Chapitre 2.2. : Fonctionnement hydrologique de la zone humide à l'échelle régionale

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1 Chapitre 2.2. : Fonctionnement hydrologique de la zone humide à l'échelle régionale 1. Introduction P. Weng, A. Coudrain, C. Kao, H. Bendjoudi Le qualificatif de zone humide accordé à la plaine alluviale tient au fait que la nappe phréatique se situe à proximité de la surface du sol durant la majeure partie de l'année. Le niveau de nappe et le degré d'humidité des premiers horizons de sol résultent de la combinaison de flux verticaux (précipitations, évapotranspiration) et de flux horizontaux (écoulements dans la nappe alluviale, débordement de la rivière). La situation moyenne interannuelle décrite dans le précédent chapitre. n'est cependant qu'une illustration partielle de la diversité des circulations dans la zone humide, qu'atteste la diversité des situations rencontrées par Greiner (1997). Le caractère fortement transitoire de ces circulations, entretenu par les conductivités hydrauliques élevées des alluvions nous a amené à équiper et automatiser deux sites de mesures hydrométriques dans la zone humide. Les sites de mesures hydrométriques ont été mis en place en 1998 et devaient permettre de répondre aux questions suivantes : - Quelle est l'influence de la gestion de la cote de la rivière sur les zones humides alluviales? - Quelle est la part des précipitations, de la remontée de nappe et du débordement de la rivière dans l'alimentation des zones humides? - Quel est le rôle des horizons pédologiques dans l'hydrologie des ces zones humides? - Peut-on proposer un modèle de fonctionnement hydrologique de la zone humide alluviale? Dans la suite du texte, nous développerons essentiellement les résultats obtenus sur le site de Marcilly-sur-Seine. Le second site, installé à Boulages, en bordure de l Aube, nous ayant permis de confirmer les résultats obtenus sur le premier site. 2. Description du site expérimental de Marcilly-sur-Seine 2.1. Localisation du site La zone atelier sélectionnée est une prairie humide, ancienne zone agricole laissée en jachère depuis 5 ans. Elle est recouverte de fétuque régulièrement coupée. Ce site est localisé à 1 km en aval de la confluence de l'aube et de la Seine au lieu-dit «noue de Voyons», sur la commune de Marcillysur-Seine (figure 2.2.1). Les critères retenus pour le choix de ce site étaient un caractère hydromorphe fortement marqué, des inondations fréquentes, l'accessibilité en période de hautes eaux Caractéristiques du sol Les différents horizons de sol ont été analysés et décrits sur le terrain grâce au soutien technique de collègues de l'institut National de la Recherche Agronomique (INRA). En parallèle, des échantillons de sol ont été envoyés au Laboratoire d'analyse des Sols de l'inra pour une analyse granulométrique. L'analyse in situ a montré que le sol appartient au groupe des sols d'apport calcaire à gley profond : fluviosols calcaires rédoxyques presque en surface à horizon réductique de profondeur (Schorter, 1999). Les différents horizons rencontrés sur le site sont : - de 0 à 80 cm de profondeur des argiles limoneuses oxydées en surface et réduites à partir de 45 cm de profondeur ; - un horizon plus argileux à partir de 80 cm de profondeur ; - à partir de 110 cm, présence d'alluvions fines à grossières (un forage sur le site a montré que les alluvions grossières sont présentes jusqu'à 7 m de profondeur). Circulation hydriques 51

2 Seine Marne Paris Seine Aube Yonne 25 Km Secteur étudié P37 P36 P35 P38 N 500 m Piézomètres de 5m de profondeur Mesure du niveau d'eau de la Seine Site atelier Figure Localisation du site expérimental de Marcilly-sur-Seine (Noue de Voyons). Des analyses granulométriques ont été réalisées à partir d'échantillons prélevés à différentes profondeurs sur le site (tableau 2.2.1). Ces horizons de sol sont de type argilo-limoneux avec un passage correspondant à de l'argile lourde à 84 cm de profondeur Piézomètres "régionaux" Autour du site, à des distances d'environ 500 m, les alluvions sont équipés de quatre piézomètres P35, P36, P37 et P38 (figure 2.2.1). Ceux-ci sont profonds de 5 m et entièrement crépinés (Greiner, 1997). Ils permettent de déterminer le sens des écoulements dans la zone humide alluviale. La charge hydraulique y est mesurée à pas de temps hebdomadaire à l'aide d'une sonde piézométrique à ruban. 52 PNRZH, projet 07, rapport final, novembre 2000

3 Tableau Granulométrie de différents horizons de sol (% pondéral) Profondeur Argiles Limons Sables 20 cm cm cm cm Cote de la Seine La cote de la Seine est mesurée deux fois par jour par le Service de la Navigation de la Seine à environ 1 km en aval du site, près de la prise d'eau du canal de Conflans à Bernières (figure 2.2.1). Ponctuellement, des mesures sont effectuées en amont, à 1.7 km de l'échelle limnimétrique. La pente ainsi déterminée est de 0.09 à 0.12 pendant la majeure partie de l'année pour des niveaux d'eau moyens à bas. Cette pente augmente en période de crue et passe à des valeurs comprises entre 0.24 et Couple de piézomètres profonds Sur le site, deux piézomètres ont été mis en place côte à côte. Ils ont des profondeurs de 6 m (dans les alluvions, P6m) et 15 m (dans l'aquifère crayeux, P15m) et ne sont crépinés que sur les 15 derniers centimètres, de manière à pouvoir mesurer les charges hydrauliques ponctuellement à ces profondeurs (figure 2.2.2). L'objectif de cette installation est de mettre en évidence l'existence d'un gradient vertical de charge hydraulique entre la nappe de la craie et la zone humide alluviale et de voir si ce gradient varie au cours de l'année. Les piézomètres sont équipés de capteurs de pression de type Diver Monitoring Well (SDEC France) placés à quelques mètres sous la surface de l'eau et programmés pour effectuer une mesure toutes les heures. Toutes les semaines, des contrôles manuels sont effectués à la sonde piézométrique afin de valider les mesures automatiques. Figure Coupe du forage de 15 m. Celui de 6 m a les mêmes caractéristiques mais ne pénètre que dans les alluvions. Circulation hydriques 53

4 2.6. Zone non saturée Deux séries de dix cannes tensiométriques sont installées sur le site. L'objectif est de caractériser le fonctionnement hydrologique de la zone non saturée sous l'influence des précipitations, de l'évapotranspiration et du niveau de nappe qui varie très rapidement dans le temps. Les cannes sont mises en place à des profondeurs allant de 20 cm à 1.90 m tous les 20 cm environ. Les cannes tensiométriques sont des bougies de céramique surmontées d'un tube en PVC, remplies de glycol (ρ = 0.96) et fermées de manière étanche par des bouchons auto-cicatrisants. Les mesures de pression à l'intérieur des tubes sont effectuées à l'aide d'un tensiomètre électronique (SMS2500S, SDEC France) à aiguille hypodermique, compensé en température. Un volume d'air est maintenu au sommet des tensiomètres afin d'éviter les effets de pression capillaire et de la compressibilité de l'eau qui surviennent lorsque les mesures sont effectuées dans l'eau (Thony et al., 1989). Les relevés tensiométriques sont effectués à un pas de temps hebdomadaire Piézomètre de surface Un piézomètre de surface de 1 m de profondeur, crépiné jusqu'à 10 cm sous la surface du sol et dont l'espace annulaire est scellé par de la bentonite est installé sur la zone humide. Il doit permettre la mise en évidence d'une éventuelle nappe perchée (les résultats seront alors comparés à la tensiométrie), et de montrer s'il y a synchronisme entre remontée de nappe et inondation de la zone humide. Une canne ultrason, reliée à une centrale d acquisition, est placée à l'intérieur du piézomètre. Les données sont acquises lorsqu'il y a présence d'eau dans le piézomètre. Le pas de temps des mesures est variable et passe à 5 minutes lorsque le niveau d'eau est proche de la surface Bassin La réalisation d'un bassin sans fond dans la zone humide alluviale s inspire des travaux de Bay (1966) ; Calder (1976) et Heikurainen (1963) qui ont transformé des lysimètres pour étudier le fonctionnement hydrologique de tourbières. Ici, une nouvelle version de bassin est adaptée à l'étude de la zone humide alluviale. Un bassin carré de 7 m de coté a été installé dans la zone humide (figure 2.2.3). Il est constitué de plaques de polycarbonate de 7 m de long et 1 m de haut, placées dans des tranchées de 50 cm de profondeur. L'ensemble est rendu étanche par de la bentonite et les argiles limoneuses de couverture. Les coins du bassin sont réalisés à l'aide de cornières PVC et imperméabilisés à l'aide de silicone. A l'intérieur et à l'extérieur du bassin, deux lignes ultrason permettent de suivre les variations du niveau d'eau lorsque la zone humide est submergée. La présence d'eau en surface déclenche les mesures qui sont faites à pas de temps variable (minimum 5 minutes). L'objectif d'une telle installation est d'isoler la partie de la zone humide située dans le bassin d'une inondation par débordement de la rivière. L'importance relative du débordement de rivière, de la remontée de nappe et des précipitations dans le fonctionnement hydrologique de cette zone humide pourra ainsi être mise en évidence et quantifiée. Fonctionnement du bassin : Pour une inondation due uniquement à une remontée phréatique, les niveaux d'eau enregistrés à l'intérieur (B), à l'extérieur (A) du bassin ainsi que dans le piézomètre de surface (C) seront identiques et simultanés (figure 2.2.4). S'il existe, en plus, un apport par les précipitations, celles-ci auront la même incidence à l'intérieur et l'extérieur du bassin et elles seront quantifiées par un pluviomètre (Météo-France) situé à Romilly-sur-Seine. Lors d'une mise en eau par débordement de la rivière, le niveau d'eau à l'extérieur du bassin (A) va augmenter (jusqu'à Hmax). Puis, en fonction de la conductivité hydraulique du sol, l'eau peut s'infiltrer ou rester sur le site. La ligne intérieure B ainsi que le piézomètre C n'enregistreront rien ou au plus une lente remontée due à l'infiltration de l'eau de crue sous les parois du bassin. L'évacuation de l'eau pourra se faire soit par infiltration soit par retour dans le lit mineur par écoulement de surface (une partie de cette eau sera reprise par évapotranspiration). Les cas présentés ci-dessus sont des cas extrêmes, il est possible que les zones humides soient soumises à l'action combinée d'une remontée phréatique et d'un débordement de rivière. Dans ce cas, ce dispositif doit permettre de détecter un retard entre les niveaux d'eaux enregistrés à l'intérieur et l'extérieur du bassin (figure 2.2.5) 54 PNRZH, projet 07, rapport final, novembre 2000

5 Figure Présentation des installations du site de Voyons, photo et coupe. 3. Conductivité hydrauliques des différentes unités géologiques Les conductivités hydrauliques ont été obtenues par chocs hydrauliques interprétés selon la méthode de Hvorslev (1951). Les mesures effectuées in-situ mettent en avant le fort contraste de perméabilité entre les alluvions grossières (très perméables) et les horizons sus et sous jacents (tableau 2.2.2). Tableau Détermination des conductivités hydrauliques pour les différents horizons Piézomètre Argiles-limoneuses P6m (alluvions grossières) P15m (craie) K (m/s) 8*10-7 à 10* * *10-4 à 8.73* Relations entre la zone humide alluviale et la rivière à Marcilly-sur-Seine 4.1. Cote de la Seine et hauteur d'eau dans la zone humide La figure représente l'évolution du niveau d'eau dans les piézomètres P37 et P38, ainsi que celui de la Seine à Conflans-sur-Seine (environ 1 km en aval du site). Les données des piézomètres sont hebdomadaires, la cote de la Seine est relevée deux fois par jour. Les précipitations journalières à Romilly-sur-Seine sont représentées sur la même figure. Le P37 est situé à quelques mètres du lit mineur de la Seine alors que le P38 en est distant d'environ 900 m. Il apparaît clairement que, dans la zone humide, la hauteur piézométrique est fortement conditionnée par le niveau de la Seine qui peut varier rapidement et avec une grande amplitude. Deux exceptions sont à relever, en octobre 98 et en avril 99 le P38 a un niveau d'eau élevé par rapport à P37 et à la Seine. Ce phénomène peut être associé à de fortes précipitations qui ont une incidence directe sur la hauteur d'eau dans la zone humide à une Circulation hydriques 55

6 certaine distance de la Seine (ici 900 m). Plus près de la Seine (P37), les précipitations n'ont que peu d'incidence sur la piézométrie. Partie intérieure du bassin, 7m A B C hauteur d'eau par rapport au niveau du sol temps temps temps A Hmax- 0- B Hmax- 0- C Hmax- 0- tmax Hmax est atteint à tmax pour les lignes A, B et C. Figure Cas idéal d inondation de la zone humide par remontée phréatique. 56 PNRZH, projet 07, rapport final, novembre 2000

7 t1 A Partie intérieure du bassin, 7m B C t2 A B C A Hmax- hauteur d'eau par rapport au niveau du sol 0- B Hmax- 0- C Hmax- 0- retard temps temps temps t1 t2 Hmax est atteint à t1 pour la ligne A et après un temps de retard t2-t1 pour les lignes B et C Figure Action combinée de remontée phréatique et de débordement de la rivère. Circulation hydriques 57

8 40 Précipitations journalières (mm) 20 0 réaction suite aux précipitations réaction suite aux précipitations Cote absolue (m ngf) Période d'infiltration depuis la rivière (p37>p38) Période d'infiltration depuis la rivière (P37>P38) Cote de la Seine à Conflans P P38 Jan Fév Mar Avr Mai Jui Jui Aoû Sep Oct Nov Déc Jan Fév Mar Avr Mai Jui Jui Aoû Figure Relation entre la côte de la Seine et le niveau d eau dans la zone humide Les hautes eaux La carte piézométrique, établie à l'aide des piézomètres dits "régionaux" permet de caractériser les sens de circulation de l'eau souterraine (figure 2.2.7). Durant les épisodes de hautes eaux, les circulations se font du Nord-Est vers le Sud-Ouest avec un gradient horizontal de charge hydraulique de 0.3. Ces gradients hydrauliques sont identiques à la pente de la Seine en période de crue (0.24 à 0.29 ). L'eau de la Seine s'infiltre dans la zone humide et suit une direction quasi parallèle au lit mineur. Hors période de crue il existe deux configurations des relations entre la Seine et la zone humide, le drainage par la Seine et l'infiltration depuis la Seine Le drainage de la zone humide par la Seine Durant la majeure partie du temps (12 mois sur les 21 mois de mesures), la Seine draine la zone humide (figure 2.2.7). Le sens des écoulements est alors du Sud-Est vers le Nord-Ouest ou d'est en Ouest avec un gradient de charge allant de 0.16 (17 mars 98) à 1.1 (26 novembre 98). Cette variation d'un ordre de grandeur du gradient de charge hydraulique est due essentiellement à la cote de la Seine. En effet, la cote de la Seine à Conflans-sur-Seine est respectivement de m et m les 17 mars et 26 novembre (différence de hauteur 1.06 m). Pour ces mêmes dates, le piézomètre P38 indique des niveaux d'eau dans la zone humide de m et m (différence de hauteur de 7 cm). 58 PNRZH, projet 07, rapport final, novembre 2000

9 Ce sont donc essentiellement les fortes variations de la cote de la Seine qui modifient le gradient de charge hydraulique, et contrôlent a fortiori le niveau d'eau de la zone humide et les volumes d'eau qu elle échange avec la Seine. 29/10/ /05/ /09/ Figure Circulations souterraines dans la zone humide La période estivale Durant les périodes estivales, entre le 15 juin et le mois de septembre, les circulations s'inversent et la Seine s'infiltre dans la zone humide. Les circulations se font du Nord-Ouest vers le Sud-Est avec un gradient de charge de 0.15 à Sur la figure la différence de cote piézométrique entre le P38 et le P37 est mise en évidence et témoigne aussi de cette infiltration. Ainsi, durant environ trois mois et demi chaque année, la zone humide est alimentée par infiltration des eaux de la Seine. Cette infiltration semble cependant limitée au premier kilomètre bordant la Seine comme en attestent les valeurs de piézométrie élevée mesurées sur le P42 situé à 2 km du lit mineur de la Seine. La diminution du niveau d'eau dans le piézomètre P38 est expliquée par l'évapotranspiration importante qui a lieu dans la zone humide durant l'été. Le niveau d'eau de P37 n'est pas affecté par l'évapotranspiration car la rivière, très proche, permet le maintien d'un niveau d'eau stable dans ce piézomètre. En appliquant la loi de Darcy (1856) avec les paramètres précédemment définis on peut calculer un débit d échange entre la Seine et la zone humide compris entre 162 m 3 et 1100 m 3 par jour et par kilomètre de rivière Conclusions Les échanges entre la zone humide alluviale et la Seine, mis en évidence sur les bases de mesures piézométriques à l'échelle régionale, corroborent les résultats obtenus par l'étude des débits du chapitre 2.1. Le drainage de la zone humide par la Seine a lieu durant la majeure partie du temps. En période de hautes eaux, l'eau de la Seine s'infiltre dans la zone humide pour suivre un trajet parallèle au lit mineur ; la zone humide exerce alors une fonction tampon vis-à-vis des crues. Durant la période estivale, il y a infiltration de la rivière dans la zone humide. Ce phénomène, déjà mis en évidence par Meyboom (1966) et Winter et Rosenberry, (1995) sur des zones de dépression dans des prairies va à l'opposé des relations entre nappe alluviales et rivières communément décrites. En effet, il est généralement admis qu'en période d'étiage la rivière draine la nappe alluviale qui lui est associée. Le débit de la rivière étant alors considéré comme le débit de base (décroissant en exponentielle inverse du temps et fonction de paramètres dépendant de l'aquifère alluvial). Dans le cas que nous étudions ici, le maintien d'un débit estival élevé par les lâchures des barrages-réservoirs ainsi que les fortes interactions entre la rivière et la zone humide alluviale permettent la mise à disposition d'un important volume d'eau consommé par évapotranspiration. Ce type de fonctionnement, bousculant les idées reçues, montre qu'afin de comprendre le fonctionnement hydrologique de la zone humide, il est important de l'étudier durant toutes les saisons et pas uniquement durant les crues qui sont pourtant des événements particulièrement marquants. Circulation hydriques 59

10 70 Cote absolue (m NGF) 69 Niveau du sol Enregistrements de la ligne extérieure au bassin Cote absolue (m NGF) 69 Niveau du sol Enregistrements de la ligne intérieure au bassin Cote absolue (m NGF) 69 Niveau du sol 68 Enregistrements du piézomètre de surface dans le bassin Novembre Décembre Janvier Février Mars Avril Mai Figure Fonctionnement du bassin entre novembre 1998 et mai Un débordement phréatique? Les mesures sur le bassin nous ont permis de suivre deux événements de crue, l un en mai 1998, l autre entre février et mars 1999 (figure 2.2.8). La crue de mai 1998 était brève et le site a été inondé par une lame d eau maximale de 22 cm et durant trois jours. Les enregistrements des lignes intérieures et extérieures ainsi que celui du piézomètre de surface sont parfaitement synchrones pour les périodes durant lesquelles il y a de l'eau sur la zone humide. Ces enregistrements démontrent que la surface libre de la nappe est remontée jusqu'à dépasser le niveau du sol et inonder le site durant les épisodes de crue. Certains auteurs (Dzana, 1997 ; Gaillard, 1999) avancent l'idée que la couverture argilolimoneuse de surface pouvait rendre la nappe alluviale captive durant les épisodes de crue. La présence d'eau en surface s'expliquerait alors par débordement depuis la rivière et lestockage de l'eau à la surface de la zone humide. Pour ces auteurs, la nappe alluviale et la lame d'eau de surface sont deux 60 PNRZH, projet 07, rapport final, novembre 2000

11 systèmes bien distincts, séparés par une zone non saturée. Nous montrons qu'ici la surface libre de la nappe alluviale n'est pas stoppée par les argiles limoneuses et qu'il y a continuité hydraulique entre cette nappe et la lame d'eau inondante. Pour la crue de mai 1998, l évolution du niveau d eau dans le bassin et certaines données tensiométriques ont été utilisées afin de déterminer la conductivité hydraulique verticale à saturation des premiers horizons de sol (sur 1.40 m). Une nouvelle fois, nous avons utilisé la loi de Darcy (1856) en l appliquant à la dimension verticale. Ainsi, la conductivité hydraulique verticale à saturation des premiers horizons de sol (1.40 m soit essentiellement des argiles-limoneuses de couverture) est comprise entre ms -1 et ms -1. La conductivité hydraulique verticale à saturation des premiers horizons de sol serait donc supérieure à la conductivité hydraulique horizontale, qui, rappelons-le, est comprise entre ms -1 et ms Variations de la cote de la Seine et conséquence sur les échanges verticaux 70 Cote de la Seine Gradient de charge 20 Cotede la Seine (m ngf) Pas de données Gradient vertical de charge hydraulique (pour mille) 66 Jan Fév Mar Avr Mai Jui Jui Aoû Sep Oct Nov Déc Jan Fév Mar Avr Mai Jui Jui Aoû Sep Figure Evolution de la cote de la Seine et du gradient vertical de charge hydraulique (craiealluvions) en fonction du temps 0 La figure montre l évolution du gradient vertical de charge hydraulique en fonction du temps. Un gradient positif signifie que la charge hydraulique est plus importante dans la craie que dans la zone humide alluviale. Durant les périodes estivales, lorsque les variations de la Seine sont faibles, le gradient prend des valeurs de l'ordre de 2 à 4 en 1998, et de 0.5 à 1.5 en Lorsque le niveau de la Seine augmente rapidement, le gradient vertical de charge hydraulique diminue jusqu à devenir nul. On observe une telle situation au début du mois de mai 1998, en novembre 1998 et durant l'épisode de crue de février/mars Lorsque le niveau de la Seine décroît rapidement, le gradient vertical de charge hydraulique augmente, il est passé à 16.5 après la crue de mai 1998 et à 7.5 pour les crues de novembre 1998 et mars Durant toute la période hivernale, lorsque le niveau de la Seine fluctue sans arrêt, ce gradient varie entre 0 au maximum local des crues et 6 à 7 durant les phases de décrue. Le gradient de charge peut aussi augmenter brusquement hors période de crue, lorsque pour certaines raisons liées à la gestion des ouvrages hydrauliques le niveau de la Seine décroît rapidement (exemples de mai et août 1999). Les circulations d'eau de la nappe de la craie vers la zone humide alluviale existent durant toute l'année, sauf très ponctuellement, lors de pics de crue. Les flux entre ces deux compartiments sont cependant conditionnés par les variations de la cote de la Seine. En Circulation hydriques 61

12 été, lorsque le niveau de la Seine est quasi constant, il existe un gradient de base de 1 à 2 entre la nappe de la craie et la zone humide. Durant les périodes de crues, le gradient, bien que proche de zéro ponctuellement, atteint souvent des valeurs élevées (de l'ordre de 4 à 5 ), favorisant ainsi les échanges entre la nappe de le craie et la zone humide alluviale. 7. Oscillations nycthémérales du niveau d'eau dans la zone humide Durant les périodes estivales, l'évolution du niveau d'eau dans la zone humide est la résultante de deux phénomènes. D'une part il existe des variations de forte amplitude qui sont gouvernées par l'évolution de la cote de la Seine. D'autre part, on peut distinguer des oscillations périodiques de faible amplitude (figure ). Ces fluctuations périodiques sont enregistrées par les piézomètres à 6 m et 15 m de profondeur, l'amplitude des oscillations étant plus importante dans le piézomètre de 6 mètres. Ces oscillations sont caractérisées par des maximums du niveau d'eau à 7 heures du matin. Durant la journée, le niveau d'eau baisse pour atteindre un minimum vers 19 heures. Ce niveau augmente alors durant toute la nuit. L'étude des amplitudes de ces variations montrent qu'elles peuvent atteindre 7 cm pour le piézomètre des alluvions (P6m) Cote de la Seine à Conflans P15m P6m Cote piézométrique (m ngf) Juin Juillet Août Septembre Cote piézométrique (m ngf) Pas de données piézométriques Juin Juillet Août Septembre Figure Fluctuations périodiques du niveau d'eau dans la zone humide durant les étés 1998 et PNRZH, projet 07, rapport final, novembre 2000

13 Dans la zone humide alluviale, la présence de la nappe à environ 1.40 m de profondeur durant toute la période estivale permet de satisfaire toute ou partie de la demande évaporatoire. Durant la nuit, la remontée du niveau d'eau est assurée par une réalimentation depuis la rivière ou depuis l'aquifère de la craie. Différents arguments permettent de conforter cette hypothèse : - ces oscillations apparaissent uniquement en été, en période de forte demande évaporatoire, lorsque l'humidité du sol est faible ; - la baisse du niveau d'eau a lieu durant la journée, lorsque la demande évaporatoire est la plus forte ; - l'amplitude des variations est de l'ordre de 3 à 7 cm, et peut correspondre à un prélèvement de quelques millimètres, soit de l'ordre de grandeur de la demande évaporatoire (cela dépend de la porosité de drainage du sol). Les différences de piézométrie journalière (niveau haut 7h, niveau bas 19h) ont été calculées sur cette nouvelle série. Pour chaque jour, ces variations ont été comparées à la demande évaporatoire (ETP) établie avec la formule de Penman par Météo-France. Aucune corrélation n'a pu être établie entre ces deux séries de données, ce qui nous aurait permis d'évaluer les pertes par évapotranspiration de manière simple. Rappelons que l'etp, fournie par Météo-France est calculée à partir de données mesurées à Troyes (seules données disponibles dans notre secteur). L'ETP Penman utilisée n'est sans doute pas représentative de l'etp locale de notre site, car elle est très sensible à la localisation. Sur une longue période de temps, quelques semaines à quelques mois, l'etp Penman totale devient représentative d'une plus vaste surface. 8. Fonctionnement de la zone non saturée Profondeur (m) Profil B: charge hydraulique (m) Relevés tensiométriques et niveaux de nappe mesurés par piézométrie Surpressions à 1 m de profondeur 05 nov 98 / 68.66m 14 jan 99 / 68.06m 04 fév 99 / 68.90m 04 mar 99 / 69.28m Figure Profils de charges en infiltration mis en évidence dans la zone humide Sur les deux sites équipés de cannes tensiométriques, les résultats obtenus sont similaires et montrent deux comportements bien distincts, des profils en infiltration et des profils en évaporation. Les profils en infiltration sont mis en évidence de novembre à mai (figure ) sur les deux sites. Les charges hydrauliques mesurées diminuent à mesure que la profondeur augmente. Les tensiomètres Circulation hydriques 63

14 situés sous le niveau de la surface libre de la nappe indiquent des charges hydrauliques identiques, le profil de charges devient alors hydrostatique. Ce type de profil met en évidence la relative longueur de la période de l année où la zone humide se recharge. Cette recharge ne fait pas augmenter le niveau piézométrique qui est entièrement contrôlé par la Seine. Ceci implique que l'eau parvenue à la nappe soit drainée rapidement vers la Seine, il y a bien recharge de la nappe mais le flux entrant est éliminé rapidement vers la Seine. Il est à noter que des phénomènes de surpression locale viennent perturber les mesures effectuées dans la partie la plus argileuse du sol. Ces surpressions sont le résultat du gonflement du matériau argileux du sol (spécialement des smectites). Profondeur (m) Profil B: charge hydraulique (m) Evaporation Plan de flux nul divergent Infiltration Relevés tensiométriques et niveaux de nappe mesurés par piézométrie 05 mai 99 / 67.84m mai 99 / 68.12m Figure Mise en évidence d un plan de flux nul divergent. A partir du mois de mai, et ce pour les deux années de mesures, un plan de flux nul divergent commence à apparaître dans les quarante premiers centimètres de sol (figure ). La demande évaporatoire est maintenant suffisante pour générer des flux ascendants dans une partie de la zone non saturée. A partir de la fin du mois de juin, ce plan de flux nul disparaît et les profils d évaporation depuis la nappe se mettent en place (figure ). On peut constater, sur cette figure, que les charges hydrauliques de bas de profils sont identiques, cette partie est toujours hydrostatique. Au dessus de la surface libre de la nappe, les charges hydrauliques décroissent très fortement permettant ainsi la circulation de l eau de manière ascendante (présence de gradients verticaux de charge hydraulique de 3500%). Il est important de noter que la mise en place de profils en évaporation correspond à la période durant laquelle les oscillations nycthémérales du niveau de nappe sont mises en évidence. 9. Conclusions La zone humide est drainée par la Seine durant la majeure partie de l'année avec des gradients hydrauliques horizontaux allant de 0.16 à 1.1. Durant les périodes de hautes eaux, les écoulements se font dans la direction du lit mineur avec des gradients hydrauliques de 0.3. Dès la fin du mois de juin et durant tout l'été, la rivière alimente la zone humide, les gradients hydrauliques sont alors de 0.15 à 0.3. Contrairement à un système naturel dans lequel les rivières drainent les nappes en période d'étiage, ce système artificialisé par la gestion des débits des rivières permet l'infiltration de la Seine dans la zone humide durant l'été. Ce type de gestion permet la stabilisation du niveau d'eau proche de la surface de la zone humide (~1.30 m sur notre site). 64 PNRZH, projet 07, rapport final, novembre 2000

15 Profondeur (m) Profil B: charge hydraulique (m) Relevés tensiométriques et niveaux de nappe mesurés par piézométrie 03 juin 98 / 67.97m 24 juin 99 / 67.98m 21 juil 99 / 67.99m 16 sep 99 / 68.00m Figure Profils de charge témoignant de l évapotranspiration depuis la nappe en période estivale. Sur le site de Marcilly-sur-Seine, le niveau d'eau de la zone humide est fortement contrôlé par la cote de la Seine. Les mesures effectuées à l'échelle régionale ont montré que la Seine a une influence directe jusqu'à environ un kilomètre du lit mineur. Le sol étant structuré en trois principaux horizons (argiles limoneuses, argiles lourdes et alluvions moyennes à grossières en deçà), les relations entre la zone humide et la rivière sont différentes selon que la surface libre de la nappe se trouve dans l'un ou l'autre horizon. Lorsqu'elle se trouve dans les alluvions moyennes à grossières, les réactions de la nappe face aux variations de la Seine sont tamponnées et retardées. Par contre, lorsque le niveau de nappe se trouve dans les argiles limoneuses ou les argiles lourdes, la zone humide a un comportement pseudo-captif dans le sens où elle réagit immédiatement aux sollicitations de la rivière avec la même amplitude (les pertes de charge sont très faibles). Ce type de comportement permet des remontées phréatiques rapides durant lesquelles la zone humide est inondée (4 jours en 1998 ; 22 jours en 1999). Ces inondations phréatiques ont été mises en évidence à l'aide du bassin installé sur le site. Le couplage des données tensiométriques et piézométriques a montré qu'il existe effectivement un contrôle pédologique de l'hydrologie de la zone humide. En effet, les horizons d'argiles limoneuses et d'argiles lourdes permettent le maintien de conditions d'humidité importantes durant la majeure partie de l'année dans la tranche supérieure du sol (~1 m). Cependant, malgré la présence d'une passée d'argiles lourdes entre 0.8 m et 1.10 m de profondeur, les fortes précipitations n'ont jamais permis le développement d'une nappe perchée comme nous le pensions au début de cette étude. Les argileslimoneuses et argiles lourdes sont suffisamment perméables pour empêcher la formation d'une nappe perchée. Leur conductivité hydraulique (de l'ordre de 10-6 m.s -1 ) est d'autant plus élevée que ces horizons sont souvent proches de la saturation. Lors des crues de la Seine, le système sol est entièrement saturé et l'horizon argilo-limoneux ne permet pas de rendre la nappe captive et le développement d'un double système saturé (nappe captive en profondeur et horizon de sol saturé à proximité de la surface). L'utilisation du Césium 137 a montré qu'il n'y a pas eu d'accumulation de particules fines sur le site suite à des débordements depuis la rivière durant ces trente dernières années. Les processus d'inondation de la zone humide par remontée phréatique, mis en évidence sur deux années de mesures, sont donc généralisables à plus grande échelle de temps. Circulation hydriques 65

16 Bien que la zone humide soit une zone de recharge d'octobre à fin avril, les précipitations qui la traversent n'ont que peu d'influence sur son niveau de nappe. Nous avons montré que ceci se produit jusqu'à environ un kilomètre de la Seine où nous avons mis en évidence deux petites remontées de nappe suite à de fortes précipitations. Les relations hydrauliques entre la rivière et la zone humide sont très importantes et le volume d'eau apporté par les précipitations est compensé par le drainage vers la rivière d'un volume d'eau équivalent. La zone humide est aussi alimentée par la nappe de la craie. L'eau de la craie arrive des coteaux mais aussi per ascensum, comme en attestent les gradients verticaux de charge hydraulique entre la nappe de la craie et la zone humide mis en évidence au niveau de notre site. Il existe une relation entre les variations de la cote de la Seine et la valeur du gradient vertical. Lorsque la cote de la Seine est stable, le gradient hydraulique vertical moyen est de 1 à 2. Une brusque montée des eaux dans la Seine fait chuter ce gradient jusqu'à 0 très ponctuellement. Une décrue de la Seine fait augmenter le gradient jusqu'à 16.5 en mai 1998 et jusqu'à 7 durant l'année Le gradient hydraulique vertical est élevé durant tout l'hiver quand le niveau de la Seine varie souvent, il n'est cependant pas corrélé avec le niveau piézométrique de la craie sans recouvrement alluvial. Il apparaît alors que les phases de décrue de la Seine favorisent les échanges entre la nappe de la craie et la zone humide alluviale. Enfin en été, la demande évaporatoire importante a pour soutien la nappe située à proximité du sol. Des oscillations nycthémérales du niveau de nappe ont été mises en évidence en juin et septembre sur les deux années de mesures. Lorsque le premier mètre du sol est dessaturé, l'évapotranspiration se fait directement depuis la nappe ce qui a pour conséquence de faire baisser la surface libre de quelques centimètres par jour (7 cm au maximum). Le niveau d'eau dans la zone humide remonte durant la nuit suite à une infiltration d'eau depuis la rivière, ceci est validé par les sens des écoulements mis en évidence à l'échelle régionale (de la rivière vers la zone humide). Ces résultats rejoignent ceux obtenus dans la partie précédente sur les mesures de débits, une grande partie de l'eau stockée par les barrages réservoirs durant l'année est relâchée dans les rivières en été et consommée par évapotranspiration dans la zone humide. 66 PNRZH, projet 07, rapport final, novembre 2000