Les enjeux principaux :

1. Approches cognitives et de modélisation

2. Le suivi des aquifères sur le long terme

 

1. Approches cognitives et de modélisation

La connaissance des circulations de fluide dans les aquifères souterrains est motivée par deux questions environnementales majeures que sont la gestion de la ressource en eau et le stockage souterrain des déchets . Dans le premier cas, l’eau est la ressource qu’il s’agit d’exploiter de manière raisonnée. Dans le deuxième cas, l’eau est à la fois une ressource qu’il faut protéger et un vecteur potentiel de transfert des produits des déchets vers la surface, et donc de pollution. La gestion des ces deux problématiques par la société civile doit être sous-tendue par un certain nombre de connaissances scientifiques qui permettent (i) d’optimiser l’exploitation, (ii) de surveiller la ressource en termes quantitatifs et/ou qualitatifs, et (iii) d’évaluer les conséquences et les risques sur le moyen et long terme de cette exploitation du sous-sol.

Ce préalable appelle deux remarques fondamentales qui ont motivé la mise en place de l’observatoire et la manière dont il est géré :

La gestion de ces problématiques environnementales passe nécessairement par le développement à la fois de la mesure et de la modélisation. La mesure est l’outil de connaissance objectif. La modélisation est à la fois un outil d’intégration des connaissances, et un outil de prédiction qui permet soit d’évaluer l’état d’un système dans le futur, soit la probabilité pour qu’un état donné soit atteint (problématique risque).

Comme souvent en géologie, il faut gérer le double constat que les milieux souterrains peuvent être – la règle général est qu’ils le sont – extrêmement hétérogènes, et que la densité d’informations disponibles reste très faible, largement en deçà de ce qu’il serait nécessaire de connaître pour réaliser une modélisation réellement prédictive. Les modèles doivent compenser ce manque d’information mais leur présupposé théorique est lié à la nature même de l’hétérogénéité du milieu. Cette dualité démontre, si besoin est, le caractère fondamental des recherches qui visent à développer les outils de prédiction et d’évaluation des risques.

La problématique “système complexe sous-contraint” est courante dans les sciences de la planète ; dans le cas de l’hydrogéologie, la difficulté majeure, aussi bien technique que théorique, vient de la finalité environnementale qui nécessite d’avoir des modélisations réellement prédictives et plus seulement cognitives. Cela passe par un développement conjoint, et interactif, de la modélisation et de la mesure, et par une réelle démarche de validation de ces modèles. Ce dernier point ne peut se faire que s’il on dispose de sites dédiés, pour lesquels on recherche avant tout une information la plus exhaustive possible.

Le SOERE H+ a été créé dans cet esprit. Le développement d’un réseau de sites hydrogéologiques, fortement instrumentés et complémentaires de ce qui existe à l’échelle internationale, est l’un des éléments de base de l’observatoire mais ce n’est pas le seul. Le développement instrumental, la base de données, et la coordination scientifique autour des liens modèles/données sont aussi constitutifs de H+ (voir le paragraphe sur les composantes d’H+).

H+ n’a pas vocation à couvrir l’ensemble des situations hydrogéologiques pour évaluer les ressources de la planète. Le SOERE H+ doit être considéré comme un outil de connaissance fondamentale dont la mise en place est motivée par les applications potentielles. Le fait que les équipes H+ soient fortement impliquées à la fois dans des recherches théoriques – application des théories de la percolation à des modèles d’hétérogénéité, développement de nouvelles méthodes numériques, … – et dans des recherches appliquées – stockage souterrain des déchets nucléaires, séquestration du CO2 dans le sous-sol, … – montre la manière dont nous souhaitons que le SOERE soit conduit et géré.

2. Pour un suivi des aquifères sur le long terme

L'observation sur une longue durée, typiquement supérieure à 10 ans, est aussi motivée par le besoin de connaître les principaux processus qui contrôlent l'évolution autant physique que chimique des aquifères. Nous suspections des constantes d'évolution relativement longues ; les séries temporelles qui ont démarré en 2002 ont conforté cette intuition. Les principaux objectifs pour ce suivi long terme sont :

Analyser la réponse des aquifères aux sollicitations physiques

Les premières observations obtenues sur les sites H+ montrent l'intérêt de mesurer ces évolutions lentes. Sur le site de Ploemeur, la qualité chimique de l'eau est toujours en évolution après 20 ans d'exploitation (figure ci-dessous). La mise en place du pompage en 1996 s'est aussi traduit par une augmentation des températures de l'eau associée à une remontée d'eaux profondes, avec des anomalies pouvant atteindre 3°C. Cette évolution qui dure depuis plus de 10 ans montre le potentiel de la mesure de température comme traceur des circulations souterraines, potentiel très sous-utilisé par la communauté scientifique.

Les 3 exemples présentés ci-dessous démontrent cette évolution lente de paramètres physiques ou chimiques de l'eau en réponse à des sollicitations variées.

Figure 1: Evolution de la composition des eaux au cours de l'exploitation du de Ploemeur. La chronique sur 10 ans montre une évolution continue de la teneur en sulfate qui marque à la fois un transfert des nitrates au sein de l'aquifère et une dénitrification.

 

Figure 2: A gauche: champ de température à 100 mètres de profondeur interpolé à partir des mesures en forage; à droite : profils de température en fonction de la profondeur dans le forage F11 du site de Ploemeur pour les années 1996, 2003, 2005 et 2010

Figure 3: Concentration en chlorure de 1965 à 1995 interpolées pour l'aquifère du Llobregat. La couleur orange représente de fortes concentration en sel indiquant la progression de l'intrusion d'eau saline due à la surexploitation de l'aquifère. La barrière hydraulique mise en place à pour but de faire reculer cette intrusion.

 

Quantifier l'impact des forçages évolutifs liés au changement de l'occupation des sols ou au changement climatique

 

L'exemple du site d'Hyderabad montre des changements drastiques de gestion de l'eau sur les 25 dernières années. Sur le bassin versant de Maheshwaram, le nombre de forage est passé de 2 à 929 en 15 ans. Depuis l’inauguration de l’aéroport international proche, l’occupation du territoire est en train d’évoluer d’un mode rural vers un mode périurbain. Cet observatoire permet de caractériser l’impact des changements d’occupation sur les ressources en eau souterraine. Le changement d’occupation du sol sera suivi par l’acquisition d’imagerie satellitaire haute résolution et l’impact en termes de prélèvements d’eau souterraine sera établi par la réalisation d’une campagne de mesure sur terrain. Depuis 2002, des campagnes d’échantillonnage des eaux souterraines sont organisées régulièrement dans l’optique de caractériser la variabilité spatiale de la composition chimique et isotopique de la nappe et son évolution à l’échelle saisonnière et pluriannuelle.

Figure 4: Localisation des forages sur le bassin versant de Maheshwaram. En 15 ans, le nombre de forage est passé de 2 à 929.

 

Obtenir des mesures représentatives de la variabilité climatique naturelle pour quantifier les flux et le transport des éléments dans le cycle hydrologique

 

L'obtention de mesures dans des conditions climatiques différentes et représentatives de la variabilité naturelle nécessite une durée d'observation longue. A titre d'exemple, les mesures gravimétriques effectué sur le site du Durzon suggèrent une recharge globale du système. Ce site présente une augmentation pluriannuelle qui n’est pas visible sur les autres sites. La continuation de ces mesures et les bilans hydriques long terme (10 ans) sur cette portion du Larzac permettront de déterminer si nous assistons véritablement à une recharge de l’aquifère.

Figure 5: Evolution des mesures de gravimétrie absolue à la Salvetat (SALV)

 

Construction d'une infrastructure internationale de référence

 

Par ailleurs, nous rappelons que, à l'instar des expériences internationales réalisées à Cape Cod (Massachusetts), Mirror Lake (New Hampshire) ou Riffle site (Colorado), la construction d'une infrastructure internationale de référence, comprenant des sites d'observation et des sites expérimentaux, nécessite un financement récurrent sur le long terme. En particulier, le développement des sites hydrogéologiques, impliquant de nombreux forages et la mise en place d'instrumentation de suivi, implique des investissements initiaux très important. Les financements récurrents apportés sur le long terme par H+, bien que ne couvrant pas le coût global des sites, sont essentiels pour garantir leur pérennité et leur valorisation. La mise en place d'une base de données "vivante" est l'un des éléments essentiels pour une connaissance cumulative des sites.