bornes de variations plausibles pour chacun d'eux et indique ceux qui doivent être optimisés. L'optimisation concomitante des différents paramètres est effectuée selon un algorithme non-linéaire adapté de la méthode de Rosenbrock. Le logiciel teste des valeurs de ces paramètres jusqu à trouver un jeu fournissant la meilleure adéquation entre séries calculées et observées. Ce calage s effectue sous le contrôle de l utilisateur qui peut le contraindre, notamment par la fixation des valeurs de certains paramètres ou de bornes plausibles. Une fois calé, le modèle peut être utilisé pour : Etablir un bilan hydrologique, et/ou vérifier la cohérence entre les différentes données (pluie, ETP, débit et/ou niveau), en permettant notamment, dans une certaine mesure, de différencier les deux composantes de l écoulement : - celle rapide que l on peut assimiler au ruissellement superficiel et à la composante rapide des écoulements karstiques ; - celle lente que l on peut assimiler à la composante lente des écoulements souterrains ; 20 BRGM/RP FR Rapport final

22 Simuler des débits ou des niveaux résultant d'épisodes climatiques exceptionnels. Ces simulations permettent le dimensionnement d'ouvrages tels que retenues pour l'irrigation, aménagements de sources, fondations de bâtiments, niveaux de sous-sol, dimensionnement d'ouvrages hydrauliques pour l'évacuation des crues ou pour la régulation des débits (barrages), etc ; Faire une extension de débits ou de niveaux piézométriques sur une période pendant laquelle on possède les données d entrée mais pas de débit et/ou de niveau piézométrique ; Réaliser une prévision de débits ou de niveaux piézométriques. Il est possible de prolonger une série observée pour les semaines, mois ou années à venir en considérant différents scénarii possibles (étiage, niveau piézométrique de hautes eaux, changement climatique, ) ; Reconstituer des valeurs manquantes dans une chronique de débits (rivière ou source), ou de niveau piézométrique (nappe). Les séries ainsi complétées peuvent être utilisées dans d'autres calculs ou modélisations. Charge Pluie - Niveau piézométrique BASSIN DE PROVINS Date GARDENIA R= =Observé =Simulé Pluie - Débit. Ecoulement souterrain lent Illustration 8 Fonctionnement du modèle hydrologique GARDENIA pour la simulation du débit d'un cours d'eau ou d'un niveau piézométrique (Schéma classique) BRGM/RP FR Rapport final 21

23 Equations du bilan hydrologique L exploitation des modèles hydrologiques globaux GARDENIA pluie débit et pluie niveau piézométrique permet de quantifier les différents termes du bilan hydrologique. Les équations du bilan hydrologique global pluie débit sont les suivantes : avec : PLUIE = E TR + PEF PEF = Q RAP QRivière = + Q SOUT + dsto ( QRAP + QSOUT ) + QEchange PLUIE ETR PEF Q RAP Q SOUT Q Echange Lame d eau précipitée sur le bassin Lame d eau évapotranspirée sur le bassin Hauteur de pluie efficace ou écoulement global Lame d eau écoulée rapide (Ruissellement superficiel + écoulement karstique rapide) Lame d eau écoulée correspondant à l écoulement souterrain lent Lame d eau écoulée correspondant au débit d échange avec d autres systèmes hydrologiques Q Q Echange Echange > 0 si apport extérieur au bas < 0 si sortie d' eau bassin sin Dans les modélisations hydrologiques globales pluie niveau piézométrique le niveau piézométrique est déduit de la hauteur d eau dans le réservoir souterrain (G) par la relation : G NP = + SG NB avec : NP G SG NB Niveau piézométrique Hauteur d eau dans le réservoir souterrain Coefficient d emmagasinement global Niveau de base (niveau qui serait atteint en l absence totale d alimentation au bout d un temps infini) 22 BRGM/RP FR Rapport final

24 On peut ainsi différencier deux types d écoulements : o les écoulements rapides, c'est-à-dire le ruissellement superficiel et la composante rapide des écoulements karstiques ; o les écoulements lents constitués principalement des écoulements souterrains. C est ce que nous assimilerons à la contribution des aquifères au débit des rivières (aux écoulements karstiques près). Ces termes «lent» et «rapide» doivent être relativisés en fonction notamment de la taille du bassin versant et du pas de temps de calcul. Les termes du bilan hydrologique peuvent être calculés à des pas de temps différents. La signification et l utilisation des différents paramètres de GARDENIA sont explicités dans le tableau ci-dessous : Paramètres Unité Dénomination BV km² Surface du bassin versant Débit d'échange m 3 /s Débit d échange avec d autres systèmes hydrologiques Q > 0 si apport extérieur au bassin Q Echange Echange < 0 si sortie d' eau bassin Coef. PLUIE % Coefficient correcteur de la pluie Coef. ETP % Coefficient correcteur de l'etp RUMAX mm Capacité de rétention maximale du sol RUMAX_PROG mm Capacité de la réserve superficielle Progressive, cette alternative à la RUMAX permet de rendre compte des variations de l ETP en fonction du taux d humidité du sol. Dans notre cas, de meilleurs calages ont été obtenus avec la prise en compte de ce paramètre. RUIPER mm Hauteur d'égal ruissellement percolation THG Pas de temps Temps de demi-percolation TG1 Pas de temps Temps de demi tarissement rapide du réservoir souterrain 1 TG1_2 Pas de temps Temps de demi-transfert entre les réservoirs souterrains 1 et 2 TG2 Pas de temps Temps de demi-tarissement lent du réservoir souterrain 2 Coef. Ajustement Sans unité Coefficient d'ajustement Pondération Sans unité Pondération des débits (0=non, 1=oui) BRGM/RP FR Rapport final 23

25 3.2. APPLICATION AU BASSIN VERSANT DE L AUSTREBERTHE L Illustration 9 permet de localiser les différentes stations de mesures utilisées dans le cadre de la présente étude. Illustration 9 Localisation des différentes stations de mesures disponibles sur le bassin versant 24 BRGM/RP FR Rapport final

26 Les données d entrée Il est rappelé que les données d entrée du modèle hydrologique global GARDENIA sont, pour cette étude, les données de précipitations et d ETP. Les données climatologiques utilisées ont été récupérées auprès de Météo France pour la station de Rouen-Boos sur la plus longue période possible, à savoir du 01/03/1968 au 30/06/2007. Cette station enregistre la mesure des précipitations et des paramètres climatologiques permettant le calcul des valeurs de l ETP. Le calcul de l ETP, réalisé par Météo France, repose sur l utilisation de la méthode de Penman-Monteih, au pas de temps journalier. Il s agit du poste climatique avec mesure de l ETP le plus proche du bassin étudié. L Illustration 10 représente les cumuls annuels (année civile) des précipitations et de l ETP obtenus à la station de Rouen Boos sur la période 1969/2006. Pour ce qui est des précipitations annuelles, on enregistre une valeur minimale de 482 mm en 1976, une valeur maximale de mm en 2000 pour une moyenne inter-annuelle de 821 mm. Sur les dernières décennies, ce graphique montre : des années particulièrement sèches en 1971, 1976 et 1989 avec des précipitations annuelles inférieures à 600 mm ; et des années très humides en 1981, 1993, 1999, 2000 et 2001 avec des précipitations annuelles supérieures à mm Précipitations ETP Hauteur (mm) Année Illustration 10 Répartition annuelle des précipitations et de l ETP sur la station climatique de Rouen-Boos (source : Météo France) BRGM/RP FR Rapport final 25

27 Quelques rares lacunes d information ont été constatées au niveau des mesures quotidiennes de l ETP, la série a été reconstituée à partir de la moyenne inter-annuelle du pas de temps (aucune lacune pour les précipitations). Dans le cadre de la gestion d une ressource en eau souterraine, il est nécessaire de différencier les précipitations d hiver (entre octobre et avril) des précipitations d été (entre mai et septembre) : les précipitations d hiver donnent lieu à une précipitation efficace qui alimente les nappes. Les précipitations d été ne produiront pas de précipitations efficaces (sauf évènement pluvieux exceptionnels) mais seront utiles pour l agriculture dont les besoins sont alors maximums. Les modélisations pluie-débit et pluie-niveau permettront ultérieurement d évaluer mois par mois la pluie efficace sur le bassin versant. Néanmoins, en première approximation, on peut se référer à la carte de France des précipitations efficaces annuelles moyennes élaborée par le MEDAD sur la période (Illustration 11). Sur le bassin versant de l Austreberthe, la lame d eau moyenne annuelle des précipitations efficaces se répartit en 2 grands domaines : de 300 à 350 mm sur la partie aval du bassin ; de 350 à 400 mm sur la partie amont. Illustration 11 Répartition de la pluie efficace annuelle moyenne ( ) sur le bassin versant de l Austreberthe (source : MEDAD) 26 BRGM/RP FR Rapport final

28 Il apparaît que les précipitations sont significativement plus importantes sur l ensemble du bassin versant de l Austreberthe qu au droit de la commune de Boos (station climatique utilisée). Les précipitations mensuelles moyennes des postes d Auzebosc (implanté à l ouest du bassin et plus proche de la zone d étude) et de Boos ont été comparées par la méthode des doubles cumuls (Illustration 12). Cette dernière méthode, propre à l hydrologie, compare plusieurs échantillons acquis à différentes stations afin de déceler une éventuelle hétérogénéité. Le principe de la méthode consiste à vérifier la proportionnalité de la somme des valeurs mesurées aux deux stations. Cumul des précipitations mensuelles moyennes à Boos (mm) y = x R 2 = Cumul des précipitations mensuelles moyennes à Auzebosc (mm) Illustration 12 Graphe des double cumuls pour les stations climatiques d Auzebosc et de Boos (source : Météo France) L utilisation de la station de Boos reste justifiée compte tenu des bonnes corrélations obtenues avec la station d Auzebosc (Illustration 12). Comme annoncé précédemment, un coefficient de correction global compris entre 10 et 15% devra, cependant, être affecté aux valeurs de pluie (coefficient optimisé par le modèle) Les données de sortie Données de débits : Les valeurs de débits moyens journaliers de l Austreberthe sont disponibles au droit de deux stations hydrométriques de la DIREN Haute-Normandie : une station à Duclair et une à Saint-Paër. Les fiches signalétiques de ces stations sont consultables sur internet ( BRGM/RP FR Rapport final 27

29 Station Début suivi Fin de suivi Superficie BV (km²) Duclair 01/06/ /02/ Saint-Paër 27/02/1997 En cours 157 Illustration 13 Caractéritiques des 2 stations de jaugeage suivies par la DIREN Haute- Normandie Une analyse critique de ces données a été effectuée par l intermédiaire d études de corrélation et des doubles cumuls sur la période commune d observation (du 27/02/1997 au 04/02/1999). Le graphique de corrélation des lames d eau ruisselées montre un nuage élargi par suite d une série de valeurs. Le graphique des doubles cumuls montre, lui, une cassure entre le 17/06/1997 et le 06/01/1998 (Illustrations 13 et 14). La DIREN a pu nous fournir l origine de cette discordance entre les 2 séries de données : la crue du 16 juin 1997 a provoqué la rupture du pont situé à l amont immédiat de la station de Duclair et donc une modification importante de l écoulement local de l Austreberthe (détarage de plus de 10 cm). Au-delà de cet incident, la DIREN accorde plus de fiabilité à la station de Saint-Paër, en particulier en période de crue où le pont était fréquemment submergé à Duclair. En définitive, compte tenu des observations faites précédemment et des précisions apportées par la DIREN, il a été décidé de réaliser la modélisation pluie-débit à partir des données issues de la station de jaugeage de Saint-Paër. 28 BRGM/RP FR Rapport final

30 Lame d'eau journalières ruisselées à Saint-Paër (mm) Lame d'eau journalières ruisselées à Duclair (mm) Illustration 14 Graphique de corrélation entre les lames d eau journalières ruisselées à Saint- Paër et à Duclair 600 Cumul des lames d'eau ruisselées à Saint- Paër (mm) /01/ /06/ Cumul des lames d'eau ruisselées à Duclair (m m) Illustration 15 Graphique de double cumul pour les lames d eau ruisselées à Saint-Paër et à Duclair BRGM/RP FR Rapport final 29

31 Les débits caractéristiques de l Austreberthe à Saint-Paër sont reportés dans le tableau suivant : Définition Valeur (m3/s) Débit journalier moyen 1,88 Débit journalier minimal 0,95 (03/10/1997) Débit journalier maximal 11.2 (26/12/99) Débit instantané maximal 18.7 (11/05/00) Illustration 16 Débits caractéristiques de l Austreberthe à la station hydrologique de Saint-Paër (source : DIREN Haute-Normandie) 0 janv.-01 avr.-01 juil.-01 oct.-01 févr.-02 mai-02 août-02 déc.-02 mars-03 juin-03 sept.-03 janv.-04 avr.-04 juil.-04 nov.-04 févr.-05 mai-05 août-05 déc Hauteur d'eau précipitée (mm) Débit de l'austreberthe à Saint-Paër (l/s) Illustration 17 Hauteur d eau précipitée à Rouen et débits de l Austreberthe en 2001 (au pas de temps journalier) Comme conclu par la DIREN Haute-Normandie lors de l étude de la vallée sèche du Paulu (bassin versant de l Austreberthe), l Illustration 16 montre que la précipitation journalière n est pas un critère suffisant pour expliquer le ruissellement sur ce bassin versant. Le taux de saturation du sol semble, en effet, jouer un rôle déterminant dans 30 BRGM/RP FR Rapport final

32 le déclenchement de crues importantes. Ce graphique permet également de constater que le débit observé est composé d un débit de base (écoulement souterrain) très prononcé et de débits de crue de durée très courte. Ces derniers correspondent au ruissellement superficiel se produisant lors d épisodes pluvieux importants, notamment sur les zones imperméabilisées. Les précipitations ponctuellement importantes en 2004 et 2005 n ont engendré aucune crue significative, ceci peut s expliquer par une non atteinte de la saturation des sols du bassin versant lors de cette succession d hivers secs. Dans ces périodes d étiage sévère, l Austreberthe ne semble être alimentée que par la vidange des aquifères, hormis quelques petits pics engendrés par du ruissellement au niveau des zones urbanisées. Données de niveaux piézométriques : Le seul point de suivi du réseau piézométrique du bassin Seine-Normandie implanté dans le bassin versant souterrain de l Ausreberthe est l ouvrage de Blacqueville (en limite ouest, Illustration 9). Ce puits de 85 m de profondeur capte l aquifère crayeux sous plateau. Les fluctuations piézométriques (Illustration 17) enregistrées au droit de Blacqueville sont de type pluri-annuel, c est-à-dire caractérisées par des fluctuations saisonnières très atténuées (voire inexistantes) et des fluctuations pluriannuelles de grande amplitude. Un tel régime de fluctuation est, localement, caractéristique d un aquifère à fonction capacitive (peu transmissif), d un recouvrement argileux et limoneux important et d exutoires éloignés. Il est, en effet, rappelé que le puits de Blacqueville est localisé en sommet de plateau. Illustration 18 Chronique piézométrique sur Blacqueville de 1968 à 2006 BRGM/RP FR Rapport final 31

33 Le calage du modèle Modélisation pluie-débit : La série de débits de la station de Saint-Paër a été calée sur la période (station hydrologique mise en service en 1997). A partir des données climatiques disponibles, une période d initialisation de 28 ans a pu être retenue, ce qui est intéressant compte tenu de l inertie importante du système. Cette longue période d initialisation permet de créer des conditions initiales de simulation très voisines des conditions réelles. Différentes hypothèses ont été retenues pour réaliser le calage : la superficie du bassin versant a été prise égale à celle du bassin versant topographique contrôlée par la station de jaugeage de Saint- Paër. Celle-ci, déterminée à partir de la carte topographique au 1 / de l IGN, est de 157 km². Cette valeur a bien entendu été imposée sans possibilité d optimisation ; comme vu précédemment, les précipitations de Boos ont été laissés libres à l optimisation pour permettre l application d un coefficient multiplicateur (+ 12%). Les valeurs d ETP n ont en revanche pas été affectées d un coefficient de correction ; les paramètres laissés libres à l optimisation sont les différents paramètres de calage standard du modèle GARDENIA c'est-à-dire : la capacité de la hauteur d égal ruissellement percolation (mm), la réserve superficielle progressive (mm), le temps de percolation (mois), le temps de demi-tarissement (mois) et le débit de fuite. L optimisation est cependant contrainte pour obtenir un jeu de données cohérent et réaliste. Le meilleur calage a été obtenu pour un pas de temps décadaire. Plusieurs essais de calage ont été menés au pas de temps journalier, mais l ajustement s est avéré moins bon, notamment en raison de la difficulté du modèle à reproduire les épisodes de forte crue. Vu la très courte durée des écoulements rapides, il aurait été nécessaire de fournir des données d entrée avec un pas de temps encore inférieur à la journée pour espérer les reproduire de manière satisfaisante. L objectif principal de la présente modélisation étant d estimer la contribution des écoulements lents au débit de l Austreberthe, un calcul au pas de temps décadaire s est avéré suffisant. Le coefficient d ajustement ainsi obtenu est de (Illustration 19). Les paramètres de calage sont reportés en Annexe BRGM/RP FR Rapport final

34 Illustration 19 Visualisation sur la période du calage pluie-débit de l Austreberthe à Saint-Paër sur la période (en bleu : la part des écoulements lents) Le graphique résultat de l Illustration 19 montre que les grandes tendances des variations de débits de l Austreberthe à Saint-Paër sont bien reconstituées par le modèle. Les augmentations progressives des débits sont bien reproduites pendant l hiver et les corrélations des vitesses de tarissement sont bonnes. En revanche, d une manière générale, la simulation rencontre des difficultés pour représenter : les évènements de crue soudains liés à des précipitations hivernales importantes (octobre-novembre 1998, décembre 1999, mai et novembre 2000, janvier et mars 2001). Les débits calculés sont systématiquement inférieurs à ceux observés. Par suite du pas de temps des données d entrée et de la grande différence de temps de réponse entre les deux composantes de l écoulement (rapide et lente), le modèle ne parvient pas à reproduire tout à fait les ruissellements importants qui surviennent suite à de fortes précipitations en période de saturation des sols ; l étiage observé depuis 2004 : le modèle réagit, en effet, aux précipitations hivernales alors qu en réalité le cours d eau semble avoir atteint son débit de base (globalement stationnaire sur 2004 et 2005). Ceci traduit la quasi-absence de précipitations efficaces sur ces deux années. BRGM/RP FR Rapport final 33

35 A partir des paramètres retenus à l issue du calage, la chronique a été reconstituée sur la période (Illustration 20). Cette reconstitution n est qu indicative, car elle est basée sur le niveau d anthropisation actuel du bassin versant. Illustration 20 Reconstitution des débits de l Austreberthe à Saint-Paër depuis 1979 (en bleu : la part des écoulements lents) Finalement, le calage pluie-débit sur l Austreberthe à Saint-Paër a permis d identifier les données non mesurées telles que la pluie efficace et le débit de fuite. On obtient sur la période de simulation ( ) un débit de fuite de 26 L/s (négligeable) et une pluie efficace annuelle moyenne de 377 mm. Même si les périodes d observation ne sont pas les mêmes, les ordres de grandeur de la pluie efficace annuelle moyenne calculée par GARDENIA (377 mm) et par le MEDAD (environ 360 mm, cf. Illustration 11) sont identiques. Le débit de fuite, ajusté automatiquement par le modèle, est supposé constant tout au long de l année et correspond au flux non contrôlé à l exutoire (débit souterrain + prélèvements en nappe). Dans le cas présent, le débit de fuite calculé peut être considéré comme négligeable, car il correspond à une lame d eau annuelle de 5.2 mm ce qui est, en effet, très faible comparé aux incertitudes liées à la pluie moyenne et à l ETP sur le bassin. 34 BRGM/RP FR Rapport final

36 Le volume annuel des prélèvements pour l irrigation, l alimentation en eau potable et l industrie sur le bassin versant de l Austreberthe en amont de Saint-Paër qui s élevait à 1.78 Mm 3 en 2005, correspond à 57 L/s soit 3 % du débit moyen. Une importante partie de ces prélèvements retournant au milieu, il n est pas surprenant que le débit de fuite calculé soit inférieur aux prélèvements, en particulier pour de tels ordres de grandeur. Modélisation pluie-niveau piézométrique : La chronique piézométrique du puits de Blacqueville a été calée sur la période (station piézométrique mise en service en 1968). A partir des données climatiques disponibles, une période d initialisation de 11 ans a ainsi pu être retenue. Comme dans le cas de la modélisation pluie-débit, les précipitations à Boos ont été affectées d un coefficient correcteur (+ 12%). Dans le même temps, les paramètres laissés libres à l optimisation sont la capacité de la hauteur d égal ruissellementpercolation (mm), le temps de percolation (mois), le temps de demi-tarissement (mois) et le coefficient d emmagasinement (optimisation contrainte). Le calage a également été réalisé au pas de temps décadaire. Le coefficient d ajustement finalement obtenu est de (Illustration 21). Le compte-rendu complet de la modélisation est fourni en Annexe 2. Sur la base de ce calage, la pluie efficace annuelle moyenne calculée par le modèle sur la période est de 400 mm. Le coefficient d emmagasinement a été laissé libre à l optimisation. Sa valeur calculée de semble supérieure aux valeurs connues pour l aquifère crayeux en sommet de plateau ( à 0.001). Attention, le coefficient d emmagasinement GARDENIA, correspondant plus à un coefficient d influence globale des fluctuations de stock sur le niveau piézométrique à Blacqueville, ne peut être relié à une interprétation de pompage d essai dont la validité reste locale et très souvent réalisé sur une courte période. Le coefficient d emmagasinement GARDENIA peut éventuellement être égal au coefficient d emmagasinement moyen de la nappe si le point d observation est situé loin de tout cours d eau comme dans le cas présent. En tout état de cause, le coefficient d emmagasinement global calculé par GARDENIA apparaît réaliste. En ce qui concerne la chronique piézométrique simulée, on constate, une nouvelle fois, que les grandes tendances sont bien reconstituées. Les recharges et les vidanges pluri-annuelles sont notamment très bien retranscrites. En revanche, d une manière générale, la simulation rencontre des difficultés pour représenter : les années de très hautes eaux où la piézométrie calculée reste toujours inférieure à celle observée (1995 et 2001 par exemple). Ceci peut s expliquer par la forte hétérogénéité de l aquifère crayeux dans sa profondeur (coefficient d emmagasinement plus important dans sa partie supérieure). Pour tenter de BRGM/RP FR Rapport final 35

37 tenir compte de cette hétérogénéité de l aquifère, une modélisation avec deux réservoirs souterrains a été menée mais sans amélioration significative du calage ; certaines variations saisonnières (fluctuations annuelles de 1999 et 2000 par exemple). La modélisation semble donner plus de poids à la fonction capacitive de l aquifère, déjà très importante en réalité. Illustration 21 Visualisation sur la période du calage pluie-niveau à Blacqueville sur la période BRGM/RP FR Rapport final

38 Bilan hydrologique moyen Avant toute analyse des bilans hydrologiques calculés par la modélisation globale, il est rappelé que les résultats sont à prendre avec précaution : il s agit d une approche tendancielle et non d une approche quantitative. Les bilans hydrologiques annuels moyens, obtenus pour chacune des modélisations, sont sensiblement équivalents si on les compare sur la période (Illustration 22). Type de modélisation Station hydrométrique / Piézomètre Pluie (mm) ETR (mm) Pluie efficace (mm) Qrap. (mm) Q sout. (mm) Diff. Stock (mm) % Qsout. Pluie-Débit Saint-Paër Pluie-Niveau Blacqueville Illustration 22 Bilans hydrologiques annuels moyens calculés pour chacune des modélisations sur la période Sur cette période, la contribution moyenne des écoulements lents au débit de l Austreberthe est de l ordre de 90 % pour les deux modélisations. Ce résultat est en accord avec les travaux menés par l Université de Rouen (Dupuis). L Illustration 23 présente les différents termes du bilan hydrologique sur le bassin versant. Il s agit d un bilan annuel calculé à partir des données moyennes résultant du calage pluie-débit à Saint-Paër (période de simulation ). Illustration 23 Représentation schématique du bilan hydrologique à Saint-Paër BRGM/RP FR Rapport final 37

39 Contribution des écoulements lents L étude des variations saisonnières du bilan hydrologique a été réalisée à partir des résultats de la modélisation pluie-débit, celle-ci est, en effet, plus représentative du fonctionnement hydrologique du bassin versant (calcul plus intégrateur). Le modèle permet de décomposer l écoulement à la rivière en écoulement rapide (ruissellement rapide + écoulement karstique rapide) et en écoulement lent souterrain (contribution des aquifères au débit de la rivière). Ces résultats doivent être pris avec précautions, car il n y a pas de certitude dans le fait d assimiler les écoulements identifiés comme lents aux écoulements souterrains. Cette décomposition permet, cependant, de dégager des informations tendancielles sur l alimentation du cours d eau par la nappe. L Illustration 24 représente les variations saisonnières de la contribution des écoulements lents au débit de l Austreberthe sur la période Contribution mensuelle des écoulements lents au débit de l'austreberthe (%) Minimum Moyenne Maximum 50 Jan. Fév. Mar. Avr. Mai Juin Juil. Août Sept. Oct. Nov. Déc. Mois Jan. Fév. Mar. Avr. Mai Juin Juil. Août Sept. Oct. Nov. Déc. Min Max Moyenne Ecart-Type Illustration 24 Contributions des écoulements souterrains lents au débit de l Austreberthe au pas de temps mensuel ( ) 38 BRGM/RP FR Rapport final

40 A titre indicatif, plusieurs constats peuvent être faits : sur la période , la modélisation GARDENIA calcule une contribution mensuelle minimale des écoulements souterrains lents au débit de l Austreberthe de 59 %, une contribution maximale de 100 % et une contribution moyenne de 90 % ; en période d étiage (juillet à octobre), le débit de l Austreberthe est essentiellement assuré par les écoulements souterrains : de 95 à 98 % en moyenne d après la modélisation globale. L analyse statistique montre que les écarts interannuels sont les plus faibles pour ces périodes : quelque soient les précipitations, la part du ruissellement reste, en effet, très faible (absence de pluies efficaces) ; en période de recharge hivernale, la contribution des écoulements souterrains au débit de l Austreberthe est logiquement plus faible mais reste largement prépondérante : de 86 à 89 % en moyenne. Les écarts interannuels sont, en revanche, plus importants : la part du ruissellement est, en effet, fortement dépendante des précipitations hivernales. La part du ruissellement peut ainsi, par exemple, varier entre 4 % en février 1976 (hiver sec) et 34 % en février 1995 (hiver exceptionnellement pluvieux) ; des ruissellements significatifs ne sont observés que lors des hivers exceptionnellement pluvieux avec en général plusieurs mois très humides consécutifs. A titre indicatif, on peut noter l hiver avec une contribution mensuelle minimale des écoulements souterrains lents de 59 %, l hiver (62 %), (76 %), 1995 (66 %) ou encore (70 %). Mise en situation des campagnes de prélèvements Dans le cadre de l approche isotopique (Rapport BRGM/RP FR), deux campagnes de prélèvements ont été menées : du 9 au 10 novembre 2006 pour représenter une situation de basses eaux et du 9 au 11 mai 2007 pour une situation de hautes eaux (en fin de période de recharge). Le graphique de l Illustration 25 présente les évolutions des précipitations à Boos, des niveaux piézométriques de l aquifère crayeux à Blacqueville et des débits journaliers moyens de l Austreberthe à Saint-Paër pour le cycle hydrologique en cours (de septembre 2006 à juin 2007). En novembre 2006, la situation hydrogéologique de l aquifère crayeux correspondait à un état de basses eaux marqué, et la recharge hivernale n avait toujours pas débuté sous les plateaux. Le piézomètre de Blacqueville indiquait alors un taux de remplissage de l aquifère de 28 % pour un niveau piézométrique de 51 m NGF. Les précipitations cumulées sur le mois d octobre 2006 à Boos ont été de 55 mm (moyenne mensuelle interannuelle de 75 mm) et de 6 mm sur la première décade de novembre. BRGM/RP FR Rapport final 39