brgm Compte-rendu d'avancement BRGMIRP FR avril 2003 Ph. WENG Avec la collaboration de M. CHABART C. RAHARIVOLAMALALA

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1 Méthodologie de définition des zones de remontée de nappe. Test sur secteur du Grand Ried et réalisation d'un Geosciences pour une Terre durable brgm

2 Méthodologie de définition des zones de remontée de nappe. Test sur secteur du Grand Ried et réalisation d'un atlas préliminaire de l'aléa sur la plaine d'alsace Compte-rendu d'avancement BRGMIRP FR avril 2003 Etude réalisée dans le cadre des opérations De Service public du BRGM 2003-EAU-Dl0 Ph. WENG Avec la collaboration de M. CHABART C. RAHARIVOLAMALALA r) hosaences pour une Tsrm durable brgm

3 Mots clés : Nappe libre, Zones humides, Crues, Inondation, Piézomètres, APRONA, Grand Ried, Centre Alsace, Bas Rhin, Haut Rhin En bibliographie, ce rapport sera cité de la façon suivante : WENG P. (2003) - Méthodologie de définition de remontée de nappe. Test sur secteur du Grand Ried et réalisation d'un atlas préliminaire de I'alea sur la plaine d'alsace. Compte-rendu d'avancement. Rapport BRGM R FR. Avril p O BRGM, 2003, ce document ne peut être reproduit en totalité ou en partie sans l'autorisation expresse du BRGM. 2 Rapport BRGM/RP FR

4 D Synthèse ans le cadre de son expertise sur les zones de remontées de nappe, le BRGM est contractant d'un programme d'actions conventionné, en partenariat avec la Direction de l'environnement Alsace (DIREN Alsace). Ce programme porte sur l'analyse de toutes les données piézométriques de la nappe dite d'alsace (nappe libre d'extension correspondant à la plaine d'alsace), de manière à mettre en évidence les secteurs sur lesquels l'aléa «remontée de nappe D est le plus important. La recherche des processus à l'origine des variations piézométriques (précipitations, rivières, ouvrages hydrauliques etc...) par des techniques de traitement du signal est prévu dans cadre de ce programme d'actions et fera l'objet d'une présentation détaillée dans le rapport final. Ce rapport intermédiaire présente les premières cartographies issues du traitement de l'ensemble des données piézométriques de la plaine d'alsace. Rapport BRGM/RP FR

5 Méthodologie de définition des zones de remontée de nappe. Compte-rendu d'avancement Sommaire 1. INTRODUCTION NAPPE D'ALSACE TRAITEMENTS DES DONNÉES. PARTIE PRÉLIMINAIRE... II 3.1. DONNÉES UTILISÉES TYPE DE TRAITEMENT RÉALISÉ RÉSULTATS OBTENUS. PARTIE PRELIMINAIRE AMPLITUDE DES VARIATIONS DE LA NAPPE (BATTEMENT DE LA NAPPE) PROFONDEUR DE LA NAPPE CONCLUSIONS ET PERSPECTIVES Liste des figures Figure 1 Carte de localisation de la plaine d'alsace... 9 Figure 2 Carte de positionnement des principaux ouvrages piézométriques... IO Figure 3 Répartition des amplitudes pour les 263 chroniques piézométriques exploitables Figure 4 Battements de nappe dans la plaine d'alsace établis à partir des plus longues chroniques piézométriques disponibles Figure 5 Distribution des plus hauts niveaux atteints par la nappe (classes de coupures métriques) Figure 6 Carte des plus hauts niveaux atteints par la nappe d'alsace Figure 7 Délimitation préliminaires de secteurs susceptibles d'être inondés ou non par remontée phréatique Liste des annexes Annexe 1. Tableau des résultats obtenus : Amplitude des variations de la nappe... 23

6 D 1. Introduction ans le cadre de ses activités de recherche et développement sur la contribution des eaux souterraines aux crues et inondations, le BRGM a été sollicité par la DIREN-Alsace pour travailler sur la plaine d'alsace, en vue d'établir des cartographies d'aléa lié aux inondations phréatiques. La première étape de ce programme d'action conventionné consiste en l'analyse de l'ensemble des chroniques piézométriques de la plaine alluviale, de manière à déterminer quelles sont les amplitudes de la nappe et la profondeur atteinte par celle-ci. Pour ce faire, les chroniques piézométriques les plus longues, issues de la banque de données de l'association pour la Protection de la Nappe d'alsace (APRONA), ont été utilisées. Les résultats préliminaires sont présentés dans ce rapport d'avancement. 2. Nappe d'alsace La plaine alluviale d'alsace s'étend sur 170 km de long de Bâle à Lauterbourg, et sur une largeur maximale de 25 km; elle est limitée à l'ouest par le massif vosgien et à l'est par le Rhin Sa nappe phréatique, résultat du comblement du Fossé rhénan par une épaisse couche d'alluvions durant la fin du tertiaire et du quaternaire, est la plus importante réserve d'eau souterraine d'europe. La recharge est assurée principalement par les eaux de surface d'origine rhénane en période de hautes eaux. Les fluctuations inter annuelles des débits dans le Rhin entraînent des alternances de périodes de drainage et d'alimentation. Cette nappe est utilisée pour l'alimentation en eau potable, les usages industriels et agricoles, et la production d'énergie (alimentation de pompe à chaleur et climatiseur). Les ruisseaux vosgiens sont captés par I'III, affluent de la rive gauche du Rhin qui prend sa source à 500 m d'altitude dans le Sundgau et ne le rejoint qu'à l'aval de Strasbourg après un parcours de 217 km. L'Ill, caractérisée par un régime pluvio-océanique, connaît une véritable crue de novembre à mars-avril avec une dominante plus marquée en janvier et février (période de hautes eaux) et une période de basses eaux vers août-septembre. Les débits de I'III ne sont pas uniquement dépendants des conditions hydro-climatiques des Vosges mais également des échanges nappe-rivière en plaine. Les différences entre le régime de I'III pendant les périodes de crue et d'étiage peuvent être très importantes : le rapport pouvant atteindre 100. Les inondations en plaine d'alsace se produisent après les pluies d'automne et lors de la fonte des neiges. Elles sont principalement dues aux débordements de I'III et de la Fecht et à la remontée de nappe qui maintient les sols inondés après la décrue des rivières. Rapport BRGM/RP FR

7 Les champs d'inondation constituent une grande surface d'échange, favorisant l'alimentation de la nappe et contribuant à écrêter les débits de crue de I'III et de ses affluents. Le Rhin et I'III, coulant presque parallèlement sur plus de 150 km, encadrent et isolent une vaste surface inondable soit par remontée de nappe phréatique (eaux hypogées), soit par débordement des eaux de surface (eaux épigées) : c'est le Grand Ried ou Ried ello-rhénan ou Ried Central d'alsace. Le Grand Ried s'étend depuis le Nord du Haut-Rhin (Riedwihr, Jebsheim) jusqu'à Erstein, de part et d'autre de I'III. Très schématiquement, il est limité à l'est par l'ancien canal du Rhône au Rhin et, à l'ouest, par la Route Nationale constitue la plus vaste zone humide de vallée fluviale d'europe occidentale (250 km2 environ). On entend par zone humide les 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 hydrophiles pendant au moins une partie de l'année (convention Ramsar ). Les relation entre zones humides et nappes d'eau souterraines dépendent principalement des hétérogénéités du sol et du sous-sol et des contrastes de perméabilités pouvant exister entre les différents horizons. Une zone humide temporaire ou permanente peut être indépendante, sans relation avec la nappe souterraine, elle peut être infiltrante ou drainante. Rapport BRGM/RP FR

8 Figure 1 Carte de localisation de la plaine d'alsace Rapport BRGM/RP FR

9 M6thodologie de définition des zones de remontée de nappe. Compte-rendu d'avancement Figure 2 Carte de positionnement des principaux ouvrages piézométriques Rapport BRGM/RP FR

10 3. Traitements des données - partie préliminaire 3.1. DONNEES UTILISEES Au total, sur les 266 piézomètres donnant accès à des chroniques piézométriques dans la plaine alluviale d'alsace, 263 sont utilisables, les trois piézomètres restant n'étant pas nivelés ils ne donnent pas accès à la profondeur de l'eau par rapport à la surface du sol. Les données les plus anciennes datent de 1964 et les chroniques étudiées ici s'arrêtent à la fin de l'année Les piézomètres utilisés captent la nappe libre de la plaine d'alsace, couramment appelée «Nappe d'alsace» et dont les dépôts datent, en majorité du Quaternaire. Tous ces piézomètres sont positionnés sur la Figure 2 et mettent en évidence la forte densité de points de mesures sur cette nappe d'importance majeure dans la région TYPE DE TRAITEMENT REALISE Pour chaque piézomètre, les chroniques les plus longues à disposition ont été utilisées, quels que soient les pas de temps des mesures. Les données ont toutes été exprimées à la fois en cote absolue (m NGF) et en profondeur par rapport au niveau du sol (m) de manière à pouvoir travailler sur ces deux variables. Les minimums et maximums atteints par la surface libre de la nappe ont été calculés pour chaque ouvrage, et l'amplitude des variations piézométriques a été calculée sur la base de la différence entre la valeur maximale et la valeur minimale. Les résultats obtenus ont alors été géoréférencés de manière à pouvoir permettre leur exploitation dans un Système d'informations Géographiques (SIG). Rapport BRGM/RP FR

11 4. Résultats obtenus - partie préliminaire 4.1. AMPLITUDE DES VARIATIONS DE LA NAPPE (BATTEMENT DE LA NAPPE) Les résultats chiffrés des analyses sont fournis en détail dans l'annexe 1 ci jointe. Pour les 263 points dont les chroniques piézométriques sont exploitables, ces premiers résultats indiquent de très fortes disparités dans les réactions de la nappe d'un secteur à l'autre de la plaine d'alsace. Ainsi, si la moyenne arithmétique du battement de la nappe est de 3.50 m, ces battements sont largement contrastés et compris entre 0.72 m et m. La distribution de ces battements selon des classes de coupures métriques est représentée sur le graphe de la Figure 3. On peut ainsi constater que : - seul un piézomètre présente un battement de nappe inférieur à 1 m ; - 32% des ouvrages piézométriques mettent en évidence des battements de nappe compris entre 2 et 3 mètres, classe de variation la plus représentée ; - la majorité des piézomètres (72%) ont enregistré des battements de nappe compris entre 1 et 4 mètres ; - les battement de nappe supérieurs à 5 mètres n'ont été mesurées que sur 16% des piézomètres. R6pwtition des amplitudes pour las 263 chroniques pi6mméiriquar exploitables Figure 3 Répattition des amplitudes pour les 263 chroniques piézornétriques exploitables Rapport BRGMIRP FR

12 Amplitude des variations de nappe (ml 1 =igure 4 Battements de nappe dans la plaine d'alsace établis à partir des plus ongues chroniques piézométriques disponibles. Rapport BRGM/RP FR

13 La représentation cartographique des battements de nappe permet de voir s'il existe une organisation spatiale des variations de nappe le long de la plaine d'alsace. Pour ce faire, l'amplitude de ces battements a été représentée par un code de couleurs allant des tons bleutés (faibles battements) aux tons rouges (très forts battements) (Figure 4). En première approche, cette carte indique très clairement qu'il existe une forte différence du Nord au Sud de la plaine d'alsace. Des battements d'amplitude relativement limitée (O à 3 m) prédominent largement dans la plaine, au Nord de Colmar alors que les battements d'amplitude plus importante sont mis en évidence essentiellement au Sud de Colmar. Dans le triangle formé par les villes de Colmar, Mulhouse et Bâle, les battements de nappe sont souvent très souvent de I'ordre de 6 à 10 mètres, atteignant ponctuellement 18 mètres. Dans tout le secteur compris entre Lauterbourg et Colmar au contraire, les variations de la nappe sont, en général, relativement limitées sont de I'ordre de O à 3 mètres, à l'exception de quelques points indiquant des variations plus importantes (4 à 6 mètres de battement) mis en évidence essentiellement sur la bordure Ouest de la plaine et à proximité du Rhin ou de ses bras principaux. Ces battements importants sont probablement liés, d'une part aux variations du niveau d'eau des rivières qui peuvent être importantes en période de crue et, d'autre part, au contact entre le massif des Vosges et la plaine alluviale (secteur compris entre Bischoffsheim et Ribeauvillé) dans laquelle viennent se déverser de nombreuses rivières de montagne pouvant ré-alimenter la nappe d'alsace ponctuellement PROFONDEUR DE LA NAPPE Le plus haut niveau atteint par la nappe sur la chronique la plus longue connu est un élément important permettant de caractériser l'aléa d'inondation par remontée de nappe. Ce plus haut niveau a été calculé sur la base des chroniques piézométriques les plus longues enregistrées sur l'ensemble des points captant la nappe d'alsace (263 piézomètres au total). Les valeurs obtenues sont présentées dans l'annexe 1 et représentent, pour chaque piézomètre, la profondeur maximale atteinte par rapport à la surface du sol. Les valeurs positives indiquent que la nappe a affleuré, c'est à dire qu'elle s'est trouvée, à au moins un moment, au dessus de la surface du sol. Tout comme pour les battements de la nappe, nous avons mis en évidence une forte disparité dans les plus hauts niveaux atteints par la nappe. En effet, si la moyenne arithmétique des plus hauts niveaux de nappe se situe à m, ces hauts niveaux varient de m à m en fonction de la position des points de mesures. La distribution des plus hauts niveaux atteints, selon des classes de coupure métriques, est représentée sur la Figure 5. Rapport BRGM/RP FR

14 On peut ainsi constater que : - 6.6% des points de mesures indiquent que la nappe a conduit, au moins une fois, à une inondation phréatique des terrains ; - la classe la plus représentée (27% des points) est celle d'une nappe remontant jusqu'à moins d'un mètre de profondeur ; - 67% des points de mesures indiquent que la nappe est remontée, au moins une fois, jusqu'à moins de 3 mètres de profondeur ; - 32% des points de mesures indiquent un niveau de nappe ne remontant jamais à moins de 3 m de la surface du sol. Figure 5 Distribution des plus hauts niveaux atteints par la nappe (classes de coupures métriques) La représentation spatiale de ces informations permet de localiser les secteurs pouvant conduire à des inondations phréatiques et ceux dont l'aléa est le plus faible (Figure 6). A priori, il existe tout un secteur compris entre l'axe Colmar-Mulhouse et le Rhin, dont la nappe est toujours située à plus de 5 mètres de profondeur, et dont l'aléa d'inondation par remontée de nappe est très limité. Ce zone correspond présente aussi de forts battements de nappe, mais ceux ci n'ont jamais conduit la nappe à affleurer. Ces points, pour lesquels la profondeur de la nappe est toujours importante, forment un ensemble spatial cohérent et homogène pouvant être délimité facilement comme sur la Figure 7. Rapport BRGM/RP FR

15 Méthodologie de d6finition des zones de remontée de nappe. Compte-rendu d'avancement Figure 6 Carte des plus hauts niveaux atteints par la nappe d'alsace. Les valeurs sont exprimées en mètres par rapport au niveau du sol. Des valeurs négatives indiquent un niveau de name., en dessous du niveau du sol : des valeurs ~ositives indiouent oue la name.. a affleuré au moins une fois. Rapport BRGM/RP FR

16 Plus hauis niveaux de nappa dans la plaine d'aisac8 Valeurs en m par rappat dta sullaoo du sol Figure 7 Délimitation préliminaires de secteurs susceptibles d'être inondés ou non par remontée phréatique. Rapport BRGM/RP FR

17 Les points représentés par des couleurs rouges ou orangées indiquent que la nappe a affleurée ou a été sub-affleurante au moins une fois pour les chroniques dont nous disposons. II apparaît ainsi clairement (Figure 7) que l'aléa a remontée phréatique >> est présent du Sud au Nord de la plaine d'alsace, à l'exception de la zones précitée. Dans le secteur compris entre Mulhouse et Colmar, les points présentant les remontées de nappe susceptibles d'inonder les terrains situés en bordure Ouest de la plaine, c'est à dire au contact avec la chaîne des Vosges. Plus au Nord, dans le secteur compris entre Colmar et Strasbourg, les points qui présentent des remontées de nappe ayant conduit la nappe à sub-affleurer sont situés sur toute la largeur de la plaine alluviale. Localement, cependant, il peut exister des points présentant une nappe toujours profonde (-3 à -5 mètres par exemple) position sans doute liée à de la micro-topographie. Ce secteur, caractérisé par un aléa de remontées phréatiques important et généralisé, correspond au Grand Ried alsacien, zone humide reconnue d'importance majeure à l'échelle nationale. La portion de plaine d'alsace située au Nord de Strasbourg semble être la plus sujette à des remontées phréatiques conduisant la nappe à affleurer ou sub-affleurer. Cela peut être le résultat des fortes précipitations ou des importantes variations du niveau du Rhin, mais semble aussi lié à la faible extension latérale de la plaine d'alsace dans ce secteur. Rapport BRGM/RP FR

18 5. Conclusions et perspectives Ce travail préliminaire de traitement des données piézométriques sur l'ensemble de la nappe d'alsace a permis de dresser un état des lieux sur les secteurs susceptibles d'être soumis à des inondations par remontées phréatiques. Pour ce faire, les données de 263 piézomètres rassemblant des mesures sur les quarante dernières années ont été utilisées. Par l'étude des amplitudes des battements de nappe et le calcul des plus hauts niveaux atteints par la nappe d'alsace, une cartographie préliminaire a été proposée. A la lumière de ces premières informations, il apparaît un fort contraste du Sud au Nord de la plaine d'alsace. En effet, dans la partie Sud de la plaine, entre l'axe Mulhouse-Colmar et le Rhin, la nappe est toujours située à une profondeur importante (plus de 3 mètres), même en période de hautes eaux. Les inondations par remontées phréatiques ne s'y sont jamais produites. Un aléa plus important est mis en évidence sur le même axe Mulhouse-Colmar mais en bordure Ouest de la plaine, celui-ci est sans doute lié aux apports d'eau de versant qui peuvent contribuer à alimenter la nappe alluviale. Dans le secteur du Grand Ried (Colmar-Sélestat-Rhin), les battements de nappe ont conduit celle ci à déborder en plusieurs points de la plaine. Les points piézométriques témoignant d'inondations phréatiques sont situés à proximité d'autres points présentant une nappe toujours relativement profonde, ce qu'il conviendra d'expliquer dans la seconde partie de ce travail (topographie, influence locale d'ouvrages hydrauliques, de cours d'eau, de pompages...). Enfin, dans la partie située au Nord de Strasbourg, l'aléa lié aux remontées phréatiques semble plus présent et pourrait être expliqué, entre autres, par le resserrement latéral de la plaine. La seconde partie de ce travail consiste à mettre en place une typologie des variations piézométriques, en recherchant au préalable les processus à l'origine de ces battements de nappe. Cette typologie sera réalisée sur le secteur dit du Grand-Ried qui présente des variations très contrastées des niveaux de nappe (fréquents points liés à des débordements de nappe en contact avec des points dont la nappe est toujours située a profondeur importante). Ce travail sera réalisé par traitement du signal piézométrique à l'aide du logiciel Tempo qui permet de calculer des fonctions de transfert entre un signal entrant (précipitations, évapotranspiration, cote de l'eau des rivières, ruissellement...) et un signal sortant (piézomètre). Une typologie de la susceptibilité du milieu vis à vis des processus de remontée de nappe sera alors proposée. Rapport BRGM/RP FR

19 Annexe 1 - Tableau des résultats obtenus : Amplitude des variations de la nappe

20 Méthodologie de définition des zones de remontée de nappe. Test sur secteur du Grand Ried et réalisation d'un atlas préliminaire de l'aléa sur la plaine d'alsace. Compte-rendu d'avancement National LAMBPE-X (km) LAMBPE-Y (km) DéPafi Commune Cotes-IGN Min Max Moyenne Amplitude Remontée nappe (m) Baisse Croisement (Bas nappe (m) niveaulamp) Rapport BRGMIRP FR - Annexe 1

21 Méthodologie de déhifion des zones de remontée de nappe. Test sur secteur du Grand Ried et réalisation d'un atlas préliminaire de l'aléa sur la plaine d'alsace. Compte-rendu d'avancement National LAMB2E-X (km) LAMB2E-Y (km) DéPafi Commune Cotes-IGN Min Max Moyenne Amplitude Remontée nappe (m) Baisse Croisement (Bas nappe (m) niveaulamp) Rapport BRGMIRP FR - Annexe 1

22 Méthodologie de définition des zones de remontée de nappe. Test sur secteur du Grand Ried et réalisation d'un atlas préliminaire de l'aléa sur la plaine d'alsace. Compte-rendu d'avancement Rapport BRGMIRP FR - Annexe 1

23 Méthodologie de définition des zones de remontée de nappe. Test sur secteur du Grand Ried et réalisation d'un atlas préliminaire de l'aléa sur la plaine d'alsace. Compte-rendu d'avancement National LAMBZE-X (km) LAMBZE-Y (km) Départ Commune Cotes-IGN Min Max Moyenne Amplitude Remontée nappe (m) Baisse nappe (m) Croisement (Bas niveaulamp) Rapport BRGMIRP FR - Annexe 1

24 Méthodologie de définition des zones de remontée de nappe. Test sur secteur du Grand Ried et réalisation d'un atlas préliminaire de l'aléa sur la plaine d'alsace. Compte-rendu d'avancement National LAMB2E-X (km) LAMB2E-Y (km) Départ Commune Cotes-IGN Min Max Moyenne Amplitude Remontée nappe (m) Baisse Croisement (Bas nappe (m) niveaulamp) Rapport BRGMIRP FR - Annexe 1

25 Méthodologie de définition des zones de remontée de nappe. Test sur secteur du Grand Ried et réalisation d'un atlas préliminaire de l'aléa sur la plaine d'alsace. Compte-rendu d'avancement National LAMBSE-X (km) LAMBZE-Y (km) Départ Commune Cotes-IGN Min Max Moyenne Amplitude Remontée nappe (m) Baisse nappe (m) Croisement (Bas niveaulamp) Rapport BRGMIRP FR - Annexe 1

26 Méthodologie de définition des zones de remontée de nappe. Test sur secteur du Grand Ried et réalisation d'un atlas préliminaire de l'aléa sur la plaine d'alsace. Compte-rendu d'avancement National LAMB2E-X (km) LAMBZE-Y (km) Départ Commune Cotes-IGN Min Max Moyenne Amplitude Remontée nappe (m) Baisse nappe (m) Croisement (Bas niveaulamp) Rapport BRGMIRP FR - Annexe 1

27 BRGM Service Géologique Régional Alsace (SGAL) 15, rue du Tanin - Lingolsheim BP TANNERIES Cedex 2 - France -Tél.: 33 (0)