Chapitre 2.2.€: Fonctionnement hydrologique de la zone humide à l

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Chapitre 2.2. : Fonctionnement hydrologique de la zone humide à l'échelle
régionale
P. Weng, A. Coudrain, C. Kao, H. Bendjoudi
1. Introduction
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.
2.2. 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
Marne
Paris
Se
Aube
ine
n
Yo
Se
ine
ne
25 Km
Secteur étudié
P36
P37
P35
P38
N
500 m
Piézomètres de 5m de profondeur
Mesure du niveau d'eau de la Seine
Site atelier
Figure 2.2.1. 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.
2.3. 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
Tableau 2.2.1 Granulométrie de différents horizons de sol (% pondéral)
Profondeur
Argiles
Limons
Sables
20 cm
42.6
53.2
4.2
40 cm
44.2
54
1.8
84 cm
49.3
48
2.7
100 cm
42.9
54.1
3
2.4. 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 0.29‰.
2.5. 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 2.2.2. Coupe du forage de 15 m. Celui de 6 m a les mêmes caractéristiques mais ne pénètre que
dans les alluvions.
53
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.
2.7. 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.
2.8. 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
Figure 2.2.3. 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 2.2.2 Détermination des conductivités hydrauliques pour les différents horizons
Piézomètre
K (m/s)
Argiles-limoneuses
P6m (alluvions grossières)
P15m (craie)
8*10-7 à 10*10-7
2.5*10-3
6.98*10-4 à 8.73*10-4
4. 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 2.2.6 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
55
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
A
Hmax-
0-
temps
B
Hmax-
0-
temps
C
Hmax-
0-
temps
tmax
Hmax est atteint à tmax pour les lignes A, B et C.
Figure 2.2.4. Cas idéal d’inondation de la zone humide par remontée phréatique.
56
Partie intérieure du bassin, 7m
A
B
t1
C
A
B
t2
C
hauteur d'eau par rapport au niveau du sol
A
Hmax-
0B
Hmax-
retard
0-
temps
temps
C
Hmax-
0-
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 2.2.5. Action combinée de remontée phréatique et de débordement de la rivère.
57
Précipitations journalières (mm)
40
20
0
ipitations
Cote absolue (m ngf)
précipitations
ite aux préc
69.00
réaction suite aux
réaction su
70.00
68.00
Période d'infiltration depuis
la rivière (P37>P38)
Période d'infiltration depuis
la rivière (p37>p38)
67.00
Cote de la Seine à Conflans
P37
P38
66.00
Jan Fév Mar Avr Mai Jui Jui Aoû Sep Oct Nov Déc Jan Fév Mar Avr Mai Jui Jui Aoû
1998
1999
Figure 2.2.6. Relation entre la côte de la Seine et le niveau d’eau dans la zone humide.
4.2. 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.
4.3. 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 67.94 m et 66.88 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 68.19 m et 68.26 m (différence de hauteur de 7 cm).
58
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.
29/10/1998
06/05/98
24/09/1998
36
36
37
35
36
37
38
35
37
38
35
38
Figure 2.2.7. Circulations souterraines dans la zone humide.
4.4. 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 0.30‰. Sur la figure 2.2.7 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 m3 et 1100 m3 par jour
et par kilomètre de rivière.
4.5. 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.
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Cote absolue (m NGF)
70
Niveau du sol
69
68
70
Niveau du sol
69
68
70
Enregistrements de la ligne extérieure au bassin
Enregistrements de la ligne intérieure au bassin
Niveau du sol
69
68
Enregistrements du piézomètre de surface dans le bassin
Novembre
Décembre
1998
Janvier
Février
Mars
Avril
Mai
1999
Figure 2.2.8. Fonctionnement du bassin entre novembre 1998 et mai 1999.
5. 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
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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 4.2 10-6 ms-1 et 6.2 10-6 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 8 10-7 ms-1 et 10 10-7 ms-1.
6. Variations de la cote de la Seine et conséquence sur les échanges verticaux
70
Cote de la Seine
20
69
15
68
10
Pas de
données
67
5
66
Gradient vertical de charge hydraulique (pour mille)
Cotede la Seine (m ngf)
Gradient de charge
0
Jan Fév Mar Avr Mai Jui Jui Aoû Sep Oct Nov Déc Jan Fév Mar Avr Mai Jui Jui Aoû Sep
1998
1999
Figure 2.2.9. Evolution de la cote de la Seine et du gradient vertical de charge hydraulique (craiealluvions) en fonction du temps
La figure 2.2.9 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 1999. 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 1999. 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 1999. 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
61
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 2.2.10). 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
68.20
1999
P15m
Cote piézométrique (m ngf)
P6m
68.10
68.00
67.90
67.80
Juin
Juillet
Août
Septembre
68.20
Cote piézométrique (m ngf)
1998
68.10
68.00
67.90
Pas de données piézométriques
67.80
Juin
Juillet
Août
Septembre
Figure 2.2.10. Fluctuations périodiques du niveau d'eau dans la zone humide durant les étés 1998 et 1999.
62
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
Profil B: charge hydraulique (m)
67.50
68.00
68.50
69.00
69.50
Relevés tensiométriques et niveaux
de nappe mesurés par piézométrie
0.00
05 nov 98 / 68.66m
P rofondeur (m )
14 jan 99 / 68.06m
-0.50
04 fév 99 / 68.90m
04 mar 99 / 69.28m
-1.00
-1.50
Surpressions à 1 m
de profondeur
Figure 2.2.11. 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 2.2.11) sur les deux sites.
Les charges hydrauliques mesurées diminuent à mesure que la profondeur augmente. Les tensiomètres
63
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).
66.00
67.00
68.00
69.00
0.00
Profondeur (m )
Evaporation
-0.50
Plan de flux
nul divergent
Infiltration
-1.00
05 mai 99 / 67.84m
-1.50
20 mai 99 / 68.12m
Figure 2.2.12. 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 2.2.12). 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 2.2.13). 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
60.00
0.00
62.00
64.00
66.00
68.00
Profondeur (m )
03 juin 98 / 67.97m
24 juin 99 / 67.98m
-0.50
21 juil 99 / 67.99m
16 sep 99 / 68.00m
-1.00
-1.50
Figure 2.2.13. 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.
65
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 1999. 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

Chapitre 2.2.€: Fonctionnement hydrologique de la zone humide à l

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