MasterGéographieLittorale20241021

Etude de séries temporelles en domaine littoral

Apport à la compréhension des dynamiques physiques

Frédéric Gresselin, Master géographie Caen

le 21 octobre 2024

Introduction

L'aquifère : la partie souterraine de la zone critique

• La zone critique est l'environnement terrestre qui s'étend de l'atmosphère aux roches non altérées. Elle englobe la basse atmosphère, la pédosphère (le sol), la zone vadose (zone non saturée au dessus de la nappe phréatique), les nappes d'eau souterraine et les roches altérées.
• La compréhension du fonctionnement global de la zone critique, l'analyse de son exploitabilité et de ses limites mais aussi de ses altérations nécessitent la mise en place d'approches naturalistes, c'est à dire descriptives, de l'instrumentation, du traitement de données et de la modélisation.
• Une série temporelle, ou série chronologique, est une suite de valeurs numériques représentant l'évolution d'une quantité spécifique au cours du temps. Elles servent à décrire la façon dont un système évolue dans le temps, pour un paramètre donné suivi pour sa représentativité du fonctionnement.
• Modéliser s'avère indispensable pour comprendre, de la manière la plus systémique possible, la complexité du fonctionnement actuel et futur de la zone critique. Mais ce n'est qu'une étape parmi d'autres. Comprendre les mécanismes impliqués est un préliminaire à toute modélisation.

Objectifs du cours

• Diagnostiquer et comprendre certains processus régissant le cycle de l'eau dans l'aquifère
• Mettre en évidence l'hétérogénéité des situations dans la partie souterraine de la zone critique
• Développer vos capacités descriptives et l'interprétation de séries temporelles
• Découvrir ou se roder à la photo-interprétation
• Support du diagnostic :

• chroniques piézométriques, de température et de conductivité produites dans des aquifères littoraux le long du littoral de la Manche
• chroniques piézométriques de la nappe des calcaires bathoniens en Campagne de Caen
• des photographies aériennes

Le piézomètre, ouvrage équipé d'une sonde produisant les séries temporelles étudiées

la tête du piézomètre, à partir de laquelle s'exercent les prélèvements et l'accès à la sonde

une dalle pour protéger le piézomètre des infiltrations d'eau de surface

le tube est plein dans la partie sommitale du piézomètre afin d'éviter la pénétration d'eaux souterraines superficielles en général polluées par les activités humaines

une sonde mesure les variations du niveau de la nappe qui pénètre dans le piézomètre grâce à des crépines. La sonde peut mesurer d'autres paramètres, comme la température ou la conductivité

piézomètre

le piézomètre peut suivre des eaux souterraine venant de plusieurs nappes. Cela complique les interprétations. A éviter lorsque c'est possible.

Interprétation de chroniques piézométriques en contexte littoral

Un exemple dans le massif dunaire de Carteret (Manche)

1-1a

Le havre de Carteret (Manche, France) : un des sites du programme de recherches Rivages normands 2100, piloté par l'OSUR (Université de Rennes) et la DREAL

Manche

arrière pays (bocage armoricain)

havre de Carteret

zones humides rétro-littorales

France

massif dunaire

havre de Portbail

source : google Earth

Deux points de suivi dans le massif dunaire, proches de la mer

une série de schistes, grès et calcaires plissés datés du Cambrien au Dévonien

arrière pays (bocage armoricain)

colluvions de pente en pied de paléofalaise

P1

zones humides rétro-littorales

P1

rochers affleurant à marée basse

massif dunaire

P4

150 m 100 50 0

Source : BRGM, Rivages normands 2100, CAC, geoportail

P4

0 5 km

Relation entre la pluviométrie modélisée (Safran) et la piézométrie de la nappe des sables dunaires de Barneville-Carteret (point P1)

piézométrie en m

maillage Safran

précipitations en mm

Source : Safran,Rivages normands 2100, CAC, Institut Agro

Interprétation du graphique

• Chronique courte
• Probablement un cycle annuel avec des hautes eaux hivernales et des basses eaux estivales
• Des variations cycliques de plus courte période
• Les précipitations ne sont pas mesurées mais modélisées (maille carrée de 8 km de côté). Le contexte pluviométrique local peut ne pas être précisément représenté par la maille choisie

• Pas de relation univoque entre les précipitations et la piézométrie

piézométrie en m

précipitations en mm

Source : Safran, Rivages normands 2100, CAC

Relation entre l'évapo-transpiration potentielle journalière (Safran), le drainage journalier (Safran) et la piézométrie horaire P1 de la nappe des sables dunaires de Barneville-Carteret

Source : Safran, Rivages normands 2100, CAC

piézométrie en m

ETP et dainage en mm

Interprétation du graphique

• L'évapotranspiration et la piézométrie répondent d'une cyclicité annuelle (a priori) mais leurs cycles sont en opposition de phase
• Les variations journalières de l'évapotranspiration n'influencent pas la piézométrie
• L'aquifère filtre donc a priori ce signal haute fréquence
• Le cycle pluri-journalier de la piézométrie n'est pas expliqué à ce stade
• Le drainage modélisé est sous-estimé en fin d'été (la recharge débute plus vite que ne laisse supposer le drainage), pour le site considéré
• Safran produit les données climatiques les plus précises actuellement en dehors des stations climatiques

Source : Safran, Rivages normands 2100, CAC

piézométrie en m

ETP et dainage en mm

La pluie efficace

La pluie efficace est la partie des précipitations qui :

• Ruisselle
• Recharge les nappes d'eau souterraine (drainage de Safran)
• Et donc contribue à l'écoulement des cours d'eau

La pluie efficace dépend :

• Du volume des précipitations
• De l'évapotranspiration (donc de la température, du vent, du degré d'hygrométrie de l'air, de l'exposition aux agents météorologiques...)
• Des variations de la réserve hydrique des sols

Le sol est un facteur de contrôle du bilan hydrologique, rarement évoqué. Les connaissances actuelles sur le sol sont encore très largement insuffisantes.

Impact de la variation de la réserve en eau d'un sol sur le bilan hydrologique Pluie annuelle 615 mm Température annuelle 10,4°C (climat actuel du plateau de l'Eure)

RFU du sol en mm

50

100

150

Ecoulement annuel en mm

165

115

100

Période d'efficacité des précipitations

nov à mars déc à mars janv à mars

Période de déficit pédologique

juin à sept juil à sept août à sept

Recherche du facteur de contrôle responsable du cycle pluri-journalier

Relation entre la marée (Saint-Malo) et la piézométrie de la nappe des sables dunaires de Barneville-Carteret (point P1)

Vives-eaux

Amplitude de la marée en m

P1

piézométrie en m

Mortes-eaux

Août 2022 Oct 2022 Déc 2022 Fév 2023

Source : Shom, Rivages normands 2100, CAC

Relation entre la marée et la piézométrie de la nappe des sables dunaires de Barneville-Carteret (point P1)

cycle 12 h environ

Amplitude de la marée en m

P1

piézométrie en m

cycle mortes-eaux / vives eaux : 14 j environ

01/09/2022 15/09/2022 29/09/2022

• les variations piézométriques sont influencées par la marée (à démontrer par analyse statistique, étude de la fréquence et déphasage, modélisation)
• Le signal est structuré par les alternances vives-eaux / mortes-eau
• Le cycle journalier s'observe éventuellement. Il disposerait alors d'une très faible amplitude
• Mais il est vraisemblable que ce signal haute fréquence soit du bruit (précision de la sonde)
• Le signal de la marée est enregistré avec un déphasage d'environ 5 jours
• P1 est distant de la mer de 185 m environ

Interprétation du graphique

Amplitude de la marée en m

P1

piézométrie en m

01/09/2022 15/09/2022 29/09/2022

Relation entre la marée et la piézométrie de la nappe des sables dunaires de Barneville-Carteret (point P1)

signal marée

Amplitude de la marée en m

recharge aquifère

P1

piézométrie en m

Août 2022 Oct 2022 Déc 2022 Fév 2023

Relation entre la marée et la piézométrie de la nappe des sables dunaires de Barneville-Carteret (point P4)

P1

une série de schistes, grès et calcaires plissés datés du Cambrien au Dévonien

Amplitude de la marée en m

arrière pays (bocage armoricain)

colluvions de pente en pied de paléofalaise

P1

zones humides rétro-littorales

P4

rochers affleurant à marée basse

massif dunaire

P4

piézométrie en m

distance mer de P4 : 250 m P1 : 185 m

Août 2022 Oct 2022 Déc 2022

Août 2022 Oct 2022 Déc 2022 Fév 2023

Interprétation du graphique

P1

• Le signal de la marée est moins ample en P4 qu'en P1
• Cette différence pourrait s'expliquer par une modification des caractéristiques hydrodynamiques au sein de l'aquifère
• Cependant, les sables dunaires, d'origine éolienne, sont très homogènes en termes de composition et de granulométrie et donc de transmissivité
• Hypothèse : l'effet de la marée s'amortit en s'éloignant de la mer

• Les effets de la marée sont filtrés par l'aquifère dunaire

Amplitude de la marée en m

P4

piézométrie en m

Août 2022 Oct 2022 Déc 2022

distance mer de P4 : 250 m P1 : 185 m

Août 2022 Oct 2022 Déc 2022 Fév 2023

L'analyse des chroniques piézométriques de la nappe des sables dunaires de Carteret : que retenir ?

Le niveau piézométrique varie selon des cycles de recharge / décharge induit par le climat et sa saisonnalité

• recharge : plutôt en hiver, quand les précipitations sont au paroxysme de leur efficacité et que les volumes de pluie pénétrant dans le sous-sol sont supérieurs aux volumes d'eau souterraine s'écoulant vers les zones de drainage (cours d'eau, sources, zones humides, plan d'eau, mer)
• décharge : en l'absence de pluie efficace, le drainage des nappes par les hydrosystèmes de surface entraîne une baisse du niveau piézométrique
• La période de recharge va varier selon de nombreux paramètres : la réserve en eau des sols et l'importance du déficit hydrique en fin d'été, l'épaisseur de la zone non saturée, sa perméabilité...
• Dans l'Ouest de la France, la période de recharge peut débuter en fin d'été (c'est le cas ici) et s'étendre jusqu'en juin selon les configurations locales
• Une très forte pluviométrie estivale peut générer de la pluie efficace dans ce type d'aquifère, extrêment poreux
• Le signal piézométrique peut être influencé par des processus non climatiques, ici la marée

L'influence du niveau marin et de son élévation sur la piézométrie littorale : en route vers les modèles

1-1b

Visualisation des variations piézométriques de la nappe phréatique dans le cordon dunaire, le marais maritime, la paléofalaise et l'arrière pays

video Rivages normands 2100 (modèle 2 D développé par Alexandre Gauvain, OSUR)

La piézométrie d'un territoire est en général produite par modélisation

L'influence de la marée sur la piézométrie de la nappe ne s'étend pas au delà du cordon dunaire sauf si ce dernier est de faible largeur

Le cordon dunaire tamponne l'influence de la marée sur la piézométrie de la nappe. Le cycle "semi-mensuel" (alternance vives-eaux / mortes eaux) influence plus loin à l'intérieur des terres la piézométrie de la nappe que le cycle journalier. Plus le cordon dunaire est réduit, plus la marée a des chances d'influencer la piézométrie de la nappe d'eau souterraine du marais arrière littoral

Le niveau des nappes du littoral s'élève au fur et à mesure de la montée du niveau marin. Le taux d'élévation, proche de celui du niveau marin en bordure de mer, s'amortit progressivement à l'intérieur des terres.

paléo-falaise

massif dunaire

marais arrière-littoral

hausse du niveau de la nappe

hausse du niveau de la mer

L'élévation du niveau de la nappe est presque équivalente à celle du niveau marin bien que s'amortissant à l'intérieur des terres. L'influence de l'élévation de la mer s'étend loin à l'intérieur des terres

R : recharge de la nappe K perméabilité de l'aquifère

L'influence de l'élévation de la mer sur le niveau piézométrique de la nappe se limite à l'espace compris entre le trait de côte et la première zone d'écoulement superficiel de la nappe. La position de cette dernière va se déplacer vers l'amont au fur et à mesure de l'élévation du niveau marin

écoulement

hausse du niveau de la nappe

hausse du niveau de la mer

Quand l'écoulement passe sous l'influence du niveau marin, en termes de cote et de pente, la zone d'émergence de la nappe se déplace vers l'amont. Il s'agit donc un gain temporaire

Les axes de drainage naturels peuvent se situer loin de la mer. C'est le cas dans la partie SW de la baie du Mont-St-Michel

granite de Carolles

6.5 m

cordon dunaire

alluvions fluviatiles

Cancale

granite d'Avranches

Sée

cote centennale actuelle de la mer : environ 8.5 m

Sélune

6 m

alluvions fluviatiles

cordon dunaire

7.5 m

6.5 m

tangues

marais blancs

4 m

Couesnon

marais noirs

granite de Saint-Broladre

Guyoult

tourbes

+1.5 m

7.5 m

alluvions fluviatiles

granite de Fougères

alluvions fluviatiles

Un comblement progressif par des sédiments marins ayant offert des opportunités de poldérisation

cordon dunaire

Les apports terrigènes par les trois fleuves de la baie sont très faibles par rapport aux apports marins

Source European Spatial Agency

Les dépôts sédimentaires marins en fond de baie

sables coquilliers apportés par les tempêtes

dépôts de vases carbonatées

tangues

vase carbonatée à l'origine de la tangue

le Guyoult

source : google earth

décantation de boues carbonatées à chaque étale de marée qui vont former les tangues à l'origine de la richesse agricole des sols de la baie

source : chemins de la baie

Ces dépôts viennent recouvrir le socle armoricain, altéré

cornéennes

cornéennes (détail)

granite altéré en boule

granite

formations superficielles

bordures

tourbe avec bois fossile

substratum géologique

La géologie de la baie en quelques mots

granite de Carole / Vire

pointe du Grouin

prisme sédimentaire marin

cordon dunaire

gneiss et migmatites de Saint-Malo

granite d'Avranches

Sée

moins d'apports et sédiments plus fins

plus d'apports marins et sédiments plus grossiers

Sélune

cordon dunaire

Couesnon

marais blancs

schistes et grès briovériens

granite de Saint-Broladre

marais noirs

Guyoult

schistes et grès briovériens

Contexte topographique de la baie du Mont-St-Michel

granite de Carolles

6.5 m

cotes altimétriques des terrains

cordon dunaire

Cancale

granite d'Avranches

Sée

cote centennale actuelle du niveau marin : +9.12 m

Sélune

6 m

cordon dunaire

7.5 m

6.5 m

tangues

marais blancs

4 m

Couesnon

marais noirs

granite de Saint-Broladre

+2 m

7.5 m

tourbes

granite de Fougères

alluvions fluviatiles

La présence des marais noirs s'explique par la configuration piézométrique locale

digue

paléofalaise

marais blancs et leur système de drainage

marais noirs

estran

crête piézométrique

la nappe s'écoule globalement en direction de la mer Elle s'écoule aussi en direction des marais noirs avant d'en être évacuée par le réseau de drainage

• directement sur l'estran à marée "basse"
• via les fleuves côtiers
• via le réseau de drainage

L'élévation du niveau de la nappe détermine une modification des trajectoires d'écoulement et une diminution du temps de résidence des eaux souterraines dans l'aquifère.

Temps de séjour de l'eau souterraine en année

Des risques liés à la remontée dans le sous-sol du toit de la nappe phréatique, avec ou sans débordement

Des inondations longues et coûteuses

Différents types de dommages occasionnés par les remontées et débordements de la nappe phréatique

Des risques liés à la remontée dans le sous-sol du toit de la nappe phréatique, avec ou sans débordement

Saint-Germain-sur-Ay

Un risque de pertes culturales

Lillemer

source : orthophotoplan IGN

source : orthophotoplan IGN

source : DREAL Normandie

Dans les aquifères littoraux, les eaux salées se trouvent en général à grande profondeur et ne représentent ainsi aucune menace pour les activités de surface. Cependant, à la faveur de pompages mais aussi du drainage des zones humides, le biseau salé peut remonter et contraindre certaines activités. L'élévation du niveau marin et la diminution des flux d'eau douce provenant du continent en été, induits par le changement climatique, vont en favoriser la pénétration à l'intérieur des terres.

© DREAL Normandie

80 m

10 km

Le biseau salé est l'interface souterraine, dans les aquifères littoraux, entre les eaux continentales et marines.

falaise morte

cordon dunaire

Marais blanc

perte de surface et augmentation de l'hydromorphie

niveau marin futur actuel

Marais noir

niveau piézométrique actuel

niveau piézométrique futur

augmentation :

• des surfaces en eau
• des débits à pomper
• des niveaux d'eau
• de la concentration en sel

Schéma conceptuel de l'évolution à venir du niveau de la nappe phréatique dans les Marais noir et blanc en baie du Mont-Saint-Michel

La piézométrie, c'est aussi de la cartographie

1-1c

Mesurer les variations spatiales de l'altimétrie du toit de la nappe permet de construire des cartes piézométriques

• Ces cartes nécessitent de disposer d'informations très précises et denses sur le niveau atteint par la nappe à un instant t
• Les seules données acquises lors de la réalisation de forages ou par mesure dans des puits ou piézomètres ne suffisent pas
• Il faut intégrer des données sur les sources et les zones humides qui témoignent de la présence d'une nappe affleurante

Données à acquérir sur le terrain (puits, forages -BSS-, zones humides) et par photo-interprétation (zones humides)

hippodrome en zone humide

2012

1947

friche boisée

mégaphorbiaie

prairie humide

Travailler sur des orthophotographies de millésime varié

haie bordant le cours d'eau, avec un alignement de peupliers

remblai

peupleraie

prairie humide

tranchée drainante (saignée)

Il est également possible sur certains millésimes de diagnostiquer la présence de sols hydromorphes labourés

sols humides

mare

cours d'eau rectifié

2001

source : IGN, BD ortho

Les données à traiter sont nombreuses et nécessitent des traitements numériques

Les courbes d'isovaleur altimétrique du toit de la nappe sont dénommées courbes piézométriques

* Pour les zones humides, la profondeur de la nappe est considérée comme nulle la cote piézométrique est alors égale à la cote altimétrique du sol

Les courbes piézométriques sont des représentations de la cote altimétrique à laquelle se situe le toit de la nappe d'eau libre (nappe phréatique). Ce sont des courbes d'équipotentiel de la charge hydraulique de la nappe

Les cartes piézométriques permettent :

• d'analyser le sens d'écoulement de la nappe phréatique
• de déterminer les points du territoire où les eaux souterraines convergent (exploitation de la ressource en eau)
• ceux où elle déborde (ZNS nulle)

Les cartes piézométriques permettent aussi de :

• Localiser les crêtes piézométriques (ligne de partage des eaux souterraines)
• Tracer les bassins versants hydrogéologiques (aire d'alimentation des captages prioritaires)
• L'espacement des courbes renseigne sur les variations de condition de diffusivité de l'eau dans l'aquifère (variation du gradient hydraulique)

Attention : ces cartes sont souvent empruntes d'erreur ou imprécises, qu'elles soient faites à la main ou par traitement numérique

Les cartes piézométriques permettent aussi d'analyser la relation entre la nappe et un cours d'eau

isopièze

5 m

• un V dans la vallée, dirigé vers l'amont, indique que la rivière draine la nappe
• Il est primordial de connaître les échanges nappe/rivière pour optimisér la gestion des milieux aquatiques

10 m

Carte piézométrique au Nord de Ver-sur-Mer (Calvados)

De la profondeur de la nappe en été et en hiver et de ses battements vont dépendre les usages agricoles des sols et l'implantation historique des humains dans un territoire

• Lorsque la nappe déborde trop fréquemment, le sol est destiné à l'élevage et est en général drainé
• Lorsque la nappe est plus profonde, les agriculteurs produisent en général des céréales
• Jusqu'à l'apparition de l'adduction d'eau potable, l'aménagement du territoire était totalement contraint par la distribution de la ressource en eau

La piézométrie permet de comprendre aussi les relations entre un marais maritime et la mer

Dans le cas présent

• L'écoulement souterrain s'exerce globalement depuis le SW vers le NE puis le Nord, donc du continent vers la mer
• A marée basse, la nappe s'écoule sur l'estran depuis le cordon dunaire
• Les écoulements souterrains convergent vers les mares
• Il est vraisemblable que l'évaporation de ces dernières influence la piézométrie de l'hydrosystème

3 m

2 m

4 m

3 m

3 m

4 m

3 m

5 m

Piézométrie et hétérogénéité dans des aquifères calcaires

1-1d

Contexte de l'exemple

La côte du Calvados au NW de Caen

Contexte géologique :

• bassin parisien
• terrains jurassiques dont des calcaires bajociens et bathoniens
• un plateau plongeant très faiblement vers le NE (environ 0.6 %)
• entaillé par la mer et par quelques vallées
• bordé de marais maritimes
• contexte agricole de grandes cultures
• des aquifères exploités pour l'alimentation en eau potable de Caen et son agglomération

Caen

source : infoterre, carte géologique au 1/1 000 000

Deux aquifères calcaires séparés par des marnes imperméables

calcaire bathonien

calcaires bathonien

marnes bathoniennes

marnes bathoniennesimperméables

calcaires bajociens fissurés et karstifiés

calcaires bajociens

le karst du Bajocien

Les eaux superficielles s'engouffrent localement dans des pertes localisées sur les plateaux ou dans les vallées

pertes dans le lit de l'Aure

France

source DREAL Normandie

zone de pertes dans le lit mineur de l'Aure, une rivière du Bessin

perte dans le lit majeur

lit mineur à sec

sens de l'écoulement

Le suivi piézométrique de la nappe du Bajocien : localisation du site étudié

Caen

mer de la Manche

vallée et marais du Véret

marais de l'Aure

sources BRGM et IGN

Contexte géologique du piézomètre d'Asnières-en-Bessin

prof. moyenne de l'eau dans le puits : 4.75 m prof. max : 8.61 m prof min : -0.98

puits montrant de l'artésianisme (niveau d'eau supérieur au sol) donc nappe captive ou semi-captive

hypothèse : nappe des calcaires à spongiaires karstifiés du Bajocien sous faible recouvrement de marnes du bathoniens compartiment de Bajocien remonté le long d'une faille

source BRGM

La chronique piézométrique d'Asnières-en-Bessin. Les variations sont centrées sur la médiane et exprimées en mètre

variation piézométrique en m

Interprétation du graphiquePremiers constats

• Structure du signal différente de part et d'autre de 1998

• Fréquence d'échantillonnage ayant évolué
• Une mesure mensuelle, puis mesure en continu

• Des événements probablement mal échantillonnés avant 1998
• A vérifier par comparaison avec des chroniques voisines

variation piézométrique en m

De 1998 à 2023

variation piézométrique en m

Interprétation du graphique (suite)

variation piézométrique en m

• cyclicité annuelle
• hautes eaux en début d'année
• basses eaux en automne
• variations rapides
• plusieurs pics en hiver
• peu de bruit pendant la période de tarissement
• période de pluie efficace et de pluie non efficace
• cyclicité pluri-annuelle possible

Un suivi piézométrique plus à l'Est, dans l'aquifère des calcaires du Bathonien

prof. moyenne de l'eau dans le puits : 27.44 m prof. max : 29.12 m prof min : 18.92 m

Caen

nappe libre, pas de formations superficielles décrites sur la carte géologique.

hypothèse : nappe contenue dans le calcaire de Ranville J3Ra et dans celui sous-jacent du Calcaire de Bon-Mesnil J3M La formation j3Ro se situe à trop grande profondeur, compte tenu du pendage de 0.6 % Le calcaire de Bon-Mesnil est oolithique et mal consolidé. Il présente parfois un faciès franchement sableux

partie gélifractée (altérée par le gel)

Le calcaire de Ranville (j3Ra)

travaux de terrassement réalisés dans le calcaire de Ranville

partie indurée

Le Calcaire de Ranville est un calcaire bioclastique grossier à nombreux débris d’échinodermes (encrines, oursins), bryozoaires, mollusques et brachiopodes et à grains ferrugineux responsables de sa couleur ocre caractéristique. Il est localement fracturé et fissuré. Lorsqu'il n'est pas ou faiblement recouvert par des formations superficielles, sa partie sommitale s'avérer affectée par du gélifract et transformée en plaquettes plus ou moins sableuses

radioles d'oursin

source : lithothèque de Normandie

Le calcaire de Bon-Mesnil (j3M)

ciment calcitique

oolithe

nucleus

dépôts concentriques autour du nucleus

calcaire de Bon-Mesnil vu au microscope avec ses oolithes et oncolithes et son ciment calcaire. Il s'agit d'un calcaire formé dans des conditions de mer chaude (>25°C) et agitée, en position péri-récifale

Il s'agit d'un calcaire oolithique, parfois mal consolidé et donc sableux

source : lithothèque de Normandie

Comparaison entre les variations piézométriques de la nappe du Bajocien et celle du Bathonien à Cintheaux

variation piézométrique en m

chaque chronique est centrée par rapport à sa médiane

Interprétation

• Pas d'expression de la cyclicité annuelle
• Des cycles interannuels plus ou moins réguliers et plus ou moins amples
• La décharge de la nappe s'établit sur plusieurs années (de 1988 à 1994 par exemple)
• La recharge s'exerce sur plusieurs années (1999 à 2001)
• La cyclicité pluriannuelle s'observe également dans le Bajocien, mais de manière plus discrète
• Il y a un déphasage entre le cycle pluriannuel du Bajocien et celui du Bathonien

variation piézométrique en m

• Des processus de recharge et de décharge tamponnés
• Milieu de moindre diffusivité
• Emmagasinement pluriannuel (effet mémoire)
• Milieu à plus forte porosité
• Un pic plus aigü en 2001 : changement de milieu ? (moindre porosité)
• La nappe pourrait être stockée dans le Calcaire de Bon-Mesnil et monter dans le Calcaire de Ranville lors des événements les plus rares

variation piézométrique en m

Conclusion de cette partie : les facteurs de contrôle de la piézométrie

Les fluctuations piézométriques sont influencées par

la pluie efficace et donc par le climat et la végétation

les caractéristiques du sol. La réserve hydrique du sol varie selon les saisons, l'épaisseur du sol et sa composition. Le sol doit être humecté pour permettre à la pluie de percoler en direction de l'aquifère

l'épaisseur et les caractéristiques de la zone non saturée parmi lesquelles la porosité matricielle et la fracturation

la composition et l'épaisseur de l'aquifère qui va jouer sur l'emmagasinement, la transmissivité et la diffusivité de l'eau souterraine

piézomètre

La distance à la mer, à la zone de drainage (rivière)..., la marée, le niveau marin, la pente du territoire...sont aussi des facteurs d'influence de la piézométrie.

Etude de chroniques de température d'eau souterraine

La température est un paramètre facile à mesurer et dont les chroniques offrent des informations sur les facteurs de contrôle qui interviennent dans la nappe

une série de schistes, grès et calcaires plissés datés du Cambrien au Dévonien

arrière pays (bocage armoricain)

Manche

colluvions de pente en pied de paléofalaise

P1

zones humides rétro-littorales

rochers affleurant à marée basse

massif dunaire

P4

P1

Source : BRGM, Rivages normands 2100, CAC

Relation entre la température de l'air, de la mer et de la nappe phréatique Point P1 de Barneville-Carteret (massif dunaire)

Température de l'air et de la mer en °C

Temérature nappe °C

• Une variation très tamponnée par rapport à celle de la température de l'air
• Une amplitude d'environ 3°C sur la chronique analysée
• Un maximum atteint en automne
• Fort déphasage avec la température de l'air mais aussi de la mer
• Une cyclicité infra-mensuelle structure la chronique, se surimposant vraisemblablement à un cycle saisonnier

Interprétation du graphique

Température de l'air et de la mer en °C

Temérature nappe °C

Relation entre la température de l'air et celle de la nappe phréatique en P1 (massif dunaire Barneville-Carteret)

Température de l'air en °C

Temérature nappe °C

• La température de la nappe Tn ne varie pas de manière journalière comme le fait la température de l'air Ta (précision des mesures = +- 0,1°C)

• Tn varie selon un cycle de 14 jours environ non enregistré a priori par Ta (à démontrer)
• En automne, alors que la température de l'air baisse, celle de la nappe continue de monter
• Hypothèse 1 : la chaleur emmagasinée durant l'été par le massif dunaire diffuse vers la nappe (conductivité thermique)

• Hypothèse 2 : en début de recharge, les eaux de percolation "lessivent" la chaleur contenue dans la zone non saturée
• Hypothèse 3 : écoulement d'eau plus chaude venant de l'amont ou de la partie inférieure de l'aquifère

Interprétation du graphique

Température de l'air en °C

Temérature nappe °C

Relation entre la piézométrie et la température de la nappe en P1 (massif dunaire Barneville-Carteret)

Température mer

P1

Piézométrie en m

Temérature en °C

Piézométrie

Température nappe

01/08/2022 29/08/2022 26/09/2022

Interprétation

• Signaux en opposition de phase en été
• Baisse de la température en période de vives eaux
• Hausse de la température en période de mortes-eaux
• Stratification thermique dans la nappe ?
• Rôle du flux géothermique : non
• Echange de chaleur entre la mer et la nappe ?
• Déphasage fin septembre ?

Température mer

P1

Piézométrie en m

Temérature en °C

Piézométrie

Température nappe

01/08/2022 29/08/2022 26/09/2022

recharge

Relation entre la piézométrie et la température de la nappe en P1 (massif dunaire Barneville-Carteret)

P1

Température nappe

Piézométrie en m

Piézométrie

Temérature en °C

Température mer

• Signaux en phase en hiver
• Hausse de la température en période de vives-eaux
• Baisse de la température en période de mortes- eaux
• Le déphasage s'exerce pendant une période de recharge de la nappe
• Mais aussi quand la température de la mer descend sous celle de la nappe
• Rôle de la recharge et du différentiel thermique entre la nappe et la mer à explorer : modélisation indispensable
• L'analyse naturaliste permet de conceptualiser le modèle à développer

Interprétation

P1

Température nappe

Piézométrie en m

Piézométrie

Temérature en °C

Température mer

Un réseau de suivi au Nord de Caen, propriété de Caen-la-Mer, implanté dans le cadre du programme de recherches "Rivages normands 2100"

Pz7 (digue)

cordon dunaire

Pz6 (mairie)

Lion-sur-Mer

Pz 6 camping

Colleville-Montgoméry

Pz3 (stade)

marais maritime

Ouistreham

Pz 5 cimetière

Pz2 (zone d'activités)

loess

lit majeur de l'Orne

Blainville

marnes

calcaires

Pz1 Beauregard

Variation de la température des nappes d'eau souterraine suivies dans le cadre du programme de recherche Rivages normands 2100 (site pilote de Caen)

coupe forage

Variation du niveau de la nappe et de sa température dans le forage P6 de Lion-sur-Mer

sol

0 m 1 4 6

sol sablo-argileux

sables argileux coquilliers

argiles

calcaires bathoniens

10

Variation de la température de la nappe dans les forages P6 et P7

P7

• Différence d'amplitude annuelle
• Différence d'amplitude journalière
• Déphasage
• Mini en juin pour Pz6
• Mini avril pour Pz7
• Mélange eau de mer / eau de nappe
• Plus d'eau de nappe en pz6
• Explique le déphasage et la différence d'amplitude
• Biseau salé
• Tenir compte des mélanges entre réservoirs dans les modèles, le cas échéant

Interprétation du graphique

P7

coupe forage

Variation du niveau de la nappe et de sa température dans le forage Pz4 de Colleville-Montgoméry

sol

0 m 1 4 6

sables fins noirs

sables fins ocre

sables gris argileux très fins

sables gris verdâtres

8.5

calcaires bathoniens

Plusieurs points suivis présentent une élévation de la température en début de recharge avec une influence thermique nycthémérale au printemps s'estompant quand la piézométrie baisse

Colleville

Ouistreham

Bassin parisien

Portbail

Caen

Massif armoricain

• Hypothèse 1 : la nappe se réchauffe au contact du sol en début de recharge
• Hypothèse 2 : les eaux de pluie se réchauffent en traversant les sols puis sont fraîches (plus vraisemblable)
• Hystérésis T°C printemps automne dans les sols, la nappe et les rivières

A forçage climatique équivalent, les variations thermiques des cours d'eau sont différentes entre le printemps et l'autome

Plusieurs explications possibles:

• stockage de chaleur atmosphérique
• stockage de chaleur océanique
• stockage de chaleur sol
• stockage de chaleur aquifère
• lessivage de la chaleur du sol lors de la recharge de la nappe
• le filtre exercé par le feuillage de la ripisylve

Le rôle de la température de la nappe des alluvions de l'Orne dans la pondération de l'effet de l'îlot de chaleur urbain dans Caen. Canicule de juillet 2022

Sous-titre

source : Olivier Cantat

Pas de réseau thermique intra-urbain à Saint-Lô, donc pas d'info sur le rôle joué par la Vire ou la Dollée

la prairie de Caen

Piézométrie, température et conductivité des eaux souterraines du massif dunaire de Saint-Germain-sur-Ay et du socle armoricain encaissant

Le havre de Saint-Germain-sur-Ay (Manche, France) : un autre site du programme de recherches Rivages normands 2100, piloté par l'OSUR (Université de Rennes)

havre de Surville

havre de Saint-Germain-sur-Ay

source : google Earth

Un cordon dunaire entre la mer et la vallée de l'Ouve support d'activités balnéaires et maraîchères

Maraîchage

Haut pays

Station balnéaire

Vallée de l'Ouve

Maraîchage

Dunes

Station balnéaire

Dunes

havre de Saint-Germain-sur-Ay

source : google Earth

Saint-Germain-sur-Ay, ses espaces naturels et ses activités

Le havre

© Thierry HOUYEL

© Thierry HOUYEL

© Street view google

• 4 forages réalisés dans les sables du massif dunaire
• 2 forages réalisés dans des schistes et grès paléozoïques

Le contexte géologique du suivi

P3

P2

P1

alluvions récentes

sable éolien

sédiments marins

P6

P5

schistes et grès dévoniens

P4

schistes et grès ordovico-siluriens

P1 situé à 215 m de la mer

Une configuration fréquemment rencontrée le long des côtes basses de nombreux littoraux mondiaux

haut pays socle armoricain

marais de l'Ouve

cordon dunaire

platier rocheux

marais rétro-littoral

massif dunaire

paléo-falaise

0 2000 4000 6000m

distance

Contexte environnemental des piézomètres

P2

P1

P3

P4

P5

P6

Profondeur de la nappe sous le sol à l'issue de la foration (niveau dit statique)

Cote altimétrique en m du sol

P3 2.22 m venue d'eau à -9 m

2 5 6 7 8 9 10 15 20 30 50

P2 1.12 m

P1 1.58 m

P6 1.36 m

P5 1.49 m

P4 2.23 m

P3

P2

Interprétation des chroniques piézométriques du site

P1

P6

P5

P4

Socle armoricain

Piézométrie en m

Massif dunaire

juil 2021 nov 2021 mar 2022 juil 2022

P3

P2

• Tous les signaux partagent une signature commune avec une amplitude plus forte en P6 mais surtout en P3
• Des signaux proches les uns des autres dans le massif dunaire avec une variation de cote du toit de la nappe

• hausse significative à partir de la fin octobre
• baisse significative à partir de mars
• recharge aquifère : principalement en automne et en hiver
• décharge aquifère : principalement au printemps et en été
• mis à part les variations d'amplitude, l'hydrosystème semble très homogène en première analyse en termes de recharge et décharge aquifères
• pas de déphasage dans la survenance des pics de recharge

Interprétation des chroniques piézométriques : les messages clefs

P1

P6

P5

P4

Socle armoricain

Piézométrie en m

Massif dunaire

juil 2021 nov 2021 mar 2022 juil 2022

Explication de la différence d'amplitude observée entre la chronique piézométrique P3 (socle armoricain) et celles du massif dunaire

P2

P3

P1

P6

P5

P4

pente autour de 1%

pente autour de 1% (vert bleuté)

• Pas de différence significative en termes d'exposition climatique et de physiographie mais P3 est en pied de versant
• Pas de différence significative en termes d'infiltration (pas de déphasage marqué entre pics de recharge)
• Différence liée aux caractéristiques du sous-sol : la porosité et la transmissivité du matériau aquifère
• Ces caractéristiques sont homogènes dans le massif dunaire
• Les schistes sont soit moins poreux, soit moins transmissifs soit les deux
• Porosité et transmissivité se modélisent à partir des variations piézométriques

Les variations de température de l'eau souterraine

P2

P3

P1

P6

P5

P4

• Une cyclicité annuelle (chroniques courtes)
• Une amplitude thermique beaucoup plus élevée dans la nappe des massifs dunaires que dans celles du socle armoricain (quelques 1/10 °C en P6)
• Un maximum thermique atteint en fin d'été dans la nappe du massif dunaire et en milieu d'hiver pour P6
• Le minimum thermique en P3 est atteint en mai et en août en P6 (socle armoricain)
• Un signal tamponné et un minimum déphasé en P4 par rapport aux autres signaux du massif dunaire, avec un effet d'hystéresis (comportement différent à la montée par rapport à la descente)
• La recharge joue sur la température de la nappe sauf en P6
• Les variations thermiques en P2 sont beaucoup moins inertielles que pour les autres points suivis
• Un signal bruité en été en P6
• P1 enregistre la marée

Description des variations thermiques de la nappe phréatique à Saint-Germain-sur-Ay (Manche)

P2

P3

P1

P6

P5

P4

mi septembre

mi septembre

début de la recharge

La chronique P6 présente un signal haute fréquence qui s'estompe progressivement en automne

P2

P3

P1

P6

P5

P4

• De la chaleur diffuse dans l'aquifère depuis la surface en été jusqu'à la nappe (à démontrer)
• Ce n'est pas le facteur de contrôle principal des variations thermiques observées
• L'écoulement doit intervenir dans le déphasage du cycle thermique en P6 (à démontrer)
• Les variations piézométriques en P6 seraient plutôt liées à du transfert de charge qu'à la pénétration in situ de précipitations efficaces

P2

Les variations de conductivité observées dans les eaux souterraines du massif dunaire et de son encaissant armoricain

P3

P1

P6

P5

P4

• L'étude de la piézométrie a conclu trop rapidement à un fonctionnement homogène entre les différents aquifères observés

• L'étude de la température a permis de mettre en évidence des différences entre socle armoricain et massif dunaire et des particularités intra-dunaires
• Les variations de conductivité expriment l'existence de nouvelles singularités
• Les eaux sont datées en moyenne de plusieurs décennies (mélange eaux anciennes et eaux récentes)

P2

P3

Quelques interprétations

P1

P6

P5

P4

baisse brutale de la conductivité en fin de recharge

III

hausse de la conductivité quand l'aquifère se recharge

II

Hypothèses :

• I Recharge avec de l'eau de faible conductivité (pluie) en P3
• II Recharge avec de l'eau de forte conductivité en P2 (pluie minéralisée au contact du sol et de la zone non saturée)
• II Rôle probable des pollutions d'origine agricole
• III Dilution et / ou dénitrification
• IV Dénitrification
• V Minéralisation au contact de la roche ou mélange d'eau en P3

IV

diminution progressive de la conductivité en période de tarissement

baisse de la conductivité quand l'aquifère se recharge

augmentation progressive de la conductivité en période de tarissement

Evolution de la piézométrie et de la conductivité de la nappe en P5 (massif dunaire)

Environnement proximal

augmentation de la conductivité en période de recharge

poursuite de l'augmentation de la conductivité malgré la décharge

P5

arrivée d'eau polluées en nitrates provenant de l'amont hydraulique ?

zoom

P5

Carte piézométrique du massif dunaire (basses eaux)

Hypothèses

• P1, P2, P4 et P5 sont tous en aval hydraulique de la zone d'activité maraîchère
• L'infiltration s'exerçant au droit des zones urbaines abritant P1, P3 et P5 ne doit pas être en mesure d'apporter des nitrates d'origine agricole (des chlorures liés aux embruns cependant)
• L'augmentation de la conductivité en P5 après la période de recharge doit être à relier avec l'arrivée d'eau provenant de l'amont hydraulique du point.
• En P2, le massif dunaire doit recouvrir le marais qui le cotoie, permettant la dénitrification

P2

7 m

6 m

8 m

P1

10 m

11 m

8m

9m

9 m

P5

P4

• Des transferts rapides, en période de recharge apportant dans les sables des pollutions agricoles
• Des mélanges d'eau jeune et ancienne, chacune ayant ses particularités thermiques et géochimiques
• Des écoulements lents, notamment dans le socle, avec des eaux peu influencées par les recharges locales
• Des transferts de chaleur par diffusion thermique dans le sable, peu dans le socle
• La mer bloquant les écoulements, forçant les lignes d'écoulement à s'infléchir et la nappe à affleurer (estran, marais, inondations en hautes eaux
• Ce schéma est établi en complétant les diagnostics avec des datations de l'eau

Le schéma conceptuel du fonctionnement hydrologique des aquifères du littoral

sol

sable ou socle altéré

socle fracturé

Conclusions

• Les séries temporelles ne sont pas simplement des données servant à caler les modèles destinés à représenter le fonctionnement d'un système
• Elles contiennent de très nombreuses informations sur les processus qui régissent les écosystèmes
• A travers l'étude des processus, il est possible de déterminer la source qui est responsable de chacun d'entre eux (la marée par exemple). Ces sources sont dénommées les facteurs de contrôle.
• Le traitement statistique des chroniques temporelles, non abordé ici, permet de caractériser les particularités des facteurs de contrôle en termes de fréquence et d'amplitude. Selon l'organisation du réseau de mesure et le nombre de stations suivies, il est possible de déterminer comment l'amplitude de chacun des facteurs évolue dans le temps et dans l'espace du système instrument.
• La qualité architecturale du réseau de suivi est une des conditions de la performance analytique