Sujet : Les impacts hydrodynamiques des gravières sur la
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1. BA A Figure A2 Simulation de la pi zom trie m avec zone charge impos e 129 m bleu fonc 33 TOIT CUFT qot 492 TOF G ke L 20 380 GIS 0266 D llt 20 30c 207 027 2017 COF3tE 20 3 c 204 3GE 1392 20 201296 Z0 342 TORRES 6 aE MRE LA ZOE z0 3 c T0 3SC SES ZAF 0 390 TT T 90 2 2013664 GOTH 0 39 1 6 20 392 TT 60H II T 60H27 7 2 GOFIACTE ZUR V T 1 60125611 T 222 2 261 TOFI6TT 20 3671 ZOU T 2097 017 COTON G0O 30E L 1 TOTALE CLOSE TT OHH OFS 20136 TT TTT 00 3 gora Z0 3ES4 BASCH nr COIL ZOFIFE TOFAPENTT ZOFIFE I T 2 00 2 71 4 m2 s hauteur C ivi re trie m avec zone type ri d eau 129 m bleu clair 7 lezome D I Simulation de 7 Figure A3 SE DE CA Q67 CGC TIT SSE SSC 091 T 0 HERAN FEA RE CTE LEE art V CEA pri ITIL Lap Tssssssstv TOR SANSAR 2 07 2155 211822 2 BRL sec A ter CGF sa2. TT T gezi T T1 4 GCL SB TT Troe CT Chr vac TTT Trier TF Pet oi FEET TT TG TET CO LEL 0 duel T rate TETE BTA T ozel Ma Faa EEL 71 7 1 2 S ZEIT TTTISRET GF 4H T EN ree ee 4 GFL SEL lt ba dr 36 C EE En 1 TFET UP UTIIIIIIOHI uen esssssali el Sri Siret rett RETOUR TITI TUE TH Och reset II 181884 Taer oor 1 T SSES er an D I L 9E COU 1 1 E Heerser eee ET trie m avec zone charge impos e 130 5 m bleu et D ezome Simulation de la p Figure A4 10 m s orange abilit pem Ke i re imperm able assoc D barr 34 y an H ol ol no we nha n o o kr ole e Fy FJ Fi wi FT FI FFF Pi FD FY FF FF FD ON CY CT CN EN TITY EN UY D 1 Om DD ella 19 DIA CO ei oO lll oL EI e eg DAQ 9 M M A n a AM M R N 1 174 lt PT TE T PT OT BTP IE PTE M cup eo O TO UT ET RTE TOM ENT ui bei Roi N a
3. 1 A Ali ko F AECH lt plag J Q n e n el n oja o pjo PaT oln N oa ge e N o OI O 0 FI P NIN EUX Pl RRO GAD Kai 5 TOT ITT HTT TTT TTT POF L E IT CEE gt E SCH LR ES ES ES S lt Fi lt le Co oQ D Ti H c w do nl lO nl pla ml La 6 Elo op Wl le lil alt Hl TE lO In Moun rM mm 9 M219 MM FLE NTS N OI N i LL ol Uh Bn DH IC TIT 1 TT Figure A5 Simulation de la pi zom trie m avec zone forte perm abilit 1 m s vert et barri re imperm able associ e perm abilit 10 m s noir L gende C Contour de la zone d tude Transmissivit 122 0 000490 0 004571 0 004572 0 007943 1188 0 007944 0 011482 l 5 Y HEM 0 011483 0 016218 1818 0 016219 0 023988 Auteur Gueho Yann Source Labarthe B Figure A6 Carte de la transmissivit m s de la zone d tude 35
4. UPMC E UMR 7619 Stage de fin de premi re ann e de Master Sujet Les impacts hydrodynamiques des gravi res sur la nappe alluviale de la Bass e Etudiant Yann Gueho M1 ECH UPMC Responsable de stage Anne Jost UMR 7619 Metis UPMC Rapporteur Nicolas Lemoine UMR 7619 Metis UPMC Dur e du stage du 27 04 14 au 28 07 14 R sum Les gravi res sont depuis les ann es 1960 en pleine expansion en France particuli rement dans la plaine de la Bass e Vall e de la Seine Dans tte plaine existe une nappe alluviale nappe libre sensible aux changements brutaux induits par l excavation de granulats dans les premiers m tres de la plaine L impact hydrodynamique de ces gravi res n a que peu t tudi c est pourquoi nous proposons de caract riser cet impact l aide du mod le de simulation des coulements souterrains MODFLOW en essayant de se rapprocher du cas d tude de la plaine de la Bass e Pour ce faire il a t indispensable d acqu rir des connaissances tir es de la litt rature pour comprendre les ph nom nes li s aux gravi res en particulier leur colmatage puis nous avons effectu quelques tests partir d un mod le simple sur la mani re de repr senter ces gravi res Un mod le plus complexe a ensuite t cr bien qu tant encore une version pr liminaire pour simuler l effet des gravi res au sein de la plaine de la Bass e Le manque de donn es constitue cependant
5. tude ns L gende i 0 4 25 8 5 17 Kilometers k C contour de la zone d tude R seau hydrographique L 1 1 1 1 1 L J C contour de la Bass e Sites d tude de Schanen 1998 1 Vimpeles 2 Egligny Auteur Gueho Yann Source IGN Labarthe B Figure 17 Contours de la plaine de la Bass e et de la zone d tude Il est important de noter que nous ne poss dons actuellement pas de donn es r centes mesur es sur le terrain ce qui emp che tout calage de notre mod le l aide d observations Les campagnes de mesures et de mise en place de dispositifs entreprises par le PIREN Seine tendent combler ce manque de donn es dans les parties amont et aval de la Bass e et 24 vont permettre la validation et le calage de notre mod le Plus pr cis ment le projet du PIREN Seine vise installer un r seau de dispositifs de mesures sous forme de triplets Seine alluvions et craie ainsi que de points gravi res afin d tudier les changes gravi re nappe rivi re Les travaux de Labarthe et al 2013 s inscrivent dans ce projet et visent caract riser le fonctionnement hydrodynamique de la Bass e en utilisant plusieurs mod les d chellks diff rentes r gional interm diaire et local et en les embotant Les r sultats issus de t embo tement sont actuellement en cours de validation B Construction du mod le L objectif final de l laboration du mod le Bass e est de complxifier le mod le sim
6. ce mat riel a besoin d tre cal avec des mesures de terrain qui pourront tre fournies par le PIREN Seine Les gravi res constituant des plans d eau seront alors tudi es en tant que proxy du stock d eau dans la plaine alluviale Une tude approfondie du r le tampon des gravi res serait alors envisager et pourrait notamment se baser sur le mod le cr 30 Bibliographie Bendjoudi H P Weng R Gu rin and J F Pastre Riparian Wetlands of the Middle Reach of the Seine River France Historical Development Investigation and Present Hydrologic Functioning A Case Study Journal of Hydrology 263 no 1 2002 131 55 BRGM Etude hydrog ologique de faisabilit du projet Bass e Chiang WH Kinzelbach W Processing ModFlow a simulation system for modeling groundwater flow and pollution Manuel d utilisation de l interface PMWIN D cembre 1998 331 p Fleckenstein Jan H Richard G Niswonger and Graham E Fogg River Aquifer Interactions Geologic Heterogeneity and Low Flow Management Ground Water 44 no 6 Understanding November 2006 837 52 doi 10 1111 j 1745 6584 2006 00190 x Greiner I 1997 Analyse de la variabilit fonctionnelle de la plaine alluviale de la Seine et mod lisation des transferts de nitrates Doctoral Thesis University Paris VI 241 p Labarthe B Flipo N Abasq L Deleplancque B Jost A Mouhri A De Fouquet C Premi re caract risation
7. s par des gravi res en 2002 La situation actuelle est pr sent e figure 7 Bassin versant Cours d eau A Point culminant Fronti re internationale Paris Villes notables Figure 6 Localisation g ographique de la Bass e Source Wikip dia 2014 12 2 Enjeux Il s agit donc d une zone relativement petite l chelle du bassin versant de la Seine mais d un int r t grandissant notamment pour ses ressources granulats alimentation en eau et travers plusieurs projets Entre autres le projet r alis par les Voies Navigables de France consiste tendre le r seau grand gabarit navires de 2500 tonnes d j existant jusqu Nogent sur Seine Le projet d am nagement de la Bass e se concentre quant lui sur la cr ation de zones casiers dans l objectif de retenir les eaux de la Seine durant les crues par pompage de la rivi re d o l int r t du PIREN Seine pour cette zone Les zones casiers peuvent englober plusieurs gravi res qui forment un v ritable bassin de r tention voir figure 7 zones casiers d limit es en noir Les travaux r alis s durant ce stage apportent donc de nouvelles connaissances aux travaux r alis s dans le cadre du projet PIREN Seine et particuli rement aux travaux de Labarthe et al 2013 sur la caract risation hydrodynamique de la Bass e 138 8 Emprises des digues a Caeptages AEP P rim tre de Protection de captage B
8. 60 ans pour leurs ressources en sables et graviers aussi appel s granulats Ces derni res forment la majeure partie plus de 90 des mat riaux utilis s en France pour la construction dans le domaine du g nie civil et du b timent La forte expansion de cette activit d exploitation a eu lieu dans les ann es 70 comptant pr s de 300 milions de tonnes de granulats produites par an Les ann es 50 marquent le d but de la production avec 20 millions de tonnes produites par an tandis qu aux environs de 2000 cette production atteignait 400 millions de tonnes par an Actuellement l extraction semble s essouffler un peu avec 379 millions de tonnes produites par an 354 millions de tonnes extraites et 25 millions de tonnes produites par recyclage r pertori es en 2011 Minist re de l cologie du d veloppement durable et de l nergie 2014 L extraction de ces mat riaux s effectue de mani re simple en creusant dans la plaine alluviale jusqu atteindre les niveaux riches en sables et graviers alluvions anciennes Les fosses ainsi cr es sont appel es des gravi res aussi trouv es sous les noms de ballasti res ou sabli res Ces gravi res sans fomes particuli res peuvent atteindre plusieurs centaines de m tres de longueur pour plusieurs m tres de profondeur d pendant de la profondeur des niveaux alluviaux recherch s comme peuvent en t moigner ks figures 1 et 2 ci dessous Figures 1 et 2 gauche gravi re en
9. d argiles tandis que les anciennes sont faites de sables graviers et galets ce qui en fait une couche la granulom trie beaucoup plus grande Ces derni res sont donc l objet de la convoitise des graviers et se situent g n ralement sous une couche d alluvions r centes de quelques m tres d paisseur La craie constituant le substratum de ces alluvions est une couche d une puissance pouvant atteindre 600 m tres dat e du S nonien Cr tac sup rieur Cette craie peut subir une alt ration lors de son contact avec les alluvions se manifestant travers trois faci s d alt ration poss dant chacun des propri t s diff rentes Il existe aussi une couverture tertiaire dat e de IY pr sien Eoc ne dans le secteur nord ouest de la Bass e compos e d argiles et de sables AE e Holoc ne Pl istoc ne Plioc ne Mioc ne Oligoc ne Eoc ne et pal oc ne Cr tac sup rieur Cr tac inf rieur Jurassique sup rieur Jurassique moyen Jurassique inf rieur ERR O REN 20 km Figure 8 Carte g ologique de la r gion de la Bass e Source G oportail 2014 D un point de vue hydrog ologique deux syst mes aquif res se distinguent dans ce domaine l aquif re de la craie et l aquif re alluvial Ces deux aquif res ont beaucoup t tudi s particuli rement par M gnien 1979 qui en donne les caract ristiques principales Il est important de noter que l aquif re de craie n
10. gionaux le plan d eau draine la nappe l amont et lui en restitue une partie l aval Peaudecerf 1975 d crit les influences des gravi res sur la pi zom trie environnante La cr ation d une fosse au milieu de la nappe alluviale va former une tr s grande discontinuit hydraulique une partie du milieu poreux est retir e et la nappe est mise nu ce qui va correspondre une zone de transmissivit infinie La pi zom trie va donc r agir cette discontinuit et cette cote pi zom trique horizontale impos e La figure 3 pr sente les variations de pi zom trie selon Peaudecerf 1975 Une gravi re non colmat e va accrotre les coulements souterrains sa proximit imm diate Le niveau horizontal impos dans la gravi re induit un rabattement de la surface pi zom trique en amont de la gravi re et une mise en charge de celle ci en aval Cependant dans la nature ce cas n est absolument pas commun puisque les gravi res vont subir un colmatage qui va modifier les propri t s hydrodynamiques des berges et du fond de la gravi re non sans cons quences K D c Amont Sat er n e onvergence des coulements rabattement l vation du niveau Figure 3 Impact hydrodynamique d une gravi re non colmat e Source Peaude rf 1975 Le comatage est un ph nom ne li au vieillissement de la gravi re qui va modifier les changes nappe gravi re Le niveau des plans d eau va varier avec le
11. homog ne dans toute la couche 0 006 m s soit une transmissivit de 0 06 m s Recharge globale homog ne en tout point 1 55 07 m s La valeur a t fix e aussi forte pour traduire la somme de la recharge de surface et de la recharge par la craie Maillage peu tendu mailles de 62 5 62 5 m organis es dans un mod le 50 colonnes et autant de lignes Pente topographique constante 8 o altitude de la bordure ouest 150 m altitude de la bordure est 125 5 m Ces valeurs ne sont pas repr sentatives de la Bass e mais n affectent pas les r sultats puisque la pente est similaire celle observ e en Bass e Bordure est repr sentant une rivi re avec une condition aux limites charge impos e charge fix e 124 5 m Il est important de noter que les valeurs utilis es de mani re homog ne ont t fix es en fonction des informations trouv es dans la litt rature Schanen 1998 Weng 2000 Bendjoudi et al 2002 Labarthe et al 2013 La pi zom trie simul e par ce mod le simple sans modfication li es aux gravi res est pr sent e figure 12 en coupe et figure A1 en carte en annexe C est partir de cette pi zom trie de r f rence que les propri t s de mod lisation des gravi res seront fix es Notons toutefois que le gradient hydraulique simulk n est pas repr sentatif de celui pr sent 19 en Bass e d un ordre de grandeur 0 06 pour les r sultats de Schanen 1998 contre 0 6 pour la
12. hydrodynamique des changes dans la plaine alluviale de la Bass e Rapport PIREN Seine 2013 phase 6 2013 1 40 Megnien C 1979 Hydrog ologie du centre du bassin de Paris Contribution l tude de quelques aquif res principaux Doctoral Thesis University of Paris VI M moire BRGM n 98 532 p Mimoun D 2004 Spatialisation de l information une aide l analyse hydraulique et paysag re d velopp e lors de la r habilitation des sites post industriels Cas des r am nagements des gravi res en eau en milieu alluvionnaire Doctoral Thesis University Jean Monnet Saint Etienne 378 p Munz Matthias Stefan Krause Christina Tecklenburg and Andrew Binley Reducing Monitoring Gaps at the Aquifer River Interface by Modelling Groundwater Surface Water Exchange Flow Patterns Hydrological Processes 25 no 23 November 15 2011 3547 62 doi 10 1002 hyp 8080 Peaudecerf P Effets Des Gravi res Sur Le Comportement Hydrodynamique Des Nappes D eau Souterraines La Houillk Blanche no 2 3 March 1975 133 40 doi 10 1051 lhb 1975007 Rushton Ken Representation in Regional Models of Saturated Riv er aquifer Interaction for Gaining losing Rivers Journal of Hydrology 334 no 1 2 February 2007 262 81 doi 10 1016 j jhydrol 2006 10 008 31 Schanen O 1998 Analyse et mod lisation de l impact hydrodynamique et biog ochimique des lacs de gravi res sur la nappe alluviale du Val de Seine
13. peut passer par plusieurs points e L acquisition de donn es de terrain au niveau des gravi res ainsi qu au niveau de la nappe pour caler et valider la repr sentation des gravi res e L am lioration de la pi zom trie de r f rence en prenant en compte les gravi res passant aussi par k point ci dessus e La compkxfication du mod k prise en compte des h t rog n it s transmissivit recharge augmentation de la taille du mod le extension l ensemble de la plaine ajout d une couche de craie e La prise en compte des interactions des gravi res avec l atmosph re complexifiant encore plus k mod le et n cessitant aussi des donn es L ensemble de ces points permettrait de se rapprocher du cas r el de la plaine de la Bass e et de construire le mod le Bass e 29 Conclusion Les r sultats du mod le Bass e 2 sont encourageants et incitent la recherche de l am lioration de ce mod le qui est teme l objectif de la fin de ce stage en juillet Ils confirment les observations trouv es dans la litt rature notamment la mise en charge de la nappe l amont et un rabattement brutal en aval des plans d eau colmat s Cette am loration passe in vitablement par l acquisition de donn es de terrain ce qui est en parfait accord avec le projet PIREN Seine La mise en place de dispositifs de mesure en continu l aval comme l amont serait extr mement b n fique au calage et la validation de not
14. rivi re et en t la rivi re alimente la nappe dans la r gion de Marcilly sur Seine en limite amont de la Bass e 06 05 98 24 09 1998 29 10 1998 Figure 9 Evolution de la surface pi zom trique pour trois tats a conditions normales b conditions d inondation et c en t Source Bendjoudi et al 2002 La figure 10 pr sente la pi zom trie en conditions normales dans le secteur d Egligny Nous pouvons noter un cas comparable au cas 9 a ci dessus la nappe alimente la rivi re les coulements se font vers celle ci d un amont hydraulique vers l aval De plus la pr sence de gravi res dans la zone a t tudi e par Schanen en 1998 qui met en vidence certains de leurs impacts Nous pouvons remarquer de mani re g n rale que les gravi res vont venir modifier les coulements de la nappe Dans le cadre de sa th se Schanen 1998 a r alis un mod le bas sur l optimisation du bilan hydrobgique afin de d terminer l ensemble des param tres hydrodynamiques de la zone et ce m me au niveau des gravi res Ses r sultats indiquent des perm abilit s faibles au niveau des berges variant entre 1 8 10 et 3 9 10 m s selon le degr de colmatage et l emplacement de la berge face aux coulements traduisant bien un colmatage lorsque celles ci sont faibles Dans le cas d un comatage les coukments sont modifi s l eau contourne les gravi res voir figure 10 En parall le les valeurs de t
15. simulation TE Rivi re TL wei reen wl Tan Pi zom trie 2m 250 m Figure 12 Coupe ouest est du mod le simple apr s premi re simulation 2 R sultats obtenus et critique Plusieurs tests ont t r alis s avec les diverses techniques pr sent es auparavant En r sum les diff rentes m thodes test es ont t le moduk rivi re le module barri re de flux horizontal une charge impos e dans la gravi re et une perm abilit de 1 m s dans la gravi re traduisant Une absence de r sistance l coulement la nappe s quilibre d elle m me avec la gravi re Il a t parfois possible de combiner deux techniques diff rentes comme la perm abilit lev e et l ajout de barri re imperm able en bordure de gravi re L ensemble de ces m thodes ne vont pas servir repr senter les m mes gravi res particuli rement en ce qui concerne le degr de colmatage des berges Pour chacun des tests la zone gravi re poss de les m mes caract ristiques pour permettre une meilleure comparaison des r sultats g om trie distance la rivi re entre autres La figure A2 en annexe pr sente les r sultats d une simulation de gravi re en charge impos e Les param tres restent les m mes que ci dessus Le niveau impos la gravi re est de 129 m pour une pi zom trie en tat normal variant entre 129 et 130 5 m Nous observons l iss
16. 1110011 D PER RES E O SD E a ER D 5 Partie I Etat des connaissances actuelle et recherches bibliographiques 6 A Fonctionnement g n ral des gravi res 6 B Cas d tude Bi BASSE eisai ae a EEEa 11 Partie II Mod lisation et repr sentation des gravi res 17 A Le mod le MODFLOW et la repr sentation des gravi res 17 B l model SIMD essa a dotation ua 19 Parti III Mod lisation de la Bass e NN 24 Aj Zon d tude dee e 24 BI Construction du mod le 25 C R sultats 06572101 Sasha an da da aan a ad runs 26 CONCUSSION aroni ns e a A a aa 30 Bibliographie E 31 ul 33 Liste des figures Figure 1 Photo de gravi re en cours de creusement nana iiias 6 Figure 2 Photo de gravi re apr s exploitation 6 Figure 3 Impact hydrodynamique d une gravi re non colmat e 8 Figure 4 Impact hydrodynamique d une gravi re colmat e 10 Figure 5 Sch matisation du syst me aquif re l chelle d une gravi re 11 Figure 6 Localisation g ographique de la Bass e 12 Figure 7 Situation actuelle de la plaine de la Bass e 13 Figure 8 Carte g ologique de la r gion de la Bass e
17. 14 Figure 9 Evolution de la surface pi zom trique pour trois tats a conditions normales b conditions d inondation et C en erte 15 Figure 10 Pi zom trie de la nappe en rive droite de la Seine 16 Figure 11 Sch ma explicatif du calcul du d bit l interface rivi re aquif re 19 Figure 12 Coupe ouest est du mod le simple apr s premi re simulation 20 Figure 13 Coupe ouest est du mod le simple apr s ajout d une zone flux impos 21 Figure 14 Coupe ouest est du mod le simple apr s ajout d une zone type rivi re 22 Figure 15 Coupe ouest est du mod le simple apr s ajout d une zone flux impos et barri res ue TEEN 23 Figure 16 Coupe ouest est du mod le simple apr s ajout d une zone perm abilit lev e et barri res imperm ables nissan sata au initier 23 Figure 17 Contours de la plaine de la Bass e et de la zone 06 006 24 Figure 18 Pi zom trie de r f rence 26 Figure 19 Pi zom trie simule par le mod le 83556622 27 Figure 20 Localisation et num rotation des gravi res 28 Figure 21 Pi zom trie simul e par le mod le Bass e 2 en pr sence de gravi res elen 29 ANNEXES nas ete teen einem etais est anne nette et aus niet 33 Introduction L intensfication de l exploitation de granulats en France part
18. 3 vont impacter les coulements notamment en induisant la modification de l isopi ze 52 m qui traduit le contournement de la gravi re par l eau La gravi re 6 accentue la faible divergence des coulements observ e dans la pi zom trie sans gravi re en modifiant l isopi ze 50 m mettant ainsi en vidence une mise en charge l amont Ces quelques observations vont dans le sens des observations faites partir des tests du mod le simple en parti II la divergence des coulements l amont a bien lieu formant la mise en charge de la nappe Du point de vue du rabattement aval sa mise en vidence n est pas flagrante cette chelle mais peut tre observ e au niveau de la gravi re 8 passage 28 d un niveau de plus de 49 m un niveau inf rieur 48 5 m l aval Il en va de m me pour la gravi re 2 avec des valeurs plus de 52 m l amont contre des valeurs inf rieurs 51 5 m l aval L gende 1 15001826 m Barri re de flux horizontal 6 Figure 21 Pi zom trie simul e par le mod le Bass e 2 en pr sence de gravi res colmat es les charges impos es sont en bleu fonc La mod lisation des gravi res dans ce mod le semble donc plut t fonctionner la vue de la simulation Les r sultats obtenus semblent s accorder avec les r sultats obtenus dans les tests du mod le simple ainsi qu aux observations recueillies dans la litt rature L am lioration de ce mod le
19. G oportail portail des territoires et des citoyens Consult le 07 05 2014 disponible sur http www geoporta lil gouv frf accueil ModFiow and Related programs site de l USGS science for a changing world Consult le 12 05 2014 disponible 5 usgs gov ogw modflo w Processing ModFlow for Windows version 5 3 ste de PMWIN Consult le 12 05 2014 disponible sur Atp www pmwi net pmwin5 htm BD Ak site de l IGN Institut National de l information G ographique et foresti re Consult le 02 06 2014 disponible sur Attp professionnek ign fr baatti 32 Annexes o Q 0 O OD N O G 0 Ol t ZOE tu Fy FF PU PA RI FF RY RD FY PI EN CH EN CN EN ENT DI CH i o CU O ON ON GH AECH e KC EIERE ro Lel r MIMI IM mim M D MNA RI CN CH lt TI o me weg ogeuoee T lt to O 879 MF OTC NE ro MLA e o ho n a D 10 Q O OO D O oNN oA OM M Oo Kai D Olt IN MIO ON 5 M 09 OCG up 1o Ce De E oa m Ire E IEN ES EU ES ES ES ES SES osi od o ln a wl
20. Th se de Doctorat de l universit Paris VI Smerdon B D Mendoza C A Devito K J Simulations of fully coupled lake groundwater exchange in a subhumid climate with an integrated hydrologic model Water resources research vol 43 n 1 W01416 2007 Smerdon B D Mendoza C A Devito K J The impact of gravel extraction on groundwater dependent wetlands and lakes in the boreal plains Canada Environmental Earth Sciences vol 67 n 5 November 2012 1249 1259 Weng P 2000 Fonctionnement hydrologique d une zone humide alluviale relations avec l aquif re sous jacent et les rivi res Exemple de la Seine moyenne Doctoral Thesis University Paris VI Paris 200 p Winter Thomas C Relation of Streams Lakes and Wetlands to Groundwater Flow Systems Hydrogeology Journal 7 no 1 1999 28 45 Winter Thomas C and James W LaBaugh Hydrologic Considerations in Defining Isolated Wetlands Wetlands 23 no 3 2003 532 0 R f rences internet Indicateurs de d veloppement durable territoriaux la production de granulats site du Minist re de l cologie du d veloppement durable et de l nergie Consult le 07 05 2014 disponible sur Attp mww statitiques devebppement durabl gouv fr ndicateurs indies f 498 1346 producton granu amp ts html Bassin de P Seine site de Wikip dia l encyclop die libre Consult le 07 05 2014 disponible sur http fr wkipedia org ywikyBassin de la Seine
21. aie 10 P pluie ET vapolranspirztion surtace pl rometrique E coulement de la nappe s alluvions Aquif re r gional craie alt r e iL Gm compacte end Figure 5 Sch matisation du syst me aquif re de la Bass e l chelle d une gravi re Source Schanen 1998 3 2 Echanges gravi re atmosph re La mise nu de la nappe dans une gravi re va impliquer des processus inexistants avant le creusement Tout d abord le plan d eau va tre sujet l vaporation directe en fonction des conditions climatiques et de sa g om trie pour un m me volume une profondeur faible et une grande surface favorisera l vaporation Si cette vaporation est plus importante que les pr cipitations un d ficit d alimentation de l aquif re peut appara tre Une composante vapotranspiratoire est aussi prendre en compte dans le cas de gravi res colonis es par des esp ces h lophytes ou hydrophytes qui vont avoir un besoin particulier en eau La grav re est en contact direct avec l atmosph re ce qui facilite grandement son alimentation par les pr cipitations De plus le fait que la gravi re soit une fosse induit un creux topographique o le ruissellement des eaux de surface va converger Ces l ments vont donc apporter ou retirer de l eau du syst me agissant ainsi sur la pi zom trie g n rale aux alentours de De nombreuses interactions ont donc lieu entre les gravi re
22. arettes AESN Wd E A Centre de p che priv s et tangs de p che 7 Huttes de chasse Port x 881118 Carri re en exploitation BR Centres de traitement Habitations V Etangs de loisirs p che plaisance EaR Peupleraies Ecosph re k A Espaces cultiv s Ecosph re Monuments historiques P rim tre de protection de monument historique kilom tres me DRIEE Cabinet Greuzat 2004 terrain EGIS EAU 2013 et acteurs du site 2014 chelle 1 35 490 Figure 7 Situation actuelle de la plaine de la Bass e Source egis eau 2014 3 Contexte g ologique et hydrog ologique La plaine de la Bass e est constitu e en grande partie de d p ts alluvionnaires du Quaternaire reposant sur une couche de craie dat e du Cr tac La g ologie de la zone a t d crite par Schanen 1998 et Weng 2000 Nous nous contenterons de rappekr les informations importantes en nous appuyant sur la figure 8 ci dessous 13 Les alluvions se situent au centre des vall es et palo vall es de la plaine Leur paisseur peut atteindre 12 m tres au centre des val es et quelques m tres leurs bordures 3 5 m Il existe deux types d alluvions dans la Bass e d pos es au Quaternaire les alluvions modernes dat es de l Holoc ne et les alluvions anciennes dat es du W rmien Ces deux types d alluvions ne pr sentent pas les m mes caract ristiques Les alluvions modernes sont essentiellement constitu es de limons et
23. cours de creusement droite gravi re post exploitation dans la r gion de la Bass e Source Gueho Y 2014 2 L gislation Ainsi la prise de conscience de la protection de l environnement de plus en plus d actualit a permis la r alisation et l application de bis codes ou arr t s minist riels visant am liorer l insertion et la vie des gravi res dans l environnement dans une optique de respect environnemental Mimoun 2004 dresse l inventaire des lois concernant les gravi res que nous r sumons ici Le code minier est la premi re l gislation dat e de 1956 concernant l encadrement des gravi res Il sp cifie que la mise en exploitation de toute carri re par le propri taire ou ses ayants droits est subordonn e une autorisation d livr e par k pr fet apr s consultation des services minist riels comp tents et des collectivit s locales Il en est de m me pour l extension de l exploitation sur des terrains non vis s dans l autorisation initiale D autres d crets et lois ont vu le jour depuis la cr ation du code minier dans un souci environnemental notamment en obligeant la remise en tat du site apr s la p riode d extraction ou l tude d impact de la gravi re sur l environnement en interdisant l ouverture de gravi res dans les lits mineurs des cours d eau ou dans la zone de mobilit des cours d eau par exemple En 1993 la bi Saumade est mise en place compl t e par quelques d cre
24. cription et aux r sultats de ce mod le Bass e 23 Partie 111 Mod lisation de la Bass e A Zone d tude La cr ation d un deuxi me mod le repr sentatif de la Bass e a n cessit la s lection d une sous zone d tude pr sente dans la Bass e Pour une facilitation de la mod lisation il est important d utiliser un domaine d tude relativement r duit vitant la construction d un maillage trop important sur PMWIN Cette sous zone d tude est pr sent e figure 17 Elle se situe entre les villes de Montereau Fault Yonne et Bray sur Seine soit sur le secteur aval de la plaine de la Bass e C est dans cette zone que les travaux de Schanen 1998 ont t r alis s secteur d Egligny et de Vimpelles Il a donc t judicieux de s lectionner cette zone pour avoir certains points de comparaison De plus c est dans cette zone de la Bass e que l abondance de gravi res est la plus forte et c est aussi l une des zones que le PIREN Seine va quiper L installation des dispositifs de suivi des gravi res sera donc faite dans cette zone Nous nous sommes pr f rentiellkment int ress s la plaine en elle m me en ignorant les coteaux situ s au nord et au sud et compos s de craie et d alluvions anciennes d connect s de la plaine A cet endroit la plaine est travers e par deux cours d eau majeurs la Seine cours d eau m ridional et la Vieille Seine cours d eau septentrional Contours de la Bass e et de la zone d
25. degr de colmatage bien plus faible qu une gravi re en fin d exploitation Nous pouvons donc penser que l ge d une gravi re est un facteur non n gligeable dans l impact hydrodynamique de celle ci De plus les granulats extraits sont parfois lav s avec de l eau nomm e eau de lavage qui va tre rejet e dans la gravi re Il s agit d une eau potentiellement riche en particules fines qui va venir augmenter la capacit de colmatage de la gravi re en apportant des mati res en suspension qui vont pouvoir p n trer et boucher les pores des berges fonds Le colmatage s effectue par gravit et selon le sens d coulement des eaux souterraines Ainsi le fond et les berges aval seront colmat s dans un premier temps puis la g n ralisation du colmatage toutes les berges aura lieu Notons qu au del d une certaine pente de la berge le d p t des particules devient difficile Le comatage artificiel r side dans le remblaiement des gravi res Le remblai est constitu de mat riaux beaucoup moins perm ables que les alluvions extraites ce qui va modifier les caract ristiques de l interface gravi re nappe Ce colmatage artificiel est effectu une chelk de temps tr s courte ce qui diff re du colmatage naturel progressif qui modifie les caract ristiques de l interface nappe gravi re lentement dans le temps La figure 4 pr sente les effets d une gravi re colmat e sur la nappe Peaudecerf 1975 La premi re observation frappa
26. e I figure 10 qui pr sente entre les deux 26 cours d eau des coulements dirig s de la Vieille Seine vers la Seine Cette situation n est pas reproduite par la pi zom trie de r f rence La diff rence entre s deux pi zom tries pourrait provenir de date laquelk ont t faites les mesures septembre 1965 pour la pi zom trie de r f rence contre octobre 1995 pour la pi zom trie de Schanen de la densit et r partition diff rente des points d observation ainsi que de la m thode d interpolation Au contraire notre mod le semble simuler des coulements de la Seine vers la Vieille Seine Celui ci est cependant bas sur la pi zom trie de r f rence il est donc normal que les r sultats simul s se rapprochent plus de celle ci que de la pi zom trie de la figure 10 Isopi ze m Figure 19 Pi zom trie simul e par le mod le Bass e 2 les charges impos es sont en bleu fonc L intensification de l extraction des granulats a t observ e partir des ann es 1960 nous nous attendons donc retrouver des gravi res globalement colmat es au niveau des interfaces avec la nappe particuli rement les berges aval des gravi res Schanen 1998 Comme vu dans la partie II l ajout des gravi res dans ce mod le s est fait par augmentation de la transmissivit 10 m2 s et implantation de barri res de flux horizontal L utilisation de la combinaison charge impos e barri re de flux hori
27. e s tend pas sur les 600 m tres de puissance de la couche mais seulement sur les quarante m tres sup rieurs Weng 2000 14 De mani re g n rale l aquif re de la craie est uniquement aliment par les pr cipitations tandis que l aquif re alluvial re oit la fois une recharge des pr cipitations et une recharge par l aquif re de la craie avec qui des interactions vont avoir lieu horizontalement et verticalement Les perm abilit s mesur es au sein de la craie sont inf rieures aux perm abilit s des alluvions en g n ral Weng 2000 donne des valeurs de porosit totale de 39 et 30 respectivement pour la craie et les alluvions Des valeurs de transmissivit moyenne ont t calcul es avec 2 5 10 m2 s pour les alluvions et 8 103 m2 s pour la craie M gnien 1979 Bien entendu il existe une h t rog n it spatiale de ces param tres Fleckenstein et al 2006 li e par exemple la pr sence de lentilles argileuses moins perm ables ou encore une diff rence de faci s d alt ration pour la craie Les travaux et tudes r alis s dans la r gion ont permis de mieux comprendre les interactions de la nappe avec la Seine Greiner 1997 Schanen 1998 Weng 2000 Bendjoudi et al 2002 comme peuvent en t moigner les figures 9 et 10 La figure 9 pr sente les trois tats possibles d interaction en conditions normales la nappe alimente la rivi re en inondation les coulements sont parall les la
28. g ologie ou encore la biog ochimie L tude de la biog ochimie passe par une bonne compr hension de l hydrodynamisme et des flux chang s au niveau des interfaces gravi re nappe Labarthe et al 2013 Dans le cadre de ce stage nous nous int resserons donc principalement aux impacts hydrodynamiques des gravi res donc du domaine 06 6 Avant toute chose il est important de noter que les alluvions peuvent former de tr s bonnes r serves aquif res avec des perm abilt s de l ordre de 1 05 1 03 m s En g n ral la nappe alluviale est consid r e comme libre avec une surface pi zom trique quelques m tres sous la surface topographique Ainsi le creusement des gravi res pouvant aller jusqu 10 m tres va permettre la mise nu de la nappe qui va impliquer de nombreuses cons quences les plans d eau faisant partie int grante des syst mes d coulement souterrain Winter 1999 Winter 8 LaBaugh 2003 effectuent des travaux assez g n raux sur les fonctionnements des lacs et zones humides en lien avec les eaux souterraines Il apparat que les interactions lac nappe vont d pendre la fois des propri t s de l aquif re mais aussi de l interface entre les deux milieux ce qui peut tre tendu aux interactions gravi res nappes D une mani re g n rale l tendue des modifications induites par un plan d eau sur la nappe est relativement locale ne modifiant pas significatvement les coulements plus globaux ou r
29. ir des ann es 60 a provoqu une augmentation du nombre de gravi res particuli rement dans r gion de la Bass e vall e de la Seine entre Montereau Fault Yonne et Marcily sur Seine Une gravi re est un site d excavation de mat riaux comme le sable ou les graviers se manifestant par un foss creus de quelques m tres de profondeur dont les dimensions varient et peuvent atteindre quelques centaines de m tres de longueur ou de largeur Le creusement de ces fosses entrahe une mise nu de la nappe provoquant de multiples cons quences d un point de vue hydrog ologique ou biog ochim ique La Bass e est l une des rares grandes zones humides encore restantes en France Les zones humides jouent de multiples r les et interagissent avec leur environnement Elles constituent entre autres des habitats pour certaines esp ces animales ou v g tales une zone de r tention des polluants et le si ge d changes multiples avec les diff rentes eaux nappe et rivi re Le PIREN Seine Programme Interdisciplinaire de Recherche sur l Environnement de la Seine s attache tudier cette zone d int r t certain particuli rement au niveau des changes nappe rivi re Dans ce but la mise en place d un dispositif de suivi en continu est envisag e afin de mieux comprendre ces ph nom nes Les grav res tr s pr sentes dans la Bass e s int grent dans leur environnement hydrodynamique avec plus ou moins d impact L tude des gravi res s ins
30. la zone d tude Ce mod k r sout l quation de la diffusivit h div K x gradh S 4 0 7 ah R gime permanent amp e P 0 R gime transitoire oh 01 Dans le cadre de ce stage l utilisation de ce mod le a t rendue possible par l interm diaire de l interface Processing Modflow for Windows PMWIN v5 3 2005 L utilisation de MODFLOW est donc toute indiqu e pour notre probl me nous tenterons de simuler l impact hydrodynamique des gravi res sur les coulements dans une nappe alluviale Le mod le prend en entr e tous types de param tres La g om trie paisseur des couches discr tisation spatiale Le type d aquif re libre captif variable et le r gime permanent ou transitoire Les param tres hydrodynamiques retrouv s dans l quation de la diffusivit K et Ss en r gime transitoire Les conditions aux limites flux impos s charge impos e et condition mixte Les param tres temporels et conditions initiales dans le cas d une simulation en r gime transitoire 2 Repr sentation d une gravi re dans PMWIN Il existe plusieurs techniques possibles via l utilisation des modules disponibles dans PMWIN pour simuler une gravi re L ensemble des descriptions des modules est disponible dans la notice du logiciel PMWIN Chiang amp Kinzelbach 1998 De mani re g n rak de nombreuses tudes ont t r alis es sur la mod lisation des changes nappe ri
31. nnes utilis es pour les diff rents param tres sont repr sentatives de celle ci La construction de ce mod le Bass e 2 s est bas e sur le maillage cr et utilis par Labarthe et al 2013 sur toute la Bass e Il s agit d un maillage en 62 5 62 5 m Comme dt pr c demment ce maillage a t d coup de sorte n obtenir que l aval de la plaine en gommant les coteaux La topographie utilis e provient d un MNT de r solution 25 m IGN Nous avons d cid de travailler dans un cas de nappe captive m me si cela ne traduit pas la r alit permettant au logiciel de travailler directement sur les transmissivit s et ainsi d viter les probl mes li s l paisseur des alluvions faibles paisseurs pr s des coteaux parfois probl matiques La pi zom trie de r f rence repr sente l objectif de la simulation c est pourquoi nous avons utilis ces valeurs de r f rence au niveau des mailles charge impos e rivi res et bordures du mod k La recharge a t fix e une valeur moyenne repr sentative de la Bass e 10 m s s apparentant la recharge de surface La recharge par la craie n a pas t prise en compte travers cette valeur mais plut t via la pi zom trie de r f rence impos e en bordure de mod le 25 La transmissivit est l unique variable h t rog ne du mod le Le champ utilis a t obtenu par krigeage Labarthe et al 2013 partir de diverses donn es d interpr tation d es
32. nt t r alis s d une part l utilisation de barri res de flux horizontal en compl ment de la gravi re charge impos e ou d une zone la perm abilit fx e 1 m s et d autre part la diminution de la conductance des mailles dans le cas du module rivi re pour simuler le colmatage important du fond Deux de s tests ont fonctionn et ont donn des r sultats comparables la figure 4 Peaudecerf 1975 La modification de la conductance n a pas donn de r sultats flagrants pi zom trie inchang e l utilisation du module rivi re pour les gravi res colmat es a donc t abandonn e Les perm abilt s des barri res ont t fix es 1 06 m s pour simuler le comatage Les diff rents r sultats sont observables dans les figures A4 et A5 en annexe et les coupes associ es figures 15 et 16 La charge impos e dans la gravi re a t fix e 130 5 m 21 Gravi re mees ge Ri D I m ivi re Mma Me We nn re Pi zom trie 2m 250 m Figure 14 Coupe ouest est du mod le simple apr s ajout d une zone type rivi re Plusieurs observations et conclusions peuvent en tre tir es Dans les deux cas l volution de la pi zom trie face cette perturbation est similaire en amont des gravi res les coulements divergent car l eau ne peut passer et est contrainte de contourner l obstacle que forme la gravi
33. nte par rapport une gravi re non colmat e est la divergence des coulements l amont de la gravi re Le colmatage rend les berges imperm ables ce qui constitue un obstacle aux coulements De ce fait nous observons en amont de la gravi re une mise en charge de la nappe tandis qu l aval un rabattement brutal se produit voir figure 4 Obstacle l vation rabattement du niveau Figure 4 Impact hydrodynamique d une gravi re colmat e Source Peaudecerf 1975 Les eaux vont avoir tendance contourner les berges et le fond des gravi res De plus ce colmatage va induire une l vation du niveau d eau de la gravi re puisqu elle va fonctionner comme un bassin capacitf qui va retenir l eau Un resserrement des isopi zes donc augmentation du gradient hydraulique sera donc observ l aval hydraulique des gravi res colmat es Les conductivit s hydrauliques des barri res colmat es vont varier selon l endroit et atteindre des valeurs plus faibles que celles des alluvions Les impacts hydrodynamiques des gravi res peuvent s tendre sur plusieurs dizaines de m tres l amont comme l aval des plans d eau distance d pendant de la taille des gravi res La figure 5 r sume les diff rentes interactions des gravi res avec la nappe mais aussi l atmosph re Nous pouvons noter que les changes se font horizontalement entre la nappe alluviak et la gravi re mais aussi verticalement avec la nappe r gionale cr
34. o lune on NEw M n Hi O TO Ir M Mr M M PAPA NNN N NINAN NN lt LG TPS TT Figure A1 Simulation de la pi zom trie m en conditions normales 1 O Le KL 01 010 1090139 Wie ME HQ OIG Rue WV Mie N S GO Pi Pi PI TT NT I PE PI RI PS ENT CN ENT CN CC TN ENITS CN CU 1A VJ JL vo olnl olwlo oO oO UN Ou V min lt O Sa 300 E DE O MHP JN NNN EN MIT NI e d T H D HEHH AT CA 11 EIN t kat wi ei p NOM ege Wo Elie wem 0 VD ei et TT HO CN et OG O O TSS to M 1a SN EEN _ pm CEA ker et EI we bi sens t 1 4 e no om om Ru Q 10 lt e Ri ANA FIO HD rio DI RO e SO CN EN EH OH rl HERSIR EE IRL Alo ln lo goe ago un V F lt MM kl QO ON Ou Mo mm i M N Cal NNN NN N
35. oun 2004 qui mod lise les gravi res en fonction de l tat de la pi zom trie basses ou hautes eaux Il utilise une condition aux limites charge impos e pour la mod lisation des gravi res ce qui rend cette charge invariable Cependant cette technique ne prend pas en compte d ventuels colmatages des berges puisqu elle ne comprend aucune modification de perm abilit s aux abords de la gravi re Il est toutefois possible de repr senter implicitement les effets d un colmatage en donnant une valeur de charge plus forte dans la gravi re que la pi zom trie de r f rence Cela repr senterait le fait qu cause du colmatage la gravi re devient un v ritable bassin de r tention de l eau mais n cessite donc des mesures de la charge dans les gravi res 18 W C t de la maille RUE ER en a Hriv OOo un Lit de la rivi re Figure 11 Sch ma explicatif du calcul du d bit et de la conductance l interface rvi re aquif re B Le mod le simple 1 Construction Le premier travail r alis pour l aspect mod lisation de ce stage a t de construire un mod le simple disposant des m mes propri t s que la plaine de la Bass e afin de tester et comprendre les effets d une ou plusieurs gravi res sur la nappe Le contexte a t simplifi au maximum comme suit Elaboration d un mod le monocouche alluvions de 10 m d paisseur constante formant un aquif re libre Conductivit hydraulique
36. ple d crit dans la partie II et d tendre la mod lisation l ensemble de notre sous zone d tude La complexfication consiste en la prise en compte des h t rog n it s de la plaine alluviale et essayer de trouver une simulation se rapprochant le plus possible de la pi zom trie de r f rence obtenue par krigeage partir des donn es de M gnien en septembre 1965 et fournie par Labarthe et al 2013 L ajout de gravi res sera alors effectu pour illustrer leur impact hydrodynamique sur la nappe alluviak Au moment de la r daction de ce rapport les champs de donn es de la transmissivit et de la recharge de la plaine de la Bass e sont en cours de validation ce qui handicape la cr ation de ce mod le Bass e bas sur l h t rog n it de ces param tres dans la plaine Ces param tres sont issus des travaux de Labarthe et al 2013 la transmissivit est issue d une m thode d inversion tandis que la recharge est issue du mod le Marne Loing utilis et d crit dans ces m mes travaux N tant pas en possession de r sultats utilisables pour le moment nous avons proc d une tape suppl mentaire l laboration d un mod le moins repr sentatif de la Bass e en faisant l approximation de l homog n it de certains param tres Ce nouveau mod le ne semble pas tre cal sur la pi zom trie de r f rence mais il se rattache quand m me bien une repr sentation de la Bass e puisque les valeurs moye
37. ransmissivit aux interfaces trouv es l aide du mod le varient entre 4 7107 et 8 9 10 m2 s La variabilit 15 de ces valeurs d pend du degr de colmatage des berges les faibles valeurs sont retrouv es aux interfaces aval des gravi res fortement colmat es L ensemble de ces informations apporte donc de nombreuses connaissances sur les gravi res et leur environnement ainsi que sur les effets induits par le colmatage des gravi res Dans le cadre de ce stage notre int r t se porte sur l hydrodynamisme impliqu par 5 Afin de mieux comprendre les impacts des gravi res nous avons utilis le mod le MODFLOW permettant la simulation des coulements souterrains m me en pr sence de gravi res ce qui fera l objet des deux parties suivantes VIMPELLES A 5 CSS pi pi zom tres PIREN Seine isopi ze m Sa ligne d coulement Figure 10 Pi zom trie de la nappe en rive droite de la Seine en octobre 1995 sour Schanen 1998 16 Partie II Mod lisation et repr sentation des gravi res A Le mod le MODFLOW et la repr sentation des gravi res 1 MODFLOW Le mod le utilis dans le cadre de ce stage est le mod le MODFLOW USGS v1996 1 s agit d un mod le tridimensionnel dont l objectif est la simulation des coulements souterrains en milieu satur selon la m thode des diff rences finies ce qui implique la cr ation d un maillage carr pour repr senter
38. re En aval les coulements convergent derri re la gravi re Ces observations sont appuy es par les coupes qui mettent en vidence une rupture brutale de la pente pi zom trique au niveau des barri res imperm ables La mise en charge de la nappe l amont n est pas tr s prononc e mais existe quand m me A l aval le rabattement est tr s important et marqu Ces observations viennent justifier le choix de la m thode utiliser pour la repr sentation des gravi res charge impos e pour une gravi re non colmat e et barri res de flux horizontal en compl ment d une zone perm abilit importante ou d une zone charge impos e assez lev e en qui concerne les gravi res colmat es Les r sultats obtenus sont semblables ceux retrouv s dans la litt rature et la partie I 22 Gravi re Rivi re Pi zom trie el 250 m Figure 15 Coupe ouest est du mod le simple apr s ajout d une zone charge impos e et barri res imperm ables Gravi re n Rivi re Figure 16 Coupe ouest est du mod le simple apr s ajout d une zone perm abilit 6 et barri res imperm ables Ces tests nous ont permis de d terminer la m thode de repr sentation des gravi res dans l interface PMWIN La suite du travail de mod lisation a t de cr er un autre mod le se rapprochant au mieux de notre zone d tude la Bass e La troisi me partie s attache donc la des
39. re donc dans le projet du PIREN Seie faisant partie int grante de la Bass e et de ses caract ristiques hydrodynamiques C est ainsi dans un objectif de caract risation des changes nappe gravi re que s inscrit le sujet de ce stage Nous nous sommes donc pench s sur la question suivante quels sont les impacts hydrodynamiques jou s par les gravi res sur la plaine alluviak de la Bass e Le raisonnement pr sent dans ce rapport s articule en trois parties distinctes La premi re comprendra une synth se de l tat des connaissances actuelles sur les gravi res d un point de vue g n raliste gislatif et scientifique en se basant sur des travaux pr c demment effectu s La deuxi me partie se basera sur l approche m thodologique utilis e principalement la prise en main et la manipulation d un mod le MODFLOW servant simuler les coulements souterrains La cr ation d un mod le simple y sera d crite ainsi que les techniques possibles de repr sentation des gravi res dans le logiciel Processing ModFlow Pour terminer l laboration d un mod le repr sentatif de la plaine de la Bass e sera faite dans l optique de pouvoir simuler les changements sur la nappe li s l apparition des gravi res Partie I Etat des connaissances actuelles et recherches bibliographiques A Fonctionnement g n ral des gravi res 1 G n ralit s sur l extraction de granulat Les plaines alluviaks sont exploit es depuis plus de
40. re mod le ce qui permettrait plusieurs autres types de simulation en r gime transitoire avec diff rents tat des eaux hautes ou basses eaux ou encore l imp mentation d une couche de craie pour prendre en compte d ventuelles interactions avec la nappe r gionale A la vue des diff rents r sultats obtenus de nombreux points de mesure autour des gravi res permettraient un affinage du calage Cependant le projet PIREN Seine ne pr voit pas la mise en place de dispositifs de mesure par dizaines autour des gravi res mais l installation de quelques points gravi res en continu Ces points seraient particuli rement int ressants pi zom tres s ils taient situ s en amont ou aval hydraulique des gravi res puisque la pi zom trie est fortement impact e ces endroits particuliers Le pouvoir tampon des gravi res par rapport aux variations pi zom triques saisonni res n a pas t tudi en d tail dans ce rapport et reste un ph nom ne peu tudi Le projet SWOT Surface Water Ocean Topography d velopp par la NASA a pour objectif de mesurer les niveaux d eau dans les lacs zones humides rivi res et oc ans du monde entier afin d observer et de comprendre les variations des masses d eau dans le temps et l espace Ce projet se base sur des mesures par satelite des niveaux des plans d eau Des mesures a roport es seront effectu es en Bass e afin de tester le mat riel qui sera embarqu dans le satellite L encore
41. s et l atmosph re qui vont varier selon plusieurs param tres comme la g om trie des gravi res les conditions climatiques ou encore la v g talisation des gravi res La figure 5 illustre ces interactions B Cas d tude la Bass e 1 Localisation et contexte morphologique La plaine de la Bass e se situe entre la confluence de l Aube avec la Seine et la confluence de la Seine avec Yonne dans le d partement de la Seine et Marne 77 Elle s tend 6 sur une soxantaine de kilom tres de longueur pour 4 kilom tres de largeur en moyenne variable pouvant atteindre 8 km sur certains transects La figure 6 pr sente le 6 11 d tude dans son cadre g ographique replac dans l ensemble du bassin versant de la Seine La plaine alluviale de la Bass e est limit e au nord et au sud par des reliefs repr sentant des coteaux ou terrasses li s l incision de la Seine et ses affluents entre deux confluences majeures de la Seine avec l Aube et avec Cette zone du bassin versant de la Seine a t et continue d tre exploit e intensvement pour ses granulats Schanen en 1998 value l aire occup e par les gravi res 6 de la surface totale de la Bass e tandis que Bendjoudi et al 2002 l valuent 7 6 de la surface totale de la Bass e ce qui traduit une volution et intensification de l exploitation des alluvions dans la plaine alluviale Sur les 20000 hectares que compte la plaine de la 6 1520 ha sont donc occup
42. s fluctuations du niveau de la nappe les deux tant troitement li s Cependant il existe un effet tampon jou par les gravi res une variation de grande amplitude du niveau de la nappe n aura qu un effet r duit sur le niveau du plan d eau selon le degr de colmatage des berges Schanen 1998 Peaudecerf en 1975 mentionne le colmatage comme un ph nom ne encore mal connu dont l tude serait approfondir Schanen propose une synth se de l tat des connaissances sur celui ci en 1998 Il existe plusieurs types de colmatage le colmatage naturel m canique biologique ou chimique et le colmatage artificiel li au remblaiement Le comatage m canique consiste en le remplissage de la porosit interconnect e du milieu par les mati res en suspension ou les d bris v g taux colmatage m canique interne Un colmatage externe peut avoir lieu en compl ment consistant dans le colmatage en surface du milieu Le colmatage biologique et physico chimique implique divers types de colmatage formation d argiles gonflantes imperm ables pr cipitation de carbonates d veloppements bact riens en tapis ou encore formation de bulles de gaz dans la porosit suite des r actions chimiques Tous ces l ments vont rendre difficile l coulement des eaux souterraines au sein du milieu et vont donc modifier le trajet de l eau proximit Ce colmatage naturel s effectue avec le temps Ainsi une gravi re fraichement creus e aura un
43. sais de pompage BRGM La carte de ces transmissiv t s est disponible figure A6 en 6 C R sultats de simulation La pi zom trie de r f rence est pr sent e figure 18 et la pi zom trie simuke par le 6 Bass e 2 est disponible figure 19 D s lors une premi re comparaison peut tre faite Les grandes variations de la pi zom trie sont similaires directions d coulement et gradients hydrauliques Par exempk nous observons dans les deux cas des coulements dirig s des coteaux vers les rivi res au nord et au sud et entre les deux rivi res les coulements semblent se faire de l amont vers l aval parall les l coulement des rivi res Nous pouvons noter que pour la pi zom trie simuke cet coulement entre les deux cours d eau semble cependant l g rement dirig vers le nord et la Vieille Seine Les gradients hydrauliques sont inf rieurs 1 o ce qui correspond bien avec les observations trouv es dans la litt rature notamment Schanen 1998 Bien entendu ces deux pi zom tries ne peuvent pas co ncider parfaitement puisque l une prend en compte les h t rog n it s de la plaine tandis que l autre traduit des conditions beaucoup plus homog nes L gende Isopi ze m Figure 18 Pi zom trie de r f rence les charges impos es sont en bleu fonc Par ailleurs la pi zom trie de r f rence ne semble pas en accord avec la pi zom trie trouv e par Schanen 1998 dans la zone parti
44. tion entre les flux et une charge impos e La principale caract ristique de ce module est la conductance Elle est d finie selon l expression C K L W M avec C la conductance m2 s du lit de la rivi re K la perm abilit de ce dernier m s L la longueur de la rivi re dans la maille m W la largeur de la rivi re dans la maille m et M l paisseur du lit de la rivi re m Ce module sp cifie au mod le que les bords de la rivi re sont imperm ables rendant inutile l utilisation du module rivi re gt en m me temps que le moduk barri re de flux horizontal et que les seules relations de la rivi re avec l aquif re sont verticales et peuvent s exprimer partir de la conductance pr c demment cit e La formule du d bit l interface est donn e par la relation suivante d pendant des charges Q C Hriv h avec Q le d bit l interface rivi re aquif re positif si le flux se fait vers l aquif re m s C la conductance d finie ci dessus m2 s Hriv la charge d eau dans la rivi re m et h le niveau pi zom trique simul dans la maille m Pour une valeur de conductance tendant vers l infini cela revient imposer la charge tandis que si la conductance tend vers 0 le d bit sera impos La figure 11 illustre les diff rents membres de l quation Quel que soit le code module utilis il n existe que peu de travaux sur l impact hydrodynamique des gravi res L un des rares exemples est Mim
45. ts en 1994 soumettant les gravi res un r gime d autorisation administrative ainsi qu des proc dures de contr le des exploitations Le rabattement des nappes devient interdit pour l exploitation des granulats Les dur es d exploitation des gravi res sont limit es 30 ans 15 ans si la cr ation de la gravi re n cessite un d frichement ce qui rend leurs impacts particuli rement longs pouvant perdurer apr s l exploitation La r habilitation des gravi res est donc devenue syst matique et obligatoire apr s la phase d exploitation Les mat riaux inutilisables et enlev s au sol pendant le creusement sont conserv s proximit de la gravi re et servent au remblaiement de celle ci lorsque le moment est venu Ce remblaiement consiste remettre dans la fosse les mat riaux pr alablement mis de c t commun ment appel s st riles sur toute l paisseur enlev e d alluvions G n ralement ce remblai est constitu de terre v g tale ainsi que de mat riaux innt ressants pour les carriers argiles et limons formant les alluvions r centes De ce fait le remblai ne va pas du tout faire office de substitution fid le aux terrains pr c dents et va poss der des caract ristiques bien diff rentes des alluvions extraites 3 Impacts hydrodynamiques des gravi res 3 1 Impacts sur la pi zom trie Les impacts des gravi res sur l environnement sont multiples Plusieurs domaines sont concern s comme lhydrobgie l hydro
46. u de cette simulation Une convergence des coulements vers la gravi re en amont de celle ci et une divergence des coulements l aval La coupe r alis e l aide du mod le PMPATH figure 13 illustre parfaitement le cas d crit par Peaudecerf 1975 d une gravi re sans colmatage voir figure 3 pour rappel Nous pouvons observer par rapport la pi zom trie initiale un rabattement l amont et une mise en charge l aval ce qui traduit bien l absence de colmatage Pour des raisons de clart les mailles charge impos e ont t effac es et sont repr sent es par un blanc 20 Gravi re ee 8 Rivi re Wem TTL mad Res Pi zom trie 2m 250 m Figure 13 Coupe ouest est du mod le simple apr s ajout d une zone charge impos e Parall lement un test a t effectu avec les m mes caract ristiques mais avec le module rivi re La conductance a t volontairement fix e 4 m2 s pour repr senter une gravi re non colmat e ce qui va correspondre une condition aux limites charge impos e La charge a t fix e 129 m Les r sultats sont pr sent s figure A3 en annexe et en coupe figure 14 Nous pouvons remarquer que les r sultats semblent tr s proches entre les deux techniques en ce qui concerne la mod lisation de gravi res non colmat es En ce qui concerne le colmatage trois tests o
47. un frein l am lioration de ce mod k Remerciements Mes remerciements vont en premier lieu ma responsable de stage Anne Jost qui a propos ce sujet de stage Merci elle pour sa disponibilit son encadrement sa p dagogie sa rapidit corriger mes crits sa patience j en oublie surement Je remercie par la m me occasion les personnes que j ai pu c toyer dans le cadre de ce stage Amer Mouhri Baptiste Labarthe et Nicolas Flipo pour m avoir aid guid et s tre montr s disponibles avec moi Un grand merci Vincent Thieu et ses tomates de m avoir support et pour son humour Je tiens remercier l quipe du laboratoire M tis de nous avoir accueillis avec les autres stagiaires de M1 au sein du couloir 56 55 et d avoir fait preuve de jovialit et de sympathie durant ce stage Une petite d dicace aux stagiaires avec qui j ai pass de bons moments Marine Tarte aux citrons Tao Speculos Ahamada et Michael Coupe du monde V ro le python cisson Camille the descent Morgan choc cake master et celle qui se reconnaitra ici que je soutiens et qui me soutient Et pour terminer merci tous ceux qui liront ce rapport et apporteront quelconque critique positive ou n gative permettant son am lioration Sommaire R SUM sn nm en nee teen nes 2 UE e En EE 2 SOMMAS A E A ATA eee A ARs a a 3 Liste des TIQUES nus essences es Dune 4 1
48. vi re nappe zone humide ou encore nappe lac Certains modules y sont utilis s et d crits Par exemple Smerdon et al 2007 2012 s int ressent particuli rement au module lac de MODFLOW tandis que Rushton K 2007 et Munz et al 2011 d crivent le module rivi re de MODFLOW 17 L utilisation de ces modules est envisageable dans le cas d une gravi re Notons aussi que le module barri re de flux horizontal permet de modifier les perm abilit s des faces lat rales de certaines mailles permettant la simulation d un comatage des berges Dans notre cas la version de l interface utilis e ne poss de pas l ensemble des modules si bien que le module lac permettant la simulation de la charge du plan d eau n a pas pu tre test contrairement aux modules rivi re et barri re de flux horizontal Ce dernier fonctionne simplement l utilisateur a juste besoin d inscrire une valeur de perm abilit en r alit il s agit d une perm abilit divis e par l paisseur de la barri re qui dans notre cas a t fix e 1 m sur la face lat rale de la maille o il souhaite d finir la barri re La barri re est effective sur toute l paisseur de la couche Cela forme a priori un bon moyen de repr senter un colmatage mais s applique toute l paisseur de la nappe Le module rivi re fonctionne diff remment Il s agit d une condition aux limites de type mixte c est dire traduisant la rela
49. zontal aurait aussi pu tre envisag e mais pour des questions de clart des r sultats et de rapidit de manipulation il n est pas n cessaire de sp cifier les charges impos es avec la m thode choisie nous n avons pas retenu cette option Un aper u des gravi res est disponible figure 20 ci dessous Celles ci ont t choisies selon leur taille 300 m de c t et plus et plac es l aide de la carte IGN de la zone 27 Figure 20 Localisation et num rotation des gravi res en bleu clair bleu fonc mailles charge impos e Les r sultats de la simulation avec gravi res sont pr sent s figure 21 et mettent en vidence plusieurs choses Afin de ne pas masquer la pi zom trie les gravi res ne sont pas figur es sur la figure Il est important de noter que les barri res de flux horizontal ont vu leurs perm abilt s fix es 10 m s Elles ont de plus t plac es perpendiculaires dans la imite du possible au sens d coulement de la nappe en utilisant la pi zom trie de r f rence De mani re g n rale les coulements sont toujours situ s des coteaux vers les cours d eau ce qui traduit la non modification des coulements r gionaux Localement les gravi res vont cependant venir modifier les coulements Parmi les exemples les plus flagrants nous pouvons noter que La gravi re 1 provoque la divergence des coukments l amont bombement de l isopi ze 52 5 m Les gravi res 2 et
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