Utilisation du MONA pour appuyer la définition des volumes prélevables dans les aquifères profonds du nord du Bassin Aquitain

par N. Pédron - BRGM Aquitaine (n.pedron brgm.fr) et E. Gomez - BRGM Orléans (e.gomez brgm.fr)

La loi   sur l’eau et les milieux aquatiques (LEMA) du 30 décembre 2006 et le décret du 24 septembre 2007 prévoient la restauration de l’équilibre quantitatif de la ressource en eau dans les zones en déficit (ZRE) et la mise en place d’une gestion collective de l’eau.

La circulaire du 30 juin 2008 relative à la résorption des déficits quantitatifs en matière de prélèvement   d’eau et gestion collective des prélèvements d’irrigation prévoit que les volumes prélevables dans les ressources en eau soient déterminés pour tous les usages (eau potable, industrie, agriculture, navigation, etc.) dans les bassins en déficit quantitatif.

L’organisation pour la détermination de ces volumes a été adoptée par la Commission Administrative de Bassin   qui s’est tenue le 20 octobre 2008. La DREAL de Bassin   et l’Agence de l’Eau ont été chargées de mettre en œuvre les décisions prises pour l’ensemble des nappes   concernées.

Pour les nappes   captives nord-aquitaines, il a été convenu d’utiliser le Modèle mathématique Nord-Aquitain (MONA) du BRGM pour simuler l’évolution de ces nappes   à moyen terme sous différentes hypothèses et ainsi fournir des éléments de réflexion aux acteurs du nord du Bassin   en vue de la définition des volumes prélevables de ces nappes  .

L’utilisation du modèle a perrmis aux acteurs/décideurs de tester des scénarios de prélèvements et de recharge à horizon 2050 afin d’identifier ceux susceptibles de satisfaire au mieux les usages et la préservation de la ressource (notamment en maintenant des niveaux piézométriques minimum dans les secteurs identifiés comme « à risque »).

Cette étude [1] a été financée par l’Agence de l’eau Adour-Garonne, des fonds européens FEDER et le BRGM sur sa dotation de service public.

Sommaire de l’article :

• 1. Description de l’aire d’étude et de la zone modélisée
• 2. Le Modèle Hydrodynamique Nord-Aquitain (MONA)
• 3. Les prélèvements dans les grands aquifères profonds du nord du Bassin aquitain
  • 3.1. Travail d’actualisation des prélèvements
  • 3.2. Bilan des prélèvements
• 4. Construction du scénario prospectif sur la période 2008-2050
  • 4.1. Evaluation des prélèvements à l’horizon 2050
  • 4.2. Scénario climatique
• 5. Résultats

1. Description de l’aire d’étude et de la zone modélisée

La plate-forme nord-aquitaine fait partie du bassin   d’Aquitaine qui est ouvert sur l’océan atlantique et dont la formation a commencé au Permien, il y a 280 Ma environ. Les affleurements   des terrains jurassiques et crétacés, en bordure de la Vendée et du Massif Central, témoignent des deux vastes transgressions marines qui se sont produites au Mésozoïque. Les formations géologiques à dominante calcaire qui en résultent ont une structuration relativement faible liée à une tectonique de couverture, à part quelques grands anticlinaux (structures de Jonzac, Villagrains, Roquefort-Créon) et des failles distensives majeures (Bordeaux et Nord-Arcachonnaise).

Mais plus au sud et en profondeur, l’architecture contrastée des terrains des parties centrale et méridionale du bassin   traduit les conséquences de l’ouverture du golfe de Gascogne au Crétacé inférieur puis de l’orogenèse pyrénéenne pendant l’Eocène (enfoncement/comblement de profondes fosses, montée de diapirs salifères).
Les transgressions marines sont nettement moins amples au Cénozoïque : la continentalisation du bassin  , commencée sur les bordures dès la fin du Crétacé, s’affirme au Miocène pour se terminer au Quaternaire.

Le domaine modélisé couvre la partie nord du Bassin   aquitain (Figure 1) : la totalité du département de la Gironde, une grande partie des Landes (pour les 4 premières couches principalement), l’essentiel de la Dordogne, du Lot et du Lot-et-Garonne (couches du Crétacé et du Jurassique principalement), le nord du Tarn-et-Garonne et du Gers, le sud de la Charente et de la Charente maritime.

Figure 1 – Situation géographique et géologie à l’affleurement – Extension de la zone modélisée

2. Le Modèle Hydrodynamique Nord-Aquitain (MONA)

Le modèle hydrodynamique Nord-Aquitain s’appuie sur le logiciel de modélisation MARTHE (Modélisation d’Aquifères par maillage Rectangulaire en Régime Transitoire pour le calcul Hydrodynamique des Ecoulements) [2] développé par le BRGM (actuellement version 7.1 d’octobre 2010). Il est de type multicouche, bâti suivant un schéma aux différences finies : chaque couche aquifère   est discrétisée en mailles parallélépipédiques dont la face supérieure correspond au toit de la formation considérée et la face inférieure au mur de cette formation. Les épontes ne figurent pas explicitement en tant que couches de calcul (modèle « quasi-3D ») Les charges hydrauliques n’y sont pas calculées. Des échanges verticaux entre couches aquifères   peuvent néanmoins avoir lieu au travers des épontes. Ils sont calculés par le modèle.

5 stations météorologiques (Mérignac, Cognac, Gourdon, Bergerac, Mont-de-Marsan) sont utilisées pour le calcul des recharges introduites dans le modèle. Elles servent à calculer les pluies efficaces au droit des zones d’affleurements   des différentes nappes   modélisées. Celles-ci sont ensuite ajustées lors de la phase de calage du modèle et une « loi   » de recharge permet de passer des pluies efficaces à la recharge introduite dans le modèle.

Le modèle, dans sa version actuelle (MONA V3.3) [3], simule les écoulements au sein de 15 couches aquifères   (Figure 2) et les échanges entre ces couches au travers de chacune des épontes (« semi-perméables ») qui les séparent.

Figure 2 – Vue 3D des couches modélisées

Il est constitué de 66 953 mailles de calculs (mailles 2 km x 2 km). Le nombre de mailles dans chaque couche aquifère   du modèle est rappelé dans le tableau suivant (Tableau 1).

Tableau 1 – Nombre de mailles et superficie de chaque couche du MONA en version V3.3

Le modèle a été calé en régime transitoire au pas de temps annuel sur la période 1972-2007 à l’aide de 382 chroniques piézométriques. Pour chaque année, il simule un état moyen des nappes   en réponse aux prélèvements et à la recharge cumulés sur l’année.

Les phases d’actualisation des données réalisées successivement en 1999, 2001 et 2005 ont servi de période de validation de l’outil et permis de contrôler sa robustesse.

Quelques exemples de chroniques simulées dans l’Oligocène (MNA-OLIGNP), l’Eocène (MNA-EOCM), le Crétacé (MNA-TURO) et le Jurassique (MNA-BACX) sont confrontés aux chroniques observées et présentés sur la figure 3.

Figure 3 – comparaison des chroniques piézométriques observées/simulées – MONA V3.3

3. Les prélèvements dans les grands aquifères   profonds du nord du Bassin   aquitain

Il faut noter que différentes répartitions spatiales des prélèvements dans un aquifère   peuvent conduire à un même volume prélevable global, mais elles ne produiront pas les mêmes effets sur les secteurs où le maintien d’un niveau piézométrique   sera jugé nécessaire. Il est donc indispensable d’être correctement ajusté sur les prélèvements actuels et sur ceux projetés, tant du point de vue des débits captés que de la répartition spatiale.

Afin que les scénarios testés soient au plus près de la réalité, il a été décidé d’impliquer les acteurs des départements concernés pour :

• la vérification des données de prélèvements passées (forages non connus du BRGM ou volumes prélevés inexacts, mise à jour des données jusqu’à fin 2007),
• l’intégration des dernières connaissances sur les projets à venir (nouveaux prélèvements, arrêts de prélèvements actuels…).

Des réunions de concertation avec les acteurs du nord du Bassin   Aquitain ont permis de valider les hypothèses à retenir pour les différents scénarios à tester.

A l’issue de ce travail de synthèse, la base de données de prélèvements du modèle comprend 3 248 ouvrages (Figure 4) sollicitant les 14 nappes   modélisées (hors Plio-quaternaire) répartis comme suit : 3 en Tarn-et-Garonne (82), 85 en Lot-et-Garonne (47), 0 dans le Lot (46), 536 dans les Landes (40), 1 406 en Gironde (33), 400 en Dordogne (24), 687 en Charente-Maritime (17) et 131 en Charente (16).

Figure 4 – Carte de répartition des 3748 captages recensés dans la BD « Prélèvements » et limite d’extension globale du modèle MONA

Les volumes prélevés en 2007 sur les 3 248 captages intégrés dans le modèle étaient d’environ 291 millions de m³ (Figure 5). L’illustration ci-dessous retrace l’évolution des prélèvements pris en compte dans le modèle (dans les parties libres et captives des nappes  ). Le volume maximum enregistré correspond à l’année 2003 avec 322 millions de m³.

Figure 5 - Evolution des prélevements par département (tous usages confondus) – 3 248 ouvrages pris en compte dans le modèle MONA

Si l’on considère à présent les prélèvements entrant dans le domaine de l’étude (prise en compte des zones captives uniquement), on obtient 2 048 ouvrages sollicitant totalement ou pour partie (cas d’ouvrages captant plusieurs nappes   dont certaines libres) les zones captives des 14 nappes   modélisées (hors Plio-quaternaire). Ils se répartissent comme suit : 3 en Tarn-et-Garonne (82), 57 en Lot-et-Garonne (47), 0 dans le Lot (46), 47 dans les Landes (40), 1 260 en Gironde (33), 291 en Dordogne (24), 282 en Charente-Maritime (17) et 108 en Charente (16).

Les volumes prélevés en 2007 sur les 2 048 captages situés dans la zone d’étude étaient d’environ 201 millions de m³ (Figure 6). Le maximum de prélèvements enregistré correspond à l’année 2003 avec près de 227 millions de m³.

On constate que le département de la Gironde est celui qui sollicite, et a toujours sollicité, le plus les nappes   d’eaux souterraines du nord du Bassin   Aquitain. L’exploitation des nappes   captives en Lot-et Garonne n’a réellement débuté qu’au début des années 80 avec les premiers forages réalisés au Jurassique. Le développement des forages en Dordogne a connu une réelle expansion à la fin des années 80 et au début des années 1990 avec la réalisation de nombreux forages destinés à l’alimentation en eau potable   et à l’agriculture. Depuis le milieu des années 1990, la progression des volumes prélevés s’est fortement ralentie et tend même à diminuer depuis 2003.

Figure 6 - Evolution des prélevements par département (tous usages confondus) – 2048 ouvrages de la zone d’étude (sollicitant une nappe captive)

La part de l’eau destinée à un usage industriel (Figure 7) n’a cessé de diminuer depuis 1972 (aujourd’hui à 3% environ) alors que dans le même temps, les volumes prélevés à usage agricole et d’alimentation en eau potable   ont fortement progressé (années 1980 et 1990). L’évolution des prélèvements et des usages apparaît beaucoup plus stable depuis le milieu des années 1990.

L’AEP   représente plus de 70% des prélèvements dans les nappes   captives. Ce chiffre masque des hétérogénéités fortes puisque cet usage ne représente que 10 à 20% dans les nappes   du Miocène, plutôt sollicitées pour l’agriculture, et plus de 90% dans la nappe   de l’Eocène moyen et celle du Bathonien-Callovo-Oxfordien.

L’Eocène et l’Oligocène sont de loin (respectivement 30 et 50 millions de m³/an) les aquifères   plus sollicités pour l’usage AEP  . La forte sollicitation du Miocène à des fins agricoles s’explique par la relative accessibilité de la ressource qui est peu profonde et donc économiquement intéressante pour cet usage. L’annexe 4 du rapport présente des cartes de répartition spatiale des prélèvements, par nappe   et par usage. Les ouvrages agricoles sont généralement localisés à proximité des zones d’affleurements   ou des grandes structures anticlinales (Jonzac, Mareuil….) qui correspondent à des zones où les aquifères   sont peu profonds.

Figure 7 –Répartition des 2048 ouvrages de la zone détude (parties captives) par nappes

L’aquifère   Oligocène présente la particularité d’être très exploité pour l’AEP   et l’agriculture. C’est un aquifère   productif, peu profond et présentant des eaux de très bonne qualité. C’est avec l’Eocène, la principale ressource en eau potable de la Communauté Urbaine de Bordeaux (C.U.B.).

Le Cénomanien apparaît comme la principale ressource géothermale du nord du Bassin   Aquitain. Cet usage, bien que marginal, est surtout développé en Gironde au droit de l’agglomération bordelaise.

Les aquifères   du Jurassique sont très majoritairement exploités en Dordogne et en Lot-et-Garonne où la profondeur limitée des réservoirs permet d’exploiter les nappes  . En revanche en Gironde, les aquifères   jurassiques sont beaucoup trop profonds pour disposer d’un accès aisé à la ressource (coût, qualité des eaux et température).

4. Construction du scénario prospectif sur la période 2008-2050

Le modèle hydrodynamique régional Nord-Aquitain (MONA V3.3-2007) a été utilisé pour simuler l’impact sur les nappes   de 5 scénarios (prélèvements et recharge) sur la période 2008-2050. Les 5 scénarios retenus sont les suivants :

• 4 scénarios tendanciels simples basés sur un report de prélèvements et de recharge d’années contrastées visant à évaluer la sensibilité du modèle à ces paramètres,
• 1 scénario prospectif complexe élaboré en partenariat avec les acteurs locaux pour évaluer l’impact plausible de l’évolution de population (prospective de population INSEE (scénario médian) et projection d’implantation de nouveaux captages) et du changement climatique (scénario modéré du GIEC).

Le scénario prospectif intègre des évolutions de prélèvements complexes (arrêt ou mise en place de nouveaux captages, évolution de la consommation moyenne en AEP   indexée sur la croissance démographique fournie par l’INSEE) et la prise en compte d’un scénario climatique prospectif (scénario médian A1B) issu des travaux du GIEC. Ce scénario a été bâti avec le souci de représenter de la manière la plus réaliste possible l’évolution attendue de la demande en eau souterraine et du climat à partir de l’état actuel des connaissances sur ces sujets. Les travaux du GIEC et de l’INSEE ont, à ce titre, été très utiles pour définir ce scénario.

Les évolutions de prélèvements ont été estimées en considérant une stabilisation des volumes dédiés à l’usage agricole et industriel sur la période 2008-2050, et une augmentation des prélèvements destinés à l’alimentation en eau potable   équivalente à l’évolution prévisionnelle de la population à partir de 2008 dans l’emprise du MONA (les données de prélèvement   étant disponibles jusqu’en 2007).

Pour évaluer l’évolution de la consommation en eau potable, il a été admis :

• une consommation individuelle (dite dotation unitaire par habitant) identique à celle d’une année « moyenne » constatée, soit l’année 2007 ;
• une évolution de population utilisant les prévisions INSEE en scénario « médian » du modèle OMPHALE (version basée sur le recensement de population de 2006).

Les données transmises par l’INSEE s’appuient sur un découpage territorial qui permet d’individualiser des zones où les évolutions de population peuvent-être considérées comme relativement homogènes. Pour chaque zone, le modèle OMPHALE fourni une population calculée avec un pas de 5 ans sur la période 2006-2030. Les projections de populations ont ensuite été interpolées au pas annuel sur la période (Figure 8) et extrapolées jusqu‘en 2050 en prenant l’évolution moyenne enregistrée sur les 10 dernières années, de 2021 à 2030.

Figure 8 – Evolution projetée de la population sur la zone d’étude - période 2006-2030 – Modèle OMPHALE 2006

En combinant les évolutions de populations à la consommation « moyenne » en AEP   (année 2007 sélectionnée), on obtient une estimation de la consommation en eau potable sur la période 2008-2050.

Pour les usages AEP  , les projets visant à mettre en œuvre de ressources de substitution où à créer de nouveaux ouvrages ont été pris en compte sur la base des besoins identifiés par les acteurs locaux.

L’intégration des prélèvements stables, agricoles et industriels, permet d’obtenir les graphes suivants (Figures 9 et 10) :

Figures 9 – Prélèvements 1972-2007 et projection jusqu’en 2050 – Ouvrages (3248) pris en compte dans le modèle MONA

Figure 10 – Prélèvements 1972-2007 et projection jusqu’en 2050 – Ouvrages (2048) pris en compte dans la zone d’étude (parties captives)

Parallèlement, les résultats des simulations d’évolution climatique issues des travaux du GIEC ont été récupérés auprès du CERFACS. Ces données, issues du modèle ARPEGE, et désagrégées à la maille de 8 km x 8 km fournissent des projections de pluie et d’ETP à l’horizon 2050, les données étant disponibles à partir de 2000. Le CERFACS a procédé à l’extraction des données issues des différents scénarios en sa possession dans les mailles situées au droit des 5 stations météorologiques prises en compte dans le modèle Nord-Aquitain.

Parmi les scénarios d’évolutions climatiques disponibles, le scénario A1B dit « modéré » a été retenu. Le calcul des pluies efficaces, effectué en gardant la réserve utile utilisée lors de la phase de calage du modèle, donne les résultats suivants (Figure 11) représentés en moyennant les valeurs de pluies efficaces sur l’ensemble des 5 stations.

Figure 11 – Evolution des pluies efficaces de 1972 à 2050 (moyenne sur les 5 stations météo) – Projection avec le scénario A1B du GIEC à partir de 2008 (en grisé)

5. Résultats

Le scénario prospectif complexe (« Recharge A1B + Prélèvements INSEE »), jugé comme plausible au regard des perspectives d’augmentation de la population du nord de la région Aquitaine et des changements climatiques (diminution de la recharge de plus de 50%) tels qu’ils sont appréhendés aujourd’hui, apparaît comme le scénario le plus défavorable des cinq testés. Le déstockage simulé dans toutes les nappes   (y compris Miocène) est plus important et se maintient (ou ne diminue que très lentement) durant toute la période de simulation.

L’augmentation de population, calculée par l’INSEE, associée à la réduction de la recharge des nappes  , calculée à partir du scénario d’évolution climatique A1B du GIEC, donne lieu à une poursuite de la baisse de la piézométrie pour l’ensemble des nappes  . Les rabattements simulés et leur extension géographique traduisent le comportement hydrodynamique du système aquifère   multicouche en tenant compte de la complexité de son fonctionnement : distribution des perméabilités des nappes   et des perméabilités verticales des épontes, évaluation des taux de recharges, distribution des prélèvements…

A titre d’illustration, les cartes de rabattements entre 2007 et 2050 dans les aquifères   de l’Eocène moyen et le Bathonien-Callovo-Oxfordien sont présentées ci-après sur la figure 12.

Figure 12 – Cartes de rabattements 2007-2050 – Scénario « Recharge A1B + Prélèvements INSEE » - Couches MNA-EOCM et MNA BACX

Dans l’Eocène moyen, on constate le caractère régionalisé de l’impact des prélèvements de la zone bordelaise sur l’aquifère  . La mise en place des substitutions en 2015 et 2017 pour un total de 10 millions de m³ (8 sur la CUB et 2 sur le secteur de Carbon-Blanc) impacte positivement la piézométrie de très nombreux forages situés à l’est de la CUB comme par exemple celui de Libourne (Figure 13). En revanche, on n’observe aucun impact à l’ouest dans le secteur littoral.

Figure 13 - Résultats de simulation – Evolution piézométrique - Scénario « Recharge A1B + Prélèvements INSEE ».

Dans le Médoc, au droit de l’estuaire de la Gironde, la baisse continue des niveaux piézométriques du scénario « RA1B-Q Insee » entraine l’affaissement de la crête piézométrique   de l’Eocène identifiée dans l’Atlas des zones à risques du « SAGE Nappes   Profondes » de Gironde comme zone à risque. La Figure 14 montre cet abaissement progressif de la crête au cours du temps et son déplacement vers le nord. Bien que fortement contrainte par l’aspect structural (anticlinal   de Blaye-Listrac), cette crête peut disparaitre sous les effets cumulés de facteurs de recharge et de prélèvements très défavorables.

Figure 14 – Evolution de la crête piézométrique de l’Eocène - Scénario « Recharge A1B + Prélèvements INSEE »

Compte-tenu de ces résultats, l’étude a permis de mettre en évidence que l’exploitation de ces aquifères   à un niveau équivalent aux prélèvements retenus dans le scénario (« Recharge A1B + Prélèvements INSEE ») avec des conditions de recharge très dégradées par rapport à l’actuel conduirait à un déséquilibre pouvant être jugé durable pour les nappes   profondes du nord du Bassin   Aquitain.