Appui au SCHAPI 2015 Module 1 - infoterre.brgm.frinfoterre.brgm.fr/rapports/RP-65570-FR.pdf · bien que le karst joue un rôle écrêteur non négligeable sur le laminage des crues,

Appui au SCHAPI 2015 – Module 1 - Rôle et contribution des eaux

souterraines d’origine karstique aux crues des bassins normands de l’Iton

et de l’Orbiquet Rapport final

BRGM/RP-65570-FR décembre 2015

Appui au SCHAPI 2015 – Module 1 - Rôle et contribution des eaux

souterraines d’origine karstique aux crues des bassins normands de l’Iton

et de l’Orbiquet Rapport final

BRGM/RP-65570-FR décembre 2015

Étude réalisée dans le cadre des opérations de Service public du BRGM EAU/RSE15

J.-B. Charlier, P.-Y. David, S. Lanini, et J.-F. Desprats

Vérificateur :

Nom : B. Ladouche

Fonction : Hydrogéologue

Date : 25/02/2016

Signature :

Approbateur :

Nom : J.C. Marechal

Fonction : Responsable d’Unité

Date : 16/03/2016

Signature :

Le système de management de la qualité et de l’environnement est certifié par AFNOR selon les normes ISO 9001 et ISO 14001.

Mots-clés : Karst, Crue, Normandie, Prévision En bibliographie, ce rapport sera cité de la façon suivante : Charlier J.-B., David P.-Y., Lanini S. et Desprats J.-F. (2015) – Appui au SCHAPI 2015 – Module 1 - Rôle et contribution des eaux souterraines d’origine karstique aux crues des bassins normands de l’Iton et de l’Orbiquet. Rapport final. BRGM/RP-65570-FR, 84p. © BRGM, 2015, ce document ne peut être reproduit en totalité ou en partie sans l’autorisation expresse du BRGM.

Rôle et contribution du karst aux crues des bassins de l’Iton et de l’Orbiquet

BRGM/RP-65570-FR – Rapport final 3

Synthèse

La contribution des eaux souterraines aux crues est une problématique traitée dans le cadre de la convention entre le BRGM et la DGPR (Direction Générale de la Prévention des Risques) pour le compte du SCHAPI (Service Central d'Hydrométéorologie et d'Appui à la Prévision des Inondations). Deux modules ont été définis pour l’année 2015 :

- l’étude du rôle des karsts de la Craie sur la genèse des crues des bassins de l’Iton et de l’Orbiquet, pour le compte du SPC Seine aval-Côtiers Normands ;

- le suivi du site expérimental de Warloy-Baillon et la modélisation maillée des hautes eaux de la Somme, pour le compte du SPC Artois – Picardie.

Ce programme de travail est financé à 80% par la DGPR, et à 20% par le BRGM dans le cadre de ses actions d’appui aux politiques publiques.

Le présent rapport fait référence au premier module, c’est-à-dire l’étude du rôle des eaux karstiques sur les crues de deux bassins crayeux normands. Prédire les crues sur les bassins karstiques est un défi, car les karsts sont des hydrosystèmes hétérogènes conceptualisés par une double, voire triple porosité, engendrant un fonctionnement non linéaire. Des échanges surface/souterrain complexes se produisent. Les karsts très filtrants peuvent ré-infiltrer la totalité des eaux de ruissellement sur leur impluvium et dans le même temps générer de fortes crues à leur exutoire via les écoulements rapides dans les réseaux de conduits souterrains. De plus, sur les bassins karstiques, la présence de formations de couverture moins perméables à l’affleurement va conduire à produire du ruissellement de versant qui sera dans certains cas difficile de différencier des écoulements souterrains rapides issus des karsts. C’est pourquoi mieux prédire les crues sur bassins karstiques nécessite de mieux comprendre leurs fonctionnements hydrologique et hydrogéologique qui sont fortement liés lors des épisodes de crue. Ceci passe par une approche hydrologique qui doit prendre en compte les spécificités des processus souterrains qui se produisent au sein de ces bassins.

L’objectif général de cette étude SCHAPI-BRGM 2015 est de mieux comprendre le rôle du karst de la Craie sur la genèse et la propagation des crues sur les bassins de l‘Iton et de l’Orbiquet, en vue d’améliorer les modèles de prévision. Ces deux bassins karstiques situés au cœur des plateaux normands sont fortement impactés par le fonctionnement hydrogéologique de la nappe de la Craie et par les échanges surface/souterrain qui s’y produisent. La question du rôle des karsts lors des crues est abordée pour les différents contextes hydrologiques avec un focus sur les périodes exceptionnellement humides de 1999-2001.

Pour le bassin de l’Orbiquet à Beuvillers, les objectifs spécifiques sont :

- d’analyser les données hydrologiques au regard des indicateurs de saturation du bassin (sol et nappe) dans le but de différencier les rôles respectifs du sol et de l’aquifère karstique dans la genèse des crues,

- d’établir un schéma de fonctionnement hydrologique et hydrogéologique du bassin en modélisant les flux à l’aide d’une approche de modélisation globale Pluie-Débit-Piézométrie.

Les résultats montrent qu’aucune relation n’a été mise en évidence entre la part d’écoulement rapide et les différents indicateurs de saturation du bassin (sol et nappe). Par contre, le débit de base est fortement corrélé au piézomètre de Glos, qui est défini alors comme représentatif du niveau de saturation des aquifères sur le bassin. Un modèle globale Pluie-Débit-Piézométrie est

Rôle et contribution du karst aux crues de l’Iton et de l’Orbiquet

4 BRGM/RP-65570-FR – Rapport final

appliqué pour simuler les crues et la piézométrie sur le bassin. Ce modèle tient compte notamment d’une fonction de production contrôlée conjointement par la saturation du sol (type RFU) et par la saturation de l’aquifère, et d’échanges avec l’extérieur du bassin pour simuler les écoulements souterrains inter-bassins. Les bonnes performances du modèle valident les hypothèses du schéma de fonctionnement concernant le rôle important du remplissage de l’aquifère dans la genèse des crues et des écoulements souterrains vers l’extérieur (bassin hydrogéologique moins étendu que le bassin topographique).

Sur le tronçon karstique de l’Iton entre Bourth et Normanville, les objectifs spécifiques sont :

- d’analyser les données hydrologiques et hydrogéologiques du tronçon, et de caractériser les relations entre les différentes variables pour aboutir à un schéma conceptuel des échanges surface-souterrain sur le tronçon karstique,

- de quantifier les échanges surface/souterrain (pertes et apports) sur le tronçon par une modélisation de la propagation des crues les plus fortes qui tienne compte des écoulements latéraux,

- de valider le schéma de fonctionnement du bassin en simulant les débits de l’Iton à Normanville à partir du débit à Bourth et en tenant compte d’échanges latéraux contrôlés par le niveau de remplissage de l’aquifère.

Les résultats ont permis d’établir un schéma de fonctionnement de l’Iton qui montre le passage en souterrain de l’Iton en basses eaux (Sec-Iton), puis, la mise en eau du Sec-Iton en période de hautes eaux, et enfin la mise en eau du Rouloir lors des crues exceptionnelles. En souterrain, ce schéma illustre les apports des nappes tout au long de l’année sur la partie aval du bassin. Un effet de seuil dans la réponse hydrologique des épisodes exceptionnels semble lié au niveau de remplissage de la nappe de la Craie. Sur le tronçon, l’augmentation de l’intensité des pertes avec celle du débit de crue à Bourth est observée, avec toutefois un plafonnement autour de 7 m3/s de pertes de débit, et ce, sans lien apparent avec le niveau de remplissage du karst à cet endroit (piézomètre Coulonges). Cependant, ce travail montre que, bien que le karst joue un rôle écrêteur non négligeable sur le laminage des crues, l’atténuation des pics de crue entre Bourth et Normanville est majoritairement liée à une question hydraulique (diffusion de l’onde de crue dans le réseau), plutôt qu’à une perte effective de débit. L’influence des pertes, gommée par ce phénomène, semble également atténuée par le drainage de la nappe de la craie sur l’aval du bassin, dont les apports latéraux sont correctement simulés à l’aide du piézomètre Graveron.

Suite à ces résultats importants qui montrent que le karst contribue de façon significative aux crues les plus fortes des deux bassins de l’Iton et de l’Orbiquet, des préconisations sont faites en vue d’améliorer la prévision des crues.



Sommaire

1. Introduction ........................................................................................................... 11

2. Sites et données disponibles ............................................................................... 13

2.1. CONTEXTE HYDROGEOLOGIQUE DU SECTEUR D’ETUDE ....................... 13

2.1.1. Situation .................................................................................................. 13

2.1.2. Pluies ...................................................................................................... 13

2.1.3. Géologie ................................................................................................. 14

2.1.4. Hydrogéologie ......................................................................................... 16

2.2. PRESENTATION DU BASSIN DE L’ORBIQUET ............................................. 18

2.2.1. Situation .................................................................................................. 18

2.2.2. Aquifères karstiques sur le bassin de l’Orbiquet ...................................... 19

2.3. PRESENTATION DU BASSIN DE L’ITON ....................................................... 20

2.3.1. Situation .................................................................................................. 20

2.3.2. Bras forcé ............................................................................................... 21

2.3.3. Hydrogéologie ......................................................................................... 22

2.3.4. Zones géomorphologiques ...................................................................... 24

2.4. DONNEES DISPONIBLES............................................................................... 25

2.4.1. Données spatiales .................................................................................. 25

2.4.2. Données temporelles .............................................................................. 25

3. Approches de modélisation .................................................................................. 27

3.1. MODELE PLUIE-DEBIT-PIEZOMETRIE AVEC LE CODE GARDENIA ........... 27

3.1.1. Principe ................................................................................................... 27

3.1.2. Structure du modèle ................................................................................ 27

3.1.3. Stratégie de calibration ........................................................................... 29

3.2. MODELE INVERSE POUR ESTIMER LES ECHANGES LATERAUX LORS DES CRUES SUR UN TRONÇON ........................................................................... 30

3.2.1. Problématique ......................................................................................... 30

3.2.2. Modèle de l’onde diffusante avec écoulements latéraux ......................... 31


3.3. MODELE DE PROPAGATION AVEC ECHANGES LATERAUX ...................... 33

3.3.1. Modèle de Muskingum ............................................................................ 33


4. Contributions du karst aux crues de l’Orbiquet .................................................. 37

4.1. ANALYSE DES DONNEES HYDROLOGIQUES ET HYDROGEOLOGIQUES 37


4.1.1. Chroniques hydrologiques et hydrogéologiques ..................................... 37

4.1.2. Relations Coefficient de ruissellement vs. Piézométrie ........................... 38

4.1.3. Relations Débit vs. Piézométrie .............................................................. 40

4.2. FONCTIONNEMENT HYDROLOGIQUE EN LIEN AVEC LE NIVEAU DE REMPLISSAGE DE L’AQUIFERE ................................................................... 42

4.2.1. Application d’un modèle Pluie-Débit-Piézométrie à la station de Beuvillers42

4.2.2. Résultats ................................................................................................ 44

4.2.3. Synthèse des résultats ........................................................................... 46

4.3. PRECONISATIONS POUR AMELIORER LA PREVISION SUR LE BASSIN DE L’ORBIQUET ................................................................................................... 48

5. Contributions du karst aux crues de l’Iton .......................................................... 51

5.1. ANALYSE DES DONNEES HYDROLOGIQUES ET HYDROGEOLOGIQUES 51

5.1.1. Iton : tronçon Bourth – Normanville ........................................................ 52

5.1.2. Affluent Le Rouloir .................................................................................. 58

5.1.3. Schéma des écoulements de surface et souterrain ................................ 59

5.2. ECHANGES SURFACE / SOUTERRAIN SUR LE TRONÇON BOURTH-NORMANVILLE LORS DES CRUES ......................................................................................... 61

5.2.1. Modélisation des échanges latéraux ....................................................... 61

5.2.2. Evaluation des pertes de l’Iton ................................................................ 64

5.2.3. Laminage des crues ............................................................................... 65

5.3. SIMULATION DES DEBITS SUR LE TRONÇON BOURTH-NORMANVILLE EN TENANT COMPTE DU NIVEAU DE REMPLISSAGE DE L’AQUIFERE .......... 66

5.3.1. Application d’un modèle Débit-Débit au tronçon Bourth-Normanville ...... 66

5.3.2. Résultats ................................................................................................ 68

5.3.3. Synthèse des résultats ........................................................................... 70

5.4. PRECONISATIONS POUR AMELIORER LA PREVISION .............................. 70

6. Conclusion ............................................................................................................ 73

6.1. BASSIN DE L’ORBIQUET A BEUVILLERS ..................................................... 73

6.2. BASSIN DE L’ITON A NORMANVILLE ........................................................... 73

7. Bibliographie ......................................................................................................... 75

Liste des illustrations

Illustration 1. Localisation des bassins de l’Orbiquet et de l’Iton ................................................. 13

Illustration 2. Pluies annuelles et mensuelles sur la zone d’étude .............................................. 14



Illustration 3. Carte géologique 1/1.000.000 (©BRGM) du secteur d’étude (en bleu les formations du Jurassique, et en vert les formations du Crétacé) ............................................. 15

Illustration 4. Répartition schématique des formations superficielles sur substratum crayeux de l’Ouest du Bassin de Paris (Quesnel et al., 1996) ............................................. 16

Illustration 5. Relevé des bétoires et des sources (à gauche) et IDPR (Brgm ©) à droite sur la zone d’étude. .............................................................................................................. 17

Illustration 6. Schéma géomorphologique du système karstique du Hannetot en Normandie (Fournier, 2006) ................................................................................................. 18

Illustration 7. Bassin de l’Orbiquet à Beuvillers sur fond géologique (1/1 000 000 Brgm ©) et IGN (1/1 000 000 IGN ©). ......................................................................................... 18

Illustration 8. Photos de la source de l’Orbiquet et de l’Orbiquet à Beuvillers (clichés Brgm ©). 19

Illustration 9. Hydrogramme enregistré à la source de l’Orbiquet (Leblanc, 1998). .................... 19

Illustration 10. Bassin de l’Iton à Normanville sur fond géologique (1/1 000 000 Brgm ©) et IGN (1/1 000 000 IGN ©). ......................................................................................... 20

Illustration 11. Photos de l’Iton à Bourth et à Normanville (clichés Brgm ©). .............................. 21

Illustration 12. Bras forcé de l’Iton en aval de Bourth. ................................................................. 22

Illustration 13. Fonctionnement hydraulique de l’Iton (d’après David et al., 2016) ..................... 23

Illustration 14. Coupe schématique en long du bassin de l’Iton (d’après ANTEA, 2005) ........... 24

Illustration 15. Données disponibles au pas de temps journalier et horaire ................................ 26

Illustration 16. Localisation des stations hydrométriques et piézométriques sur le bassin de l’Orbiquet et de l’Iton sur fond géologique (1/1 000 000 Brgm ©). .................... 26

Illustration 17. Structure du modèle GARDENIA utilisé pour simuler le débit en rivière ainsi que le niveau piézométrique de la nappe drainée (Thiéry, 2014) ................................ 28

Illustration 18. Schématisation des processus latéraux dominants lors des crues selon différents états hydriques initiaux sur un tronçon entre deux stations hydrométriques amont I (inflows) et aval O (outflows).(d’après Charlier et al. 2013) .............................. 30

Illustration 19. Propagation de l’onde de crue entre I (inflows) et O (outflows) avec apports ou pertes répartis de manière uniforme sur la longueur du cours d’eau (d’après Moussa, 1996). ................................................................................................................. 32

Illustration 20. Structure du modèle Débit-Débit avec échanges latéraux sur un tronçon de rivière ........................................................................................................................... 34

Illustration 21. Station hydrométrique jaugée et suivis piézométriques sur le bassin de l’Orbiquet sur fond géologique (1/1 000 000 Brgm ©) et IGN (1/1 000 000 IGN ©). ............... 37

Illustration 22. Chroniques hydrologiques et hydrogéologiques sur le bassin de l’Orbiquet de 1997 à 2014 (à gauche) avec un zoom sur le cycle hydrologique 2012-2013 (à droite) ; la piézométrie est exprimée en profondeur par rapport au sol, et en niveau d’eau normalisé pour comparer les dynamiques entre elles. ...................................... 38

Illustration 23. Coefficient de ruissellement de l’Orbiquet vs. indicateurs de saturation du bassin (HU2 et quatre piézomètres du bassin). ............................................................ 39

Illustration 24. Séparation de l’hydrogramme à Beuvillers par la méthode BFI sur l’ensemble de la chronique (à gauche) et le cycle hydrologique 2000-2001 (à droite). ............... 40

Illustration 25. Débit de base de l’Orbiquet vs. indicateurs de saturation du bassin (HU2 et quatre piézomètres du bassin). ..................................................................................... 41

Illustration 26. Paramétrisation du modèle GARDENIA utilisé pour simuler le débit et la piézométrie sur l’Orbiquet. ..................................................................................................... 43


Illustration 27. Résultats de la simulation des débits et niveau d’eau avec le piézomètre St Cyr de Ronceray : calage 2007-2010 / validation 2011-2014 ....................................... 44

Illustration 28. Résultats de la simulation des débits et niveau d’eau avec le piézomètre du Glos : calage 2013-2014 / PAS de validation ............................................................... 45

Illustration 29. Résultats de la simulation des débits et niveau d’eau (pas de calage sur les niveaux) : calage 1998-2000 / validation 2001-2003 .......................................................... 46

Illustration 30. Performances du modèle GARDENIA utilisé pour simuler le débit et la piézométrie sur l’Orbiquet. ..................................................................................................... 47

Illustration 31. Superposition des indices HU2 à Beuvillers et de la RFU simulée par Gardenia sur le modèle 2012-2014 avec le piézomètre Glos ..................................................... 48

Illustration 32. Stations hydrométriques jaugées (Débit) et non jaugées (Hauteur), et piézomètres sur le bassin de l’Iton ............................................................................................... 51

Illustration 33. Chroniques hydrologiques du bassin de l’Iton entre 1997 et 2015 (à gauche) avec un zoom en 2000-2001 (à droite) ; la piézométrie est exprimée en profondeur par rapport au sol, et en niveau d’eau normalisé pour comparer les dynamiques entre elles. ................................................................................................................... 52

Illustration 34. Séparation de l’hydrogramme à Bourth (à gauche) et à Normanville (à droite) par la méthode BFI ; exemple du cycle hydrologique 2000-2001. .............................. 53

Illustration 35. Débit de base de l’Iton à Normanville vs. indicateurs de saturation du bassin (HU2 et piézomètres du bassin). ..................................................................................... 54

Illustration 36. Débits de pointe de crue à Normanville vs. Débits de pointe de crue à Bourth en fonction du niveau initial du piézomètre Coulonges. ......................................... 55

Illustration 37. Relation Hauteur-Hauteur entre les stations de Damville et Bonneville-sur-Iton établie par le SPC SACN ............................................................................................... 55

Illustration 38. Relation Hauteur-Hauteur entre les stations de Damville et Bonneville-sur-Iton en fonction de l’état de saturation du sol (HU2) ...................................................... 56

Illustration 39. Relation Hauteur-Hauteur entre les stations de Damville et Bonneville-sur-Iton en fonction de l’état de remplissage du karst au piézomètre Coulonges (en haut) et au piézomètre Graveron (en bas) ........................................................................... 57

Illustration 40. Chroniques hydrologiques du bassin du Rouloir entre 2004 et 2015 (à gauche) avec un zoom en 2013-2014 (à droite)....................................................................... 58

Illustration 41. Hauteur d’eau dans le Rouloir à Glisolle vs. piézométrie .................................... 59

Illustration 42. Schéma des écoulements de surface et souterrain du bassin de l’Iton en fonction des conditoins hydrologiques. .................................................................................. 60

Illustration 43. Crue du 30 décembre 1999 : extraits video du survol de l’Iton (video de la DDE de l’Eure, 30 décembre 1999) ................................................................................. 60

Illustration 44. Echanges latéraux lors de la crue du 06/01/2001 ; les débits Q crue correspondent aux Q totaux auxquels sont soustraits les Q totaux initiaux. ............................. 62

Illustration 45. Echanges latéraux lors de la crue de décembre 1999. ....................................... 63

Illustration 46. Echanges latéraux lors de la crue de mars 2001. ............................................... 64

Illustration 47. Débits de perte maximale vs. Débit de pointe de crue à Bourth en fonction du niveau initial du piézomètre Coulonges. ........................................................................ 65

Illustration 48. Débits de perte maximale vs. Débit de pointe de crue à Bourth en fonction du niveau initial du piézomètre Coulonges. ........................................................................ 66

Illustration 49. Paramétrisation du modèle Débit-Débit utilisé pour simuler la propagation du débit sur le tronçon Bourth-Normanville sur l’Iton ............................................................. 67



Illustration 50. Simulation des débits à Normanville et des échanges latéraux à partir des données de débit à Bourth et de la piézométrie à Coulonges .......................................... 68

Illustration 51. Simulation des débits à Normanville et des échanges latéraux à partir des données de débit à Bourth et de la piézométrie à Graveron ............................................ 68

Illustration 52. Zoom sur la crue du 0412/1999 au 23/01/2000 ................................................... 69

Illustration 53. Zoom sur la crue du 05/03/2001 au 24/04/2001 .................................................. 69

Illustration 54. Log du piézomètre du Glos 01474X0074 ............................................................ 79

Illustration 55. Log du piézomètre Coulonges 01801X0010 ....................................................... 83

Liste des annexes

Annexe 1 Log du piézomètre du Glos (bassin de l’Orbiquet)..................................................... 77

Annexe 2 Log du piézomètre Coulonges (bassin de l’Iton) ........................................................ 81



1. Introduction

Prédire les crues sur les bassins karstiques est un défi car les karsts sont des hydrosystèmes hétérogènes conceptualisés par une double, voire triple porosité, engendrant un fonctionnement non linéaire. Des échanges surface/souterrain complexes se produisent car les formations karstiques très perméables peuvent ré-infiltrer la totalité des eaux de ruissellement sur leur impluvium et dans le même temps générer de fortes crues à leur exutoire via les écoulements rapides dans les réseaux de conduits souterrains. De plus, sur les bassins karstiques, la présence de formations de couverture moins perméables à l’affleurement vont conduire à produire du ruissellement de versant qui sera dans certains cas difficile de différencier des écoulements souterrains rapides issus des karsts. C’est pourquoi mieux prédire les crues sur bassins karstiques nécessite de mieux comprendre leurs fonctionnements hydrologique et hydrogéologique qui sont fortement liés lors des épisodes de crue. Ceci passe par une approche hydrologique qui doit prendre en compte les spécificités des processus souterrains qui se produisent au sein de ces bassins.

Depuis plusieurs années, les développements méthodologiques dans le cadre de la convention SCHAPI-BRGM sur les crues de bassins karstiques ont abouti à la mise en place d’outils de diagnostic pour évaluer le rôle du karst sur la genèse des crues. Ces outils font appel à des approches variées définies à partir des spécificités des bassins étudiés : sous la forme d’Indicateur Karst (IK) basé sur l’évolution de la piézométrie (Fleury et al., 2010 ; 2011), sous la forme d’indicateurs cartographiques prenant en compte le rôle combiné du sol et du karst sur les bassins karstiques caractérisés par de fortes composantes marneuses en région provençale (Charlier et al., 2013), sous la forme de modélisation des écoulements latéraux (intégrant les échanges karst/rivière) par une approche débit-débit (Charlier et al., 2012 ; 2014).

Dans le cadre de la convention 2015, suite à une demande du Service de Prévision des Crues Seine aval-Côtiers Normands (SPC SACN), le SCHAPI a sélectionné deux bassins normands : i) le bassin de l’Iton pour une étude sur la partie karstique de ce tronçon réglementaire, et ii) le bassin de l’Orbiquet qui est un affluent karstique en rive droite du tronçon réglementaire de la Touques. L’objectif général est de mieux comprendre le rôle du karst de la Craie sur la genèse et la propagation des crues sur les bassins de l‘Iton et de l’Orbiquet, en vue d’améliorer les modèles de prévision de crue. Ce secteur est notamment marqué par un cycle pluri-annuel très humide de 1999 à 2001 qui a donné lieu à des inondations exceptionnelles dans la région.

Le premier axe de travail porte sur l’étude du bassin de l’Orbiquet. Sur ce bassin (337 km²) ne possédant qu’une seule station à l’exutoire (Beuvillers), l’approche utilisée est globale. La première étape consiste à analyser les données hydrologiques au regard des indicateurs de saturation du bassin dans le but de différencier les rôles respectifs du sol et de l’aquifère karstique dans la genèse des crues. La question qui se pose est celle de la pertinence des indicateurs d’humidité du sol (HU2) et du niveau de remplissage des aquifères (piézométrie) étant donné que les écoulements rapides proviennent aussi bien du ruissellement sur versant que des écoulements souterrains via les nombreuses sources karstiques. La seconde étape consiste à appliquer une modélisation Pluie-Débit-Piézométrie dans le but de valider le schéma de fonctionnement du bassin de l’Orbiquet. La question posée est alors celle du rôle du karst dans la genèse des crues, que ce soit en termes de contribution aux écoulements rapides ou en termes de saturation du bassin pour y favoriser des écoulements superficiels.


Le deuxième axe de travail porte sur l’étude du bassin de l’Iton. Sur ce bassin plus étendu (1050 km²), la présence de plusieurs stations hydrométriques permet d’utiliser une approche semi-distribuée en travaillant sur le sous-bassin karstique entre Bourth et Normanville. La première étape consiste à effectuer une analyse croisée des données hydrologiques et hydrogéologiques. L’objectif est d’aboutir à un schéma conceptuel des échanges surface-souterrain sur la partie karstique pour différentes conditions hydrologiques et notamment lors des crues exceptionnelles produites entre 1999 et 2001. La deuxième étape est une quantification de ces échanges latéraux à l’aide d’un modèle de propagation des crues sur le tronçon. L’idée est d’analyser l’origine du fort laminage des pointes de crue observé sur le tronçon Bourth-Normanville. La troisième étape consiste à simuler les débits de l’Iton à Normanville à partir du débit à Bourth en tenant compte des échanges latéraux contrôlés par le niveau de remplissage de l’aquifère. L’idée est de valider les principales hypothèses de fonctionnement du bassin pour en déduire le ou les indicateurs karsts les plus pertinents dans l’aide à la prévision.

L’aboutissement de cette étude est de proposer au SPC SACN des pistes d’amélioration pour fiabiliser la prévision des inondations de l’Orbiquet et de l’Iton en tenant compte des spécificités du comportement hydrologique mis en évidence sur les zones karstiques.



2. Sites et données disponibles

2.1. CONTEXTE HYDROGEOLOGIQUE DU SECTEUR D’ETUDE

2.1.1. Situation

Les deux bassins de l’Orbiquet et de l’Iton sont situés dans un triangle Lisieux – Evreux – Mortagne-au-Perche (Illustration 1). Le secteur d’étude s’étend de la rive droite de la Touques dans l’Orne jusqu’à la vallée de la Seine et de l’Eure à l’est dans le département de l’Eure.

Illustration 1. Localisation des bassins de l’Orbiquet et de l’Iton

2.1.2. Pluies

Le climat est de type océanique tempéré humide. Les pluies annuelles varient de 500 à 1000 mm (Illustration 2), avec une moyenne interannuelle de l’ordre de 600 à 770 mm selon les stations pluviométriques de la zone d’étude (Lisieux étant plus arrosée que L’Aigle et Evreux).


Les variations inter-mensuelles sont relativement faibles avec un automne légèrement plus arrosé (60 à 90 mm/mois) que les autres mois de l’année (entre 40 et 70 mm/mois) (Illustration 2). Cela indique une répartition assez régulière des précipitations tout au long de l’année.

Illustration 2. Pluies annuelles et mensuelles sur la zone d’étude

2.1.3. Géologie

a) Description des formations

L’Illustration 3 présente la carte géologique au 1/1 000 000 de la zone d’étude. Celle-ci est couverte en grande partie par la puissante série crayeuse du Crétacé supérieur (en vert sur la carte) : Cénomanien – Turonien – Coniacien – Santonien et Campanien. Elle est traditionnellement découpée en trois groupes : une craie glauconieuse jusqu’au Cénomanien moyen, une craie argileuse jusqu’au Turonien moyen et une craie blanche qui perdure jusqu’à la fin du Crétacé supérieur (Lasseur, 2007). A l’extrémité sud-ouest de la zone d’étude, les terrains du Cénomanien supérieur sont exceptionnellement caractérisés par les faciès sableux des Sables du Perche, formation détritique dans laquelle l’Iton prend sa source.



Illustration 3. Carte géologique 1/1.000.000 (©BRGM) du secteur d’étude (en bleu les formations du Jurassique, et en vert les formations du Crétacé)

Cette série crayeuse repose sur les formations sablo-argileuses du Crétacé inférieur (essentiellement l’Albien) qui représentent le mur de la puissance nappe de la Craie.

Ces terrains crétacés reposent en discordance sur les terrains carbonatés du Jurassique supérieur (en bleu sur la carte) qui affleurent au sud-ouest de la zone d’étude ainsi que dans le fond de vallée de la Touques et de ses principaux affluents dont l’Orbiquet.

Les affleurements de Crétacé supérieur sont relativement peu nombreux, et se localisent essentiellement au niveau des ruptures de pentes formées au gré du creusement des vallées. Sur les plateaux, les formations crayeuses sont masquées par une couche plus ou moins


épaisse de formations superficielles, notamment par les Formations résiduelles à silex et les Limons des Plateaux. En fond de vallée, le substratum crayeux est recouvert par les complexes alluvionnaires.

b) Formations superficielles

Les formations superficielles peuvent être épaisses et recouvrent l’ensemble des plateaux crayeux du secteur, les affleurements de craie n’étant localisés qu’au niveau des fortes pentes et des abrupts, situés sur les versants des vallées.

Illustration 4. Répartition schématique des formations superficielles sur substratum crayeux de l’Ouest du Bassin de Paris (Quesnel et al., 1996)

Les formations résiduelles à silex ou résidus à silex (RS) sont les principales formations superficielles qui recouvrent l’ensemble des plateaux crayeux de la zone d’étude. Elles résultent de l’altération des différents niveaux crayeux du Crétacé au cours du Cénozoïque. Ce sont des formations globalement sub-autochtones, formées sur place aux dépens de substratum crayeux et sans l’intervention d’agents de transport.

Les RS de plateau sont constitués de silex emballés dans une matrice argileuse, pouvant être sablo-argileuse à proximité des poches de sables ou silto-argileuse au sommet des profils recouverts de limons lœssiques (LP). L’épaisseur varie de quelques mètres à quelques décamètres : la moyenne étant d’environ 15 m.

2.1.4. Hydrogéologie

Du fait d’un recouvrement des formations géologiques crayeuses karstifiées par des formations superficielles relativement épaisses, les aquifères karstiques du secteur d’étude sont des systèmes sous couverture. Il n’en demeure pas moins de nombreuses figures d’infiltration en surface, au niveau de dolines de soutirage appelées régionalement bétoires, et générées par le soutirage des formations superficielles non cohésives au droit de zones d’infiltrations préférentielles dans la roche carbonatée karstifiée sous-jacente. Elles représentent des points



d’infiltration localisés au niveau d’une zone d’effondrement. Les bétoires sont donc les témoins ponctuels en surface de morphologies karstiques présentes en profondeur.

L’Illustration 5 représente les bétoires recensées sur le département de l’Eure (David, 2009). Il est intéressant de comparer ces données avec l’Indice de Développement et de Persistance des Réseaux hydrographiques IDPR1 (Mardhel et al., 2004 ; Mardhel et Gravier, 2005) qui vise à qualifier le caractère plus ou moins infiltrant des formations géologiques présentes à l’affleurement. Une valeur faible (en rouge) indique la prédominance de l’infiltration, tandis qu’une valeur forte (en vert) indique la prédominance du ruissellement. Sur la zone d’étude cet indice fait apparaître la prévalence de l’infiltration sur les plateaux situés dans une large moitié nord-est de la zone d’étude. En revanche les régions situées au sud-ouest dans le Perche et la vallée de la Touques sont plus ruisselantes. Ce contraste s’explique très bien par la géologie avec des formations crayeuses perméables sur les plateaux (bien que sous couverture), et des formations peu ou moins perméables sur les sables du Perche et le Cénomanien.

Illustration 5. Relevé des bétoires et des sources (à gauche) et IDPR (Brgm ©) à droite sur la zone d’étude.

Sur les plateaux crayeux drainés en profondeur, les aquifères karstiques se caractérisent par un réseau de drainage souterrain qui peut être très développé (Illustration 6, Fournier, 2006). Ce réseau est alimenté par les eaux d’infiltration à travers les formations superficielles des plateaux mais également depuis les cours d’eau connectés directement aux conduits karstiques par des bétoires ou lorsque les formations superficielles ont été totalement incisées. Cela peut engendrer un assèchement total des cours d’eau comme sur la Risle, le Rouloir et le Sec-Iton. Les exutoires de ces aquifères karstiques sont les émergences visibles en pied de versant, et qui alimentent le réseau hydrographique généralement moins dense qui traverse les plateaux.

1 L’hypothèse de base est celle que la densité de drainage est un indicateur révélateur des propriétés des formations géologiques, induisant une densité de réseau de drainage élevée pour des formations peu perméables (marnes, argiles) et faible pour des formations perméables comme les formations karstiques.


Illustration 6. Schéma géomorphologique du système karstique du Hannetot en Normandie (Fournier, 2006)

2.2. PRESENTATION DU BASSIN DE L’ORBIQUET

2.2.1. Situation

Le bassin de l’Orbiquet se situe à la frontière de la Basse et de la Haute-Normandie et sur les départements du Calvados, de l’Orme et de l’Eure. C’est un bassin agricole, en partie cultivé en céréales et en partie occupé par les prairies pour l’élevage. Sa surface est de 337 km² à la station hydrométrique de Beuvillers située 2 km en amont de sa confluence avec la Touques à Lisieux (Illustration 7).

Illustration 7. Bassin de l’Orbiquet à Beuvillers sur fond géologique (1/1 000 000 Brgm ©) et IGN (1/1 000 000 IGN ©).



Le bassin est composé de plateaux crayeux du Crétacé incisés légèrement par des vallées sèches, et incisés de manière plus marquée jusqu’au Jurassique par les vallées abritant un réseau hydrographique pérenne. Plusieurs sources localisées en bas de versant drainent les plateaux dont la principale source du bassin, celle de l’Orbiquet (Illustration 8).

Illustration 8. Photos de la source de l’Orbiquet et de l’Orbiquet à Beuvillers (clichés Brgm ©).

2.2.2. Aquifères karstiques sur le bassin de l’Orbiquet

La source la plus importance du bassin, celle de l’Orbiquet, draine la tête de bassin. Dans le cadre d’une étude DIREN (Leblanc, 1998), la source a été instrumentée pendant une courte période pour des mesures de débit, permettant d’obtenir des informations sur la réponse hydrogéologique. Le débit de base est de l’ordre de 250 l/s et les pointes de crue peuvent dépasser 1 m3/s (Illustration 9). Sur la base des résultats de traçage présentés dans cette même étude, l’aire de recharge est d’environ 70 km².

Illustration 9. Hydrogramme enregistré à la source de l’Orbiquet (Leblanc, 1998).


Les autres sources recensées en position de pied de versant drainent les plateaux en rive gauche et rive droite de l’Orbiquet ainsi que sur l’affluent La Courtonne au nord-est du bassin (Illustration 7). Les résultats des traçages artificiels laissent penser que la limite Est du bassin hydrogéologique est assez proche de celle du bassin topographique. Par contre, peu d’informations sont disponibles sur l’étendue du bassin hydrogéologique à l’ouest et sur la lligne de partage des eaux souterraines entre Orbiquet et Touques.

2.3. PRESENTATION DU BASSIN DE L’ITON

2.3.1. Situation

Le bassin de l’Iton à Normanville se situe entre Pays d’Ouche et du Perche sur les départements de l’Orne et de l’Eure. C’est un bassin principalement cultivé en céréale et pour l’élevage, avec la traversée de la ville d’Evreux (100 000 habitants) à l’aval. Sa surface est de 1050 km² à la station hydrométrique de Normanville située 7 km en aval d’Evreux et 18 km en amont de sa confluence avec l’Eure (Illustration 10 et Illustration 11).

Illustration 10. Bassin de l’Iton à Normanville sur fond géologique (1/1 000 000 Brgm ©) et IGN (1/1 000 000 IGN ©).



Sur sa partie amont, le bassin draine les collines du Perche par un réseau hydrographique ramifié. Puis le réseau s’étiole, et est en partie détourné vers l’Avre entre Bourth et Damville. L’Iton traverse alors les plateaux du Pays d’Ouche, de Saint André et du Neubourg dans des vallées de plus en plus encaissées le long d’un réseau en baïonnette. Le premier tronçon de l’Iton en aval de Damville a la particularité d’être à sec en étiage (Sec Iton). C’est également le cas de son principal affluent, Le Rouloir qui conflue au niveau de Glisolles. Sur les plateaux, aucun écoulement de surface pérenne n’est observé. Deux grandes zones d’émergences se situent sur le Rouloir à Conches-en-Ouche et à Glisolles (Fosse aux Dames et Source de la forge), ce qui témoigne de l’importance des circulations souterraines dans ce secteur.

Illustration 11. Photos de l’Iton à Bourth et à Normanville (clichés Brgm ©).

2.3.2. Bras forcé

L’Iton a vu son cours d’eau fortement modifié sur sa partie amont entre Bourth et Damville (Illustration 12). Le cours d’eau divague dans la plaine et se divise en plusieurs bras, plus ou moins artificiels, dont le « bras forcé » de Verneuil réalisé au XVIIIème siècle et qui alimente l’Avre au sud. Entre Condé sur Iton et Damville les différents bras du cours d’eau se regroupent en un seul et même lit.

Les débits prélevés par ce bras forcé sont proportionnels au débit de l’Iton à Bourth (en amont du bras forcé) avec un plafonnement à 500 l/s (David et al., 2016). Les données de débit à Bourth utilisées dans cette étude sont corrigées de ce prélèvement en soustrayant les débits prélevés.


Illustration 12. Bras forcé de l’Iton en aval de Bourth.

2.3.3. Hydrogéologie

Une segmentation du cours d’eau et de son principal affluent Le Rouloir est possible en distinguant les tronçons infiltrant et les tronçons avec apports. Pour cela, une différenciation est faite entre les tronçons comprenant des bétoires au sein du réseau, et entre les tronçons comprenant des zones d’émergence alimentant ce même réseau. L’Illustration 13 présente une synthèse de cette segmentation, faisant apparaître une alternance de zones d’apports et de zones filtrantes.

Les zones d’apports sont localisées :

- Sur la moitié amont du bassin de l’Iton, de la tête de bassin jusqu’à la zone de confluence du bras forcé de l’Iton

- Sur la zone d’émergence des sources de la Fosse aux Dames et de la Forge entre Glisolles et al Bonneville-sur-Iton jusqu’à l’amont d’Evreux

- A l’aval du Rouloir au niveau des émergences de Conches-en-Ouche



Les zones de pertes sont localisées :

- Sur le Sec-Iton entre Damville et Glisolles (assèchement du cours d’eau et pertes identifiées par traçage vers les émergences de la Fosse aux Dames et des sources de la Forge)

- A l’aval du bassin (tel qu’il est délimité par la station de Normanville) à l’Aval d’Evreux jusqu’à Normanville (pertes identifiées par traçage vers l’Iton en aval de Normanville ainsi que vers l’Eure)

- Sur la quasi-totalité du Lemme (nom donné au Rouloir en amont des sources de Conches-en-Ouche) depuis la tête de bassin jusqu’à Conches-en-Ouche (vallée sèche)

Illustration 13. Fonctionnement hydraulique de l’Iton (d’après David et al., 2016)

En découle pour l’Iton un assèchement du cours d’eau en étiage sur la partie Sec-Iton et un fonctionnement temporaire pour Le Rouloir avec zone d’émergence principale de Conche-en-Ouche à la confluence avec l’Iton.


2.3.4. Zones géomorphologiques

La description préalable du bassin permet de délimiter l’Iton en deux zones géomorphologiques en amont et en aval de Damville (Illustration 14) :

- La moitié amont est située principalement sur les formations des sables du Perche et sur les craies céno-turoniennes peu perméables (en termes de fonctionnement hydrogéologique). L’Iton s’écoule alors dans une vallée peu encaissée avec un aspect rectiligne orienté SW-NE. Il est fort probable que les échanges nappe/rivière soient limités du fait de la faible perméabilité des formations superficielles (alluvions et argiles à silex sous-jacentes). Ce tronçon inclut également la zone de dissociation et de convergence du lit majeur en plusieurs lits au niveau du bras forcé.

- La moitié aval est la partie dite karstique du cours d’eau, à partir du moment où la rivière incise le plateau de plus en plus en décrivant des méandres très marqués dans une direction SSE-NNW. C’est dans cette zone appelée « Sec-Iton » que de nombreuses bétoires assèchent le cours d’eau. Entre Glisolles et la Bonneville-sur-Iton apparaissent d’importantes émergences après la confluence du Rouloir. L’Iton reprend sa direction originelle (SW-NE) dans une large vallée à fond plat jusqu’à Normanville où le lit suspendu dans ses levées au-dessus du talweg, s’oriente de nouveau SSE-NNW alors qu’il perd une partie de son débit par capture karstique vers l’Eure.

La propagation des crues et les échanges latéraux sur l’Iton vont fortement dépendre de ces deux zones géomorphologiques de bassin versant « classique » et de bassin karstique.

Illustration 14. Coupe schématique en long du bassin de l’Iton (d’après ANTEA, 2005)



2.4. DONNEES DISPONIBLES

2.4.1. Données spatiales

L’acquisition des données spatiales sur la zone d’étude a porté sur :

- la topographie : IGN 1/25000 ; - la géologie : carte géologique BRGM 1/1 000 000 et 1/50 000 ; - le réseau hydrographique : BD CARTHAGE ; - les données « Eaux souterraines » avec localisation des principales émergences et pertes :

base de données régionale du Karst Haute-Normandie (disponible sur le siges Seine Normandie)

- les traçages artificiels : base de données régionale du Karst Haute-Normandie (disponible sur le siges Seine Normandie : sigessn.brgm.fr)

- le découpage des bassins topographiques au droit des stations hydrométriques : donnée SPC SACN à partir du MNT50.

2.4.2. Données temporelles

Les données temporelles portent sur :

- Les précipitations Coméphore/Antilope moyennées sur chaque bassin et sous-bassin (Meteo France) ;

- L’ETP moyennée sur chaque bassin et sous-bassin (Meteo France) ; - L’humidité du sol moyennée sur chaque bassin : indice HU2 de la chaîne SIM ISBA (Meteo

France) ; - Le débit (Banque Hydro) ; - La piézométrie (ADES).

L’ensemble des données mesurées sont synthétisées dans l’Illustration 15. Les stations de l’Orbiquet et de l’Iton sont localisées sur l’Illustration 16.

Bassin Type de donnée Site Code station Fournisseur Dt=1j

Oui (x) / Non (o) Dt=1h

Oui (x) / Non (o)

OR

BIQ

UE

T

Pluie Bassin de l’Orbiquet à Beuvillers / Meteo France x depuis 1997 x depuis 1997

ETP Bassin de l’Orbiquet à Beuvillers / Meteo France x depuis 1997 o

HU2 Bassin de l’Orbiquet à Beuvillers / Meteo France x depuis 1997 o

Débit L’Orbiquet à Beuvillers I1103010 SP SACN x depuis 1997 x depuis 1997

Piézométrie

St-Cyr-du-Ronceray 01474X0048 ADES x depuis 2005 o

St-Pierre-de-Mailloc 01474X0039 ADES x depuis 1974 o

St-Martin-de-Fresne 01482X0055 ADES x depuis 2003 o

Glos 01474X0074 ADES x depuis 2011 o

ITO

N

Pluie Bassin de Normanville / Meteo France x depuis 1997 x depuis 1997

Bassin de Bourth / Meteo France x depuis 1997 x depuis 1997

ETP Bassin de Normanville / Meteo France x depuis 1997 o

Bassin de Bourth / Meteo France x depuis 1997 o

HU2 Bassin de Normanville / Meteo France x depuis 1997 o

Bassin de Bourth / Meteo France x depuis 1997 o

Débit L’Iton à Normanville H9402030 SP SACN x depuis 1997 x depuis 1997

L’Iton à Bourth H9402040 SP SACN x depuis 2000 x depuis 2000


Bassin Type de donnée Site Code station Fournisseur Dt=1j

Oui (x) / Non (o) Dt=1h

Oui (x) / Non (o)

Hauteur

L’Iton à Damville H9402060 SP SACN x depuis 2004 x depuis 2004

L’Iton à Bonneville-sur-Iton H9402070 SP SACN x depuis 2003 x depuis 2003

Le Rouloir à Glisolles H9403510 SP SACN x depuis 2004 x depuis 2004

Piézométrie

Moisville 01805X0036 ADES x depuis 1982 o

Coulonges 01801X0010 ADES x depuis 1985 o

Normanville 01502X0089 ADES x depuis 2012 o

Cierrey 01506X0016 ADES x depuis 2001 o

Graveron 01493X0001 ADES x depuis 1968 o

Nogent-le-Sec 01794X0035 ADES x depuis 1985 o

L’Aigle 02144X0005 ADES x depuis 1974 o

Sainte-Marguerite 01792X0020 ADES x depuis 2003 o

Bois Arnault 01795X0011 ADES x depuis 1972 o

Illustration 15. Données disponibles au pas de temps journalier et horaire

Illustration 16. Localisation des stations hydrométriques et piézométriques sur le bassin de l’Orbiquet et de l’Iton sur fond géologique (1/1 000 000 Brgm ©).



3. Approches de modélisation

Trois types de modèles sont utilisés dans cette étude :

- Une modélisation hydrologique Pluie-Débit-Piézométrie qui tient compte du remplissage des aquifères pour caractériser le fonctionnement et la genèse des crues sur un bassin ;

- Une modélisation inverse pour l’analyse des échanges latéraux surface/souterrain sur un tronçon de rivière lors des crues (modèle Débit-Débit) ;

- Une modélisation de la propagation de l’onde de crue (modèle Débit-Débit) qui tient compte du remplissage de l’aquifère pour caractériser le fonctionnement et la genèse des crues sur un tronçon de rivière.

3.1. MODELE PLUIE-DEBIT-PIEZOMETRIE AVEC LE CODE GARDENIA

3.1.1. Principe

Le modèle hydrologique global GARDENIA est un code de calcul développé par le BRGM (Thiéry, 2003, 2014, 2015). Il simule les principaux mécanismes du cycle de l’eau dans un bassin versant par des lois physiques simplifiées représentant un écoulement à travers une succession de réservoirs. À partir de chroniques météorologiques (précipitations, évapotranspiration potentielle) sur un bassin d’alimentation, GARDENIA permet de calculer le débit à l’exutoire d’un cours d’eau (ou celui d’une source) et / ou le niveau piézométrique en un point de la nappe libre sous-jacente. GARDENIA fournit également la pluie efficace et la recharge du système.

3.1.2. Structure du modèle

Dans sa mise en œuvre la plus simple, GARDENIA simule le cycle de l'eau par un système de 3 réservoirs en cascade qui représentent successivement (Illustration 17) : les premières dizaines de centimètres du sol (siège des phénomènes d’évapotranspiration), une zone intermédiaire générant de d’écoulement rapide, et une zone aquifère générant de l’écoulement souterrain lent et retardé.

La structure du réservoir SOL (Illustration 17) est de type « réserve utile » et permet de calculer la pluie nette ALIMH en calant la capacité du réservoir RU. Si la pluie est en excès par rapport à cette capacité, l’eau s’infiltre dans le système. L’évapotranspiration réelle (ETR) est estimée à partir des données d’évapotranspiration potentielle (ETP) et du stock d’eau disponible dans le réservoir SOL.

Le réservoir qui représente la ZONE NON SATUREE (Illustration 17) a une hauteur d’eau notée H. Il est alimenté en eau par la pluie nette ALIMH provenant du réservoir superficiel, et est vidangé par deux exutoires :

- Une percolation dans le réservoir souterrain G, notée ALIMG, suivant une loi linéaire (vidange exponentielle) de constante de temps THG :

ALIMG = H . dt / THG (dt = durée du pas de temps)

- Un écoulement à l’extérieur du bassin, sous forme d’une composante rapide QH du débit, selon une loi non-linéaire contrôlée par le paramètre RUIPER. Ce paramètre


RUIPER est en fait la hauteur d’eau dans le réservoir H pour laquelle la percolation ALIMG et l’écoulement QH sont égaux :

QH = H . dt / (THG . RUIPER / H)

Le ratio QH / ALIMG est égal au rapport H / RUIPER. Ce réservoir H sert uniquement au transfert. Le calcul s’effectue en réalisant une répartition de la Pluie Nette ALIMH en composantes ALIMG et QH.

Illustration 17. Structure du modèle GARDENIA utilisé pour simuler le débit en rivière ainsi que le niveau piézométrique de la nappe drainée (Thiéry, 2014)

Le réservoir de la ZONE SATUREE (Illustration 17) produit l'écoulement lent qui provient de l'aquifère et a une hauteur d’eau notée G. Il est alimenté par le réservoir intermédiaire H



(ALIMG), et est vidangé vers l’exutoire du bassin sous forme de débit QG, suivant une loi de vidange exponentielle de constante de temps TG :

QG = G . dt / TG

Le niveau piézométrique N est calculé en mm et transformé en niveau absolu en mètres par division par le coefficient d’emmagasinement global Coef_Emmag et ajout du niveau de base local Nbase :

N = G / Coef_Emmag + Nbase

Dans les bassins versants ayant une composante souterraine conséquente, il est fréquent que des ECHANGES SOUTERRAINS se produisent avec l’extérieur. Il peut arriver qu’une partie de la composante souterraine n’apparaissent pas dans le débit mesuré à l’exutoire. Cette partie de l’écoulement souterrain peut se propager dans la nappe souterraine latéralement vers l’extérieur du bassin, ou bien « sous » la section de jaugeage. On a donc une perte de débit (échange souterrain négatif). Ce débit perdu apparaîtra dans un bassin voisin. A l’opposé il peut arriver qu’un débit souterrain additionnel provienne d’un bassin versant voisin. On a alors un gain de débit (échange souterrain positif). Ces échanges souterrains sont modélisés avec un coefficient d’échange souterrain externe :

Q_Echang_Souterr = Fact_Echang . QG_Avant_Echang

soit :

Q_Echang_Souterr = QG . Fact_Echang / (1 + Fact_Echang)

Les échanges souterrains affectent la composante souterraine du débit calculé mais n’affectent pas le niveau du réservoir souterrain. Ils n’affectent donc pas le niveau de la nappe calculé.

3.1.3. Stratégie de calibration

Les paramètres du modèle pour calculer le débit sont au nombre de 5 :

- RU : Capacité du réservoir SOL de type « réserve utile » ou « réserve disponible pour l’évapotranspiration » : en mm,

- THG : Temps de demi-montée du réservoir H (temps de ½ percolation) : en mois, - RUIPER : Hauteur dans le réservoir H pour laquelle il y a répartition égale entre

écoulement rapide et percolation : en mm, - TG : Temps de demi-tarissement du réservoir G : en mois, - Fact_Echang : Coefficient d’échange souterrain externe : en %,

Un paramètre supplémentaire est nécessaire pour exprimer le niveau d’eau en piézométrie :

- Coef_Emmag : Coefficient d’emmagasinement global de l’aquifère

La calibration du modèle est effectuée simultanément sur le débit à l’exutoire et le niveau piézométrique en donnant un poids relatif (alpha et 1-alpha) à chacune des deux variables simulées. Le critère d’ajustement F est alors :

F = (alpha x F_Débit) + (1-alpha x F_Niveaux)


en retenant comme critères de performance pour F_Débit et F_Niveaux respectivement le coefficient de Nash sur la racine carré des débits Nash Q0.5 et sur la racine carré de la piézométrie Nash h0.5.

3.2. MODELE INVERSE POUR ESTIMER LES ECHANGES LATERAUX LORS DES CRUES SUR UN TRONÇON

3.2.1. Problématique

L’approche Débit-Débit entre deux stations hydrométriques sur un cours d’eau permet d’étudier les écoulements latéraux qui peuvent se produire sur le tronçon lors des crues. A partir des hydrogrammes mesurés à la station amont et à la station aval, il est possible de modéliser l’hydrogramme du bassin intermédiaire, sur lequel se produisent les écoulements latéraux issus des versants situés entre les deux stations.

Illustration 18. Schématisation des processus latéraux dominants lors des crues selon différents états hydriques initiaux sur un tronçon entre deux stations hydrométriques amont I (inflows) et aval O

(outflows).(d’après Charlier et al. 2013)



De manière théorique, l’Illustration 18 synthétise trois cas de crues types à l’échelle d’un tronçon de rivière (Charlier et al., 2013) :

- cas 1 : un état hydrique initial saturé (des sols et de l’aquifère) qui engendre une prédominance de ruissellement de surface associé à un drainage de l’aquifère. Dans ce cas, les écoulements latéraux sont des apports issus des versants et de la nappe, ce qui engendre une augmentation du débit du cours d’eau de l’amont à l’aval ;

- cas 2 : un état hydrique initial sec qui favorise l’infiltration limitant alors le ruissellement de surface, et engendrant des pertes au niveau du cours d’eau qui alimente l’aquifère situé à une cote inférieure au radier. Dans ce cas, les écoulements latéraux sont des pertes, ce qui engendre une diminution du débit du cours d’eau de l’amont à l’aval ;

- cas 3 : l’état hydrique initial du bassin passe d’un niveau sec à un niveau saturé au cours

de l’épisode pluvieux, engendrant un mixte des deux cas précédents. Des pertes en début de crue font la place à des apports lorsque le bassin est saturé.

Notons que dans le cas d’un bassin karstique sur lequel on peut négliger le ruissellement sur versant, les écoulements latéraux sont principalement des échanges surface/souterrain avec des contributions du karst à la rivière dans le cas 1, des pertes de rivières qui alimentent le karst dans le cas 2, et un mixte de ces deux cas dans le cas 3.

La simulation de l’hydrogramme des écoulements latéraux (Q latéral) nécessite l’utilisation d’un modèle de propagation de l’onde de crue.

3.2.2. Modèle de l’onde diffusante avec écoulements latéraux

Le modèle de l’onde diffusante avec écoulements latéraux simule la propagation de l’onde de crue entre deux stations en tenant compte d’apports ou de pertes uniformément réparties sur le tronçon. Pour caractériser ces écoulements latéraux, nous utilisons dans cette étude le modèle inverse qui simule le débit latéral à partir des données mesurées au droit des stations amont et aval.

a) Modèle de transfert : simulation du débit à l’exutoire

Un modèle linéaire d’hydrogramme unitaire, basé sur la méthode du noyau d’Hayami (1951) qui est une résolution de l’équation de l’onde diffusante, a été choisi pour simuler le transfert dans le réseau hydrographique (Moussa et Bocquillon, 1996). Pour tenir compte des écoulements latéraux au débit dans la rivière, nous utilisons la résolution de l’équation de l’onde diffusante qui tient compte d’apports ou de pertes uniformément répartis sur la longueur du tronçon (Moussa, 1996). Le principe est présenté dans l’Illustration 19.


Illustration 19. Propagation de l’onde de crue entre I (inflows) et O (outflows) avec apports ou pertes répartis de manière uniforme sur la longueur du cours d’eau (d’après Moussa, 1996).

Les deux paramètres sont la célérité C [L T-1] et la diffusivité D [L² T-1] qui représentent respectivement la vitesse de propagation de l’onde et son étalement.

L’équation de l’onde diffusante dépend des conditions initiales à t = 0 et aux limites amont et aval, des caractéristiques géométriques et hydrauliques de la rivière (profil en travers, pente et rugosité) exprimées à travers les relations C(Q) et D(Q), et de la fonction q(t) d’apports ou pertes latéraux selon que q(t) est positif ou négatif. Le terme q(t) [L².T-1] représente la distribution latérale des écoulements par unité de longueur.

Dans le cas général où la célérité C et la diffusivité D sont constantes sur un tronçon de rivière de longueur L, l’équation de l’onde diffusante admet une solution analytique exacte (Moussa, 1996) :

(1) tKttIttO *

(2) avec

t

AA dQQL

Ct

0

0

où le symbole (*) représente le produit de convolution et I(t) et O(t) sont respectivement l’hydrogramme d’entrée et l’hydrogramme de sortie.

K(t) est la fonction « noyau d’Hayami » :

(3) 2

3

24

21

exp

)(2)(

tD

LtK

L

Ct

Ct

L

D

CL



QA(t) est l’hydrogramme résultant de la composante latérale uniformément répartie par unité de longueur q(x,t) [L².T-1] :

(4) t

a dxtxqtQ0

.,

Selon les conditions hydrologiques, la composante latérale q(x, t) peut être négative ou positive s’il y a respectivement une dominante d’apports ou de pertes dans le réseau.

b) Modèle inverse : simulation des écoulements latéraux

Le problème inverse concerne l'identification des écoulements latéraux sur un tronçon sur la base de la connaissance des hydrogrammes aux deux stations amont et aval. Dans ce cas, les deux fonctions I(t) et O(t) sont connues et le problème est d'identifier QA(t). D’après Moussa (1996), de l’équation (1) on obtient:

(5) tKtItOtA *)(

(6) avec )(* tAtKtt

La résolution des Eq.(5) et (6) nécessite tout d’abord d’identifier le noyau d’Hayami K(t), puis de calculer A(t) en utilisant l'Eq. (5), ensuite de résoudre l'Eq. 6 afin de calculer la fonction Φ(t). Le calcul de QA(t) se fait alors ainsi :

(7) dt

d

C

LQtQ AA

)0(


Le modèle nécessite un calage des deux paramètres C et D, sachant que l’onde diffusante est plus sensible à la célérité C qu’à la diffusivité D.

Le calage de C a été réalisé manuellement en appliquant sur le débit amont le modèle de propagation sans écoulements latéraux. L’objectif est de mettre en phase le pic de crue amont propagé avec le pic aval observé. La valeur de calage est utilisée ensuite dans le modèle inverse. Le paramètre D est très peu sensible et a été fixé à 1000 m² s-1 qui est l’ordre de grandeur pour ce type de cours d’eau (Todini, 1996)

Ce modèle a été validé en contexte karstique lors des études BRGM/SCHAPI sous différents climats (Tarn, Provence, Jura, voir pour cela les rapports Appui au SCHAPI depuis 2012 : Charlier et al., 2012 ; 2013 ; 2014 ; 2015).

3.3. MODELE DE PROPAGATION AVEC ECHANGES LATERAUX

3.3.1. Modèle de Muskingum

Ce modèle est utilisé suite à l’application de la modélisation inverse permettant de caractériser les échanges latéraux à l’échelle de l’épisode de crue. Le modèle de Muskingum est utilisé


dans ce rapport pour simuler en continu la propagation des débits de l’Iton sur de longues chroniques.

a) Principe

Le modèle de Muskingum, qui tient son nom d’un cours d’eau américain, vise à déterminer le débit en un point d’une rivière connaissant le débit en amont. Cette méthode repose sur un modèle global des transferts de masse au sein du bief de la rivière, sans spatialisation des débits. Elle permet néanmoins de prendre en compte des débits d’échanges latéraux, en supposant qu’ils sont uniformément répartis le long du tronçon étudié.

Le modèle est constitué d’un jeu de deux équations différentielles ordinaires couplées, traduisant la conservation de la masse et la loi de vidange linéaire du tronçon. Comme l’a montré Cunge (1969), l’ingéniosité de cette approche est que la résolution numérique des équations introduit une diffusion numérique qui se rapproche de la diffusion réelle.

Illustration 20. Structure du modèle Débit-Débit avec échanges latéraux sur un tronçon de rivière

b) Equation de continuité

Il s’agit de l’équation de conservation de la masse, intégrée entre l’entrée (indice i) et la sortie (indice o) du bief :

𝑑𝑉

𝑑𝑡= 𝑄𝑖 − 𝑄𝑜 + 𝑞

V est le volume d’eau dans le tronçon de rivière (m3), q le débit des échanges latéraux entre la nappe et la rivière (positif si apports, négatif si pertes).



c) Loi de vidange (ou de stockage)

Le modèle de Muskingum considère une loi de stockage linéaire : le volume d’eau dans le bief de la rivière entre la section d’entrée et la section de sortie est proportionnel à une moyenne pondérée entre le débit d’entrée et le débit de sortie.

𝑉 = 𝑘. ⌊𝛼. 𝑄𝑖 + (1 − 𝛼). 𝑄𝑜⌋

k a la dimension d’un temps, et représente le temps de stockage du fluide dans le réservoir. Il dépend des propriétés physiques du tronçon étudié (profils en long et en travers, rugosité…). On peut relier ce paramètre à la célérité du modèle de l’onde diffusante.

est un paramètre adimensionnel compris entre 0 et 1 qui pondère l’influence du débit entrant et du débit sortant sur le volume stocké dans le bief. Dans le cas d’une rivière naturelle, il est compris entre 0 et 0.3, avec une valeur moyenne de 0.2 (El Idrissi et Persoons, 1995).

d) Echanges latéraux

Par analogie avec la loi de Darcy, on souhaite exprimer les apports latéraux en fonction de la différence de niveau entre l’aquifère et la rivière.

Néanmoins, la hauteur d’eau dans la rivière n’est pas indépendante du volume d’eau : si on l’utilise dans la formulation des apports latéraux, il faut y ajouter une loi traduisant la géométrie du lit de la rivière V=f(H). Pour s’affranchir de ce problème de couplage, on fait l’hypothèse que les amplitudes de variations de niveau d’eau dans la rivière (plusieurs dizaines de centimètres en général) sont négligeables devant celles des variations de la nappe (plusieurs mètres en général). Cette simplification permet alors d’estimer que les apports latéraux sont proportionnels à la différence de niveau entre l’aquifère Hnappe et la cote moyenne du radier Ho (lit de la rivière) sur le tronçon.

𝑞 = 𝑇. (𝐻𝑛𝑎𝑝𝑝𝑒 −𝐻0)

avec T un coefficient ayant la dimension d’une transmissivité (m²/s).


Le calage du modèle consiste à fixer les valeurs de la transmissivité T et d’ajuster la côte moyenne du radier Ho (pour le calcul des apports latéraux), ainsi que les valeurs des deux

paramètres du modèle de Muskingum ( et k), de façon à ce que les débits journaliers simulés à l’aval du tronçon soient les plus proches des débits mesurés. Le critère d’ajustement retenu est le coefficient de Nash et le calage est effectué manuellement par essai-erreur.



4. Contributions du karst aux crues de l’Orbiquet

4.1. ANALYSE DES DONNEES HYDROLOGIQUES ET HYDROGEOLOGIQUES

4.1.1. Chroniques hydrologiques et hydrogéologiques

L’Illustration 21 présente le réseau de mesures disponibles pour le bassin de l’Orbiquet. Une seule station hydrométrique jaugée à Beuvillers est prise en compte, étant donné que celle de la source de l’Orbiquet installée durant le cycle 1997-1998 est trop courte (voir données historiques Illustration 9). Les piézomètres possédant un suivi hydrogéologique depuis plusieurs années sont tous situés à l’aval du bassin. Les trois piézomètres localisés sur les plateaux recoupent des formations du Crétacé (St-Cyr-du-Ronceray, St-Pierre-de-Mailloc et St-Martin-de-Fresne). Le piézomètre du Glos situé en fond de vallée à proximité du cours d’eau recoupe les formations du Jurassique supérieur.

Illustration 21. Station hydrométrique jaugée et suivis piézométriques sur le bassin de l’Orbiquet sur fond géologique (1/1 000 000 Brgm ©) et IGN (1/1 000 000 IGN ©).


L’Illustration 22 présente l’ensemble des chroniques Pluie, Humidité (HU2), Piézométrie et Débit entre 1997 et 2015 avec un zoom sur le cycle hydrologique 2012-2013 pour lequel 3 chroniques piézométriques sont disponibles (St Cyr du Ronceray, Glos et St Mards de Fresne).

Illustration 22. Chroniques hydrologiques et hydrogéologiques sur le bassin de l’Orbiquet de 1997 à 2014 (à gauche) avec un zoom sur le cycle hydrologique 2012-2013 (à droite) ; la piézométrie est exprimée en profondeur par rapport au sol, et en niveau d’eau normalisé pour comparer les dynamiques entre elles.

Une première analyse des différentes variables montre que :

- HU2 : la saturation des sols (estimée par la chaîne de calcul SIM-ISBA) est rapide en fin d’été, et est maximale (HU2 proche de 55-60) sur les 2/3 du cycle hydrologique, avec une désaturation progressive à partir du printemps.

- Piézométrie : on peut différencier les piézomètres par leur réponse hydrogéologique à court et moyen terme. Ainsi le piézomètre de St Mards de Fresne - le plus éloigné du réseau hydrographique (cœur du plateau) - ne présente que des variations de grande longueur d’onde (cycles annuelles). Les trois autres piézomètres présentent des variations à plus haute fréquence correspondant aux épisodes de pluie les plus importants.

- Débit : la composante du débit de base est importante et représente entre 1/3 et ¼ du débit maximal annuel selon les cycles hydrologiques. Les crues et les décrues sont rapides et à mettre en cohérence avec la dynamique de crue également rapide observée à la source de l’Orbiquet (Illustration 9).

4.1.2. Relations Coefficient de ruissellement vs. Piézométrie

L’objectif est de caractériser la réponse hydrologique du bassin versant en fonction du niveau de saturation du bassin. Le coefficient de ruissellement est fourni par le SPC pour les différents



épisodes de la période 1997-2014 sous la forme du rapport LEE / LEP avec LEE la Lame d’Eau Ecoulée (correspondant à l’écoulement rapide, c’est à dire le débit total auquel est retranché le débit de base) et LEP la Lame d’Eau Précipitée. Il est à noter que sur un bassin comme celui de l’Orbiquet, une part importante des écoulements rapides provient des sources qui drainent le plateau, en plus du ruissellement qui peut survenir sur les flancs de coteaux.

Les variations du coefficient de ruissellement sont comparées à celles des différents indicateurs de saturation que sont l’indicateur sol HU2 et les indicateurs piézométriques situés sur le bassin (Illustration 23). Fort est de constater que l’on n’a que de mauvaises corrélations avec tous les indices de saturation, que ce soit le HU2 ou les différents piézomètres. La réponse hydrologique ne semble donc pas contrôlée de manière simple par le niveau de saturation du sol et/ou des aquifères, probablement du fait de la complexité et de la diversité de l’origine des écoulements de crue sur le bassin.

Illustration 23. Coefficient de ruissellement de l’Orbiquet vs. indicateurs de saturation du bassin (HU2 et quatre piézomètres du bassin).


4.1.3. Relations Débit vs. Piézométrie

L’objectif est maintenant de caractériser les relations piézométrie-débit sur l’Orbiquet, et d’évaluer la pertinence d’un indicateur karst (piézomètre) pour caractériser le niveau de saturation du bassin karstique.

Pour s’affranchir de l’influence des écoulements rapides en rivière, composés du ruissellement de surface et des écoulements de crue des systèmes karstiques (sources), nous avons choisi de travailler sur les périodes d’étiage lorsque l’influence des nappes est maximale. Une séparation des hydrogrammes en débit de base et débit de crue a été réalisée par la méthode BFI (base-flow index). Cette méthode a été développée par l’Institut d’Hydrologie de Wallingford (Gustard et al., 1992 et Gustard and Tallaksen, 2008). Le résultat obtenu à l’aide du logiciel ESPERE (Lanini et al., 2015) qui utilise le BFI est présenté à l’Illustration 24.

Illustration 24. Séparation de l’hydrogramme à Beuvillers par la méthode BFI sur l’ensemble de la chronique (à gauche) et le cycle hydrologique 2000-2001 (à droite).

Les variations du débit de base qui est un signal intégrateur du/des aquifère(s) du bassin, sont comparées à celles des différents indicateurs de saturation que sont l’indicateur sol HU2 et les indicateurs piézométriques situés sur le bassin (Illustration 25). On observe de mauvaises corrélations avec HU2 et les 2 piézomètres St Pierre de Mailloc et St Mards de Fresne. Une corrélation relativement bonne est mise en évidence avec le piézomètre St Cyr de Ronceray. Le piézomètre du Glos offre une corrélation linéaire très forte (R²= 0.83) avec le débit de base de l’Orbiquet, ce qui en fait l’indicateur karst le plus pertinent2. Contrairement aux autres piézomètres, l’ouvrage du Glos capture l’aquifère des calcaires du Jurassique supérieur (formations en bleu sur l’Illustration 7) tout en étant parfaitement isolé des formations superficielles où s’écoule le cours d’eau (cf log du piézomètre en Annexe 1). Ainsi, malgré sa proximité avec le cours d’eau, les variations piézométriques ne peuvent être influencées par l’Orbiquet, et elles renseignent bien sur les fluctuations de la nappe du jurassique sur la partie aval du bassin. Nous pouvons alors conclure que le débit de base de l’Orbiquet à Beuvillers est contrôlé par l’aquifère du Jurassique et que la Craie du Crétacé (en vert sur l’Illustration 7) semble contribuer de manière mineure en étiage. Ce résultat implique des échanges nappe/rivière importants avec un drainage de l’aquifère jurassique sur la partie aval du bassin qui masque les contributions - supposées plus faibles - de l’aquifère karstique de la Craie sur la partie médiane et amont.

2 Le piézomètre St Cyr de Ronceray ayant un historique depuis 2006, bien plus ancien que celui du Glos (depuis 2012), les mêmes graphiques ont été réalisés sur la période de recouvrement 2012-2014 pour évaluer l’effet de la longueur de la série sur la corrélation. Un résultat très similaire est observé pour St Cyr de Ronceray avec une corrélation de 0.69 avec le débit de base.



Illustration 25. Débit de base de l’Orbiquet vs. indicateurs de saturation du bassin (HU2 et quatre piézomètres du bassin).

La mauvaise corrélation du débit de base avec le degré d’humidité du sol (HU2) était attendue étant donné que les écoulements lents qui constituent le débit de base proviennent des systèmes karstiques. Les différences de corrélation entre le débit de base et les piézomètres testés illustrent par contre la variabilité spatiale des réponses hydrogéologiques sur le bassin.

La question porte alors sur l’indice de saturation qui contrôlerait le mieux les écoulements rapides de l’Orbiquet. Sur la base de ces derniers résultats, il est envisagé de tester l’influence de la saturation des aquifères sur les écoulements rapides, car une grande partie de ceux-ci provient des systèmes karstiques drainés par le bassin.

Une modélisation Pluie-Débit tenant compte de la saturation de l’aquifère pour contrôler les écoulements rapides permettra de valider ou non ce type de fonctionnement.


4.2. FONCTIONNEMENT HYDROLOGIQUE EN LIEN AVEC LE NIVEAU DE REMPLISSAGE DE L’AQUIFERE

4.2.1. Application d’un modèle Pluie-Débit-Piézométrie à la station de Beuvillers

a) Objectif

Un modèle à réservoirs est appliqué dans le but de valider le schéma de fonctionnement du bassin de l’Orbiquet.

La modélisation a pour objectif de simuler le débit à Beuvillers en tenant compte des spécificités du bassin, c’est-à-dire un contrôle de l’état de saturation du bassin par l’aquifère karstique du Jurassique plutôt que par le degré d’humidité du sol. Le code de calcul utilisé est GARDÉNIA (présenté Section 3.1) qui permet d’intégrer les processus hydro(géo)logiques avec plusieurs degrés de complexité. La structure du modèle retenue inclut les éléments suivants :

- Fonction de production contrôlée par la saturation du sol (type RFU) et par la saturation de l’aquifère

- Composante rapide pour simuler le ruissellement issu des versants (ruissellement de surface et sources en bas de versant drainant de petits aquifères Crétacé du plateau)

- Composante lente pour simuler le débit issu des réserves de l’aquifère du Jurassique supérieur

- Des échanges avec l’extérieur du bassin pour simuler les écoulements souterrains inter-bassins (limites du bassin hydrogéologique différentes de celles du bassin topographique)

L’idée est donc d’utiliser un modèle qui contraint la simulation des écoulements rapides par une simulation conjointe du niveau de nappe, en calant simultanément les débits (somme des simulations des 2 composantes rapide et lente) et la piézométrie (simulation du niveau du réservoir nappe qui génère la composante lente du débit).

b) Données et paramétrisation

Les données d’entrée utilisées sont la pluie et l’ETP, et les données de sortie sont le débit à Beuvillers et la piézométrie avec les 2 piézomètres les mieux corrélés au débit de base : St Cyr de Ronceray dans l’aquifère du Crétacé et Glos dans l’aquifère du Jurassique supérieur.

Du fait de longueurs de séries très différentes, 3 applications sont présentées :

- modèle Pluie-Débit-Piézométrie (St Cyr de Ronceray) entre 2006 et 2014 sur la période de disponibilité de données du piézomètre :

période de chauffe : 2006

période de calage : 2007-2010

période de validation 2011-2014 La stratégie de calibration porte sur un partage équilibré des périodes de moyennes eaux (2008 et 2013-2014) entre les périodes de calage et de validation.

- modèle Pluie-Débit-Piézométrie (Glos) entre 2012 et 2014 sur la période de disponibilité

de données du piézomètre :





pas de période de validation (1 an de calage et de validation s’est avéré trop court pour capter les variations pluri-annuelles de la piézométrie)

- modèle Pluie-Débit entre 1997 et 2003 pour tester les performances du modèle sur la

période humide de référence (1999-2001). Il n’y a pas de piézométrie disponible pour caler la nappe :



période de validation 2001-2003 La stratégie de calibration porte sur un partage du cycle hydrologique de très hautes eaux 2000-2001 entre les périodes de calage et de validation.

Dans les 3 cas, la surface du bassin versant a été fixée (337 km²). Le critère de performance retenu pour l’optimisation est la moyenne des deux coefficients de Nash calculés sur i) la racine carré du débit, et ii) sur la piézométrie. On autorise 800 itérations pour l’optimisation des paramètres.

Les paramètres calés sont présentés dans l’Illustration 26 :

Paramètre

Signification Unités

Calibration Pluie-Débit-Piézo

(St Cyr de Ronceray)

entre 2006 et 2014

Calibration Pluie-Débit-Piézo

(Glos)

entre 2012 et 2014

Calibration

Pluie-Débit

entre 1997 et 2003

RU Capacité de la réserve superficielle

(mm) 0 33 150

RUIPER

Hauteur de répartition entre Ruissellement et percolation

(mm) 37.7 21.6 99

THG

Temps de 1/2 montée (temps de 1/2 percolation)

(mois) 0.14012 1.67966 0.11974

TG Temps de 1/2 tarissement souterrain 1

(mois) 15.0 0.05010 6.59353

Fact_Echang Facteur d'échange externe

(%) -21.5 -64.2 -42.6

Illustration 26. Paramétrisation du modèle GARDENIA utilisé pour simuler le débit et la piézométrie sur l’Orbiquet.


4.2.2. Résultats

a) Modèle Pluie-Débit-Piézométrie (St Cyr de Ronceray) entre 2006 et 2014

Illustration 27. Résultats de la simulation des débits et niveau d’eau avec le piézomètre St Cyr de Ronceray : calage 2007-2010 / validation 2011-2014



b) Modèle Pluie-Débit-Piézométrie (Glos) entre 2012 et 2014

Illustration 28. Résultats de la simulation des débits et niveau d’eau avec le piézomètre du Glos : calage 2013-2014 / PAS de validation


c) Modèle Pluie-Débit entre 1997 et 2003

Illustration 29. Résultats de la simulation des débits et niveau d’eau (pas de calage sur les niveaux) : calage 1998-2000 / validation 2001-2003

4.2.3. Synthèse des résultats

a) Performances du modèle

Globalement, les résultats des simulations des 3 options (Illustration 27, Illustration 28, Illustration 29) montrent que le modèle permet de reproduire le débit et la piézométrie sur les années récentes pour lesquelles on dispose des données de niveau d’eau. Les coefficients de Nash utilisés comme critères de performance sont reportés dans l’Illustration 30.



Période de calage /

validation

Coefficeints de Nash

Simulation Pluie-Débit-Piézo

(St Cyr de Ronceray)

entre 2006 et 2014

Simulation Pluie-Débit-Piézo

(Glos)

entre 2012 et 2014

Simulation

Pluie-Débit

entre 1997 et 2003

Calage Nash Q

0.5 0.74 0.81 0.89

Nash h0.5

0.59 0.96 /

Validation Nash Q

0.5 0.60 / 0.78

Nash h0.5

0.68 / /

Illustration 30. Performances du modèle GARDENIA utilisé pour simuler le débit et la piézométrie sur l’Orbiquet.

Dans le détail, les récessions sont très bien simulées, probablement grâce à la structure du modèle contraint par une simulation conjointe du débit et de la nappe drainée par la rivière. La dynamique rapide des crues (montée et décrue sur quelques jours) est parfaitement reproduite. On observe une meilleure simulation de la piézométrie et du débit lorsque le modèle est calé sur le piézomètre du Glos (Nash Q0.5 = 0.81 et Nash h = 0.96), comparé à St Cyr de Ronceray (Nash Q0.5 = 0.74 et 0.60 et Nash h0.5 = 0.59 et 0.68, pour respectivement le calage et la validation). Il est à noter que la trop courte période de données du Glos ne nous permet pas de réaliser une stratégie de calage/validation qui valide totalement l’application de ce modèle avec ce piézomètre. Cependant, en cohérence avec le fait que le piézomètre du Glos soit fortement corrélé au débit de base, il paraît raisonnable de penser que ce piézomètre est un meilleur indicateur du niveau de remplissage moyen de l’aquifère de l’Orbiquet que St Cyr de Ronceray.

Enfin, ce même modèle – non calé sur la piézométrie - permet également de reproduire les flux en rivière sur la période 1998-2003 (Nash Q0.5 = 0.89 et 0.78 pour respectivement le calage et la validation), ce qui valide son application dans les conditions de hautes eaux, et laisse présager du rôle non négligeable du remplissage du karst dans la genèse des crues exceptionnelles de 1999-2001.

En conclusion, les bonnes performances de ce modèle Pluie-Débit-Piézométrie valident les hypothèses du schéma de fonctionnement concernant notamment un rôle important du remplissage de l’aquifère du Jurassique dans la genèse des crues du bassin de l’Orbiquet. Si l’aquifère crayeux du Crétacé est supposé avoir un rôle de moindre importance à ce niveau, il ne faut pas négliger son rôle de contributeur aux écoulements de crue.

b) Echanges inter-bassins

D’après la synthèse de la paramétrisation du modèle (Illustration 26) pour les meilleures simulations (Pluie-Débit-Piézométrie avec Glos 2012-2014, et Pluie-Débit sur 1998-2003), les facteurs d’échange externe dans le réservoir souterrain sont tous négatifs entre -43 et -65%, ce qui signifie que de fortes pertes en souterrain vers un autre bassin sont simulées. Dans le cas de l’Orbiquet, la limite ouest du bassin hydrogéologique étant inconnue (Illustration 7), il pourrait s’agir d’écoulements inter-bassins vers la rive droite de la Touque par exemple où affleure également le Jurassique supérieur.

Cela signifie que le bassin hydrogéologique de l’Orbiquet est plus petit que son bassin versant de 337 km². Pour approcher la taille du bassin hydrogéologique, des simulations Pluie-Débit Gardenia ont été effectuées sur la période 1997-2014 en calant la surface du bassin après avoir supprimé l’option d’échanges souterrains inter-bassins. La valeur estimée est de 290 km², soit 86% du bassin topographique En période de hautes eaux (1998-2003), la surface du bassin


hydrogéologique diminue à 265 km² (soit 78% du bassin topographique) indiquant des écoulements inter-bassins plus importants (pertes) lors des épisodes exceptionnels.

c) HU2 vs. RFU GARDENIA

La question qui se pose est la pertinence de l’indice HU2 issu de la chaîne de calcul SIM-ISBA pour estimer la saturation des sols en regard du niveau de réserve superficielle simulé par la RFU dans le code GARDENIA. La superposition des deux séries sur l’Illustration 31 montre que la phase de saturation en septembre-octobre est synchrone, mais qu’une désaturation plus rapide est observée pour la RFU à partir du mois de mai. Le HU2 semble donc traduire un comportement de saturation du sol beaucoup plus inertiel que la RFU en restant saturé au printemps, et dans certaines années jusqu’au début de l’été.

Illustration 31. Superposition des indices HU2 à Beuvillers et de la RFU simulée par Gardenia sur le modèle 2012-2014 avec le piézomètre Glos

Cette observation rejoint une réflexion sur la validité de l’indice HU2 (qui ne traduit que le comportement supposé de la partie superficielle du sol) pour des bassins karstiques au sein desquels une part importante de l’infiltration va percoler très rapidement vers l’aquifère à travers les bétoires.

Sur les bassins karstiques caractérisés par des écoulements préférentiels, l’indice HU2 est probablement un indice peu représentatif de la saturation réelle des sols, et encore moins de la saturation globale du bassin, mieux contrôlée par le remplissage de l’aquifère. Cet indice doit être finalement utilisé avec une prudence toute relative en contexte karstique.

4.3. PRECONISATIONS POUR AMELIORER LA PREVISION SUR LE BASSIN DE L’ORBIQUET

Sur la base des résultats obtenus et des données disponibles, plusieurs pistes d’amélioration sont proposées au SPC SACN pour fiabiliser la prévision des inondations sur le bassin karstique de l’Orbiquet :



- Rôle du remplissage des aquifères sur les écoulements de crue. La modélisation montre un fort contrôle des écoulements de crue par le niveau de saturation de l’aquifère, ce qui est cohérent avec le fait qu’une part importante des écoulements de crue provient des systèmes karstiques.

Evaluer la pertinence d’une initialisation de l’état de saturation du bassin du modèle SPC sur la piézométrie dans l’aquifère Jurassique (ou le débit de base).

- Différencier les surfaces « impluvium » et « bassin hydrogéologique ». Le

bassin hydrogéologique semble être significativement plus petit de 15 à 25% que le bassin hydrologique. Comme une part non négligeable de la composante rapide lors des crues provient des systèmes karstiques, il apparaît important de prendre en compte cette caractéristique pour ne pas surestimer la pluie efficace et les écoulements de crue sur ce bassin.

Tester la modélisation de l’Orbiquet en considérant un impluvium réduit, plus proche de la surface du bassin hydrogéologique

Intégrer des échanges inter-bassins dans la modélisation.

- indicateur de remplissage de l’aquifère du bassin de l’Orbiquet. Le piézomètre du Glos apparaît comme un bon indicateur pour tenir compte de la saturation du karst dans la prévision.

Réaliser un retour d’expérience des crues récentes pour tester la pertinence de l’indicateur piézométrique Glos (ou du débit de base qui lui est fortement corrélé) au profit du HU2 ; évaluer la faisabilité d’un suivi temps-réel du piézomètre ou du débit (pour le débit de base).



5. Contributions du karst aux crues de l’Iton

5.1. ANALYSE DES DONNEES HYDROLOGIQUES ET HYDROGEOLOGIQUES

L’Illustration 32 présente le réseau de mesures disponibles pour le bassin de l’Iton. Plusieurs stations hydrométriques segmentent le cours d’eau, avec de l’amont vers l’aval : Les Aspres et Crulai (Hors service), Bourth, Damville, Manthelon (Hors service), Bonneville-sur-Iton, et Normanville sur l’Iton, et Glisolles sur Le Rouloir.

Illustration 32. Stations hydrométriques jaugées (Débit) et non jaugées (Hauteur), et piézomètres sur le bassin de l’Iton


Si l’on retire la station de Manthelon qui ne donne pas toutes les garanties pour une mesure fiable des plus forts débits (zone de débordement), la zone karstique de l’Iton est encadrée par les stations hydrométriques jaugées de Bourth et Normanville. La partie du Sec-Iton est lui encadré par les stations de Damville, Glisolles et Bonneville-sur-Iton pour lesquelles seules les hauteurs d’eau sont disponibles.

Les piézomètres possédant un suivi hydrogéologique depuis plusieurs années sont répartis sur tout le bassin, avec Coulonges et Normanville à proximité du cours d’eau de l’Iton et L’Aigle et Ste Marguerite sur le cours d’eau du Rouloir, ainsi que Moisville, Cerrey, Graveron, Nogent-le-Sec et Bois Arnault sur les plateaux.

5.1.1. Iton : tronçon Bourth – Normanville

a) Chroniques hydrologiques et hydrogéologiques

L’Illustration 33 présente l’ensemble des chroniques Pluie, Humidité (HU2), Piézométrie par rapport au sol, Piézométrie normalisée pour comparer les différentes dynamiques, et débit entre 1997 et 2015 avec un zoom sur le cycle hydrologique 2012-2013. On observe sur les chroniques pluriannuelles le caractère exceptionnel des hautes eaux de 1999-2001, suivi par une décennie de basses eaux.

Illustration 33. Chroniques hydrologiques du bassin de l’Iton entre 1997 et 2015 (à gauche) avec un zoom en 2000-2001 (à droite) ; la piézométrie est exprimée en profondeur par rapport au sol, et en niveau

d’eau normalisé pour comparer les dynamiques entre elles.

Sur le cycle hydrologique 2000-2001, on observe comme pour l’Orbiquet un déphasage de la saturation des sols (exprimé à travers l’indice HU2 saturé rapidement dès la fin d’été jusqu’au printemps) avec celle des nappes (piézomètres saturés progressivement au cours des mois humides).



b) Relations Débit vs. Piézométrie à Normanville

L’objectif est de caractériser les relations piézométrie-débit sur l’Iton, et d’évaluer la pertinence d’un indicateur piézométrique pour caractériser le niveau de saturation du bassin entre Bourth et Normanville.

La séparation des hydrogrammes en débit de base et débit de crue a été réalisée par la méthode BFI (Gustard et al., 1992 et Gustard and Tallaksen, 2008) à l’aide du logiciel ESPERE (Lanini et al., 2015). Un exemple de résultat est donné Illustration 34. En comparant les chroniques de débit à Bourth (en noir) et Normanville (en bleu), on observe nettement une forte augmentation du niveau de base d’un facteur 3 à 4 qui indique un drainage d’une nappe sur l’aval du bassin. Dans le même temps, une diminution des débits de pointe de plusieurs m3/s est associée à un laminage de l'hydrogramme de crue. La section 5.2 sur les échanges surface/souterrain donnera des réponses quant aux influences respectives de l’hydraulique (diffusion) et du karst (pertes) pour expliquer ce laminage lié au transit de l'hydrogramme dans le lit majeur.

Illustration 34. Séparation de l’hydrogramme à Bourth (à gauche) et à Normanville (à droite) par la méthode BFI ; exemple du cycle hydrologique 2000-2001.

L’Illustration 35 présente le débit de base ainsi calculé à Normanville versus les indices de saturation du sol (HU2) et des nappes. On observe une absence de corrélation pour le HU2 et les piézomètres des plateaux présentant principalement des variations des cycles annuels et pluri-annuels (respectivement piézo Normanville et Cierrey). Les meilleures corrélations sont obtenues pour les piézomètres présentant des cycles annuels marqués et associés à des variations saisonnières plus ou moins prononcées comme ceux de Nogent-le-Sec, Moiville, et Coulonges (meilleure corrélation avec r² = 0.75). Graveron qui associe des variations pluri-annuelles et annuelles a une corrélation qui reflète ce comportement intermédiaire. Coulonges est un piézomètre susceptible d’être influencé par l’Iton sur la partie la plus amont de la zone de pertes à cause de sa position proche du cours d’eau et de sa conception qui ne l’isole pas de l’influence de la rivière (cf log du piézomètre en Annexe 2). Cependant, si sa dynamique est


bien corrélée à celle du débit de base l’Iton à l’exutoire du bassin (Normanville), c’est qu’il est forcément en grande partie représentatif des fluctuations de la nappe de la Craie à l’échelle du bassin.

Illustration 35. Débit de base de l’Iton à Normanville vs. indicateurs de saturation du bassin (HU2 et piézomètres du bassin).

c) Relations Débit-Débit et Hauteur-Hauteur

Le tronçon du Sec-Iton est encadré par les deux stations de débit Bourth et Normanville, mais également par les deux stations de hauteur Damville et la Bonneville-sur-Iton. Nous caractérisons ces 2 relations Débit-Débit et Hauteur-Hauteur en fonction du remplissage du karst à Coulonges.

Sur une sélection des 33 épisodes les plus forts (critère de sélection : débit de pointe à Bourth), l’Illustration 36 présente la relation Débit-Débit entre Bourth et Normanville en fonction du niveau initial au piézomètre Coulonges qui est le mieux corrélé avec le débit de base à Normanville. On observe globalement un très fort laminage des crues car les débits de pointe à Normanville sont presque systématiquement inférieurs à ceux de Bourth. Pour des niveaux initiaux inférieurs à -12 m de profondeur (groupe Piézo ini <-16 m et groupe -16 < Piézo ini < -12 m), l’écrêtement des crues est important car en moyenne d’un facteur 2. Par contre, lorsque le piézomètre est à un niveau de saturation supérieur (Piézo ini > -12m), on observe nettement une plus forte réponse hydrologique à Normanville avec dans certains cas une absence du laminage de l’onde de crue.



Illustration 36. Débits de pointe de crue à Normanville vs. Débits de pointe de crue à Bourth en fonction du niveau initial du piézomètre Coulonges.

Le SPC SACN a établi une relation hauteur–hauteur des pointes de crue entre Damville et la Bonneville-sur-Iton sur l'ensemble de la chronique dès que l'association des hauteurs correspondantes était possible. Elle peut s’ajuster par une fonction polynomiale d’ordre 2 (Illustration 37).

Illustration 37. Relation Hauteur-Hauteur entre les stations de Damville et Bonneville-sur-Iton établie par le SPC SACN

En faisant apparaitre l’état de saturation initial du sol (HU2) dans cette relation Hauteur-Hauteur sur l’Illustration 383, on observe une répartition des crues à forte humidité sur toute la gamme de hauteur. La relation n’est donc pas influencée par le degré d’humidité du sol.

3 La crue de 1995 n’apparait pas sur la relation faute de données sur l’indice HU2


Illustration 38. Relation Hauteur-Hauteur entre les stations de Damville et Bonneville-sur-Iton en fonction de l’état de saturation du sol (HU2)

Nous avons cherché à évaluer l’influence potentielle du karst sur cette relation en se basant sur la piézométrie. Deux piézomètres sont testés parmi ceux ayant de bonnes corrélations avec le débit de base à Normanville : Coulonges (situé sur le tronçon Damville-Bonneville) et Graveron (le plus éloigné du tronçon). L’Illustration 39 différencie les points selon 4 niveaux de remplissage du karst en se basant sur la profondeur piézométrique :

- Profondeur piézométrique à Coulonges : i) < -18 m (en vert), ii) entre -18 et -15 m (en jaune), entre -15 et -10 m (en orange), et iii) entre -10 et -8 m (en rouge).

- Profondeur piézométrique à Graveron : i) < -42,0 m (en vert), ii) entre -42,0 et -41,5 m (en jaune), entre -41,5 et -41,0 m (en orange), et iii) entre -41,0 et -40,0 m (en rouge).

Une influence très similaire est détectée pour les deux piézomètres. Pour des pointes de crue à Damville inférieures à 120 cm, c’est-à-dire la gamme d’écoulement complète hors crues exceptionnelles, la relation est linéaire entre les pics de hauteur à Damville et à la Bonneville, et le critère de remplissage du karst n’apparaît pas discriminant.

Au-delà de 120 cm, les points s’écartent de la droite dans le sens de plus fortes variations à la station de La Bonneville. Excepté les 2 pointes de crue de janvier 1995 et décembre 1999 (entourées d’un cercle bleu pointillé) qui se sont produites en condition de karst rechargé (sans être complètement saturé), les pointes de crue exceptionnelles se sont produites en état de karst totalement sursaturé (profondeurs comprises entre -10 et -8 m pour Coulonges et -41.0 et -40 m pour Graveron), et correspondent toutes aux crues de 2001 (entourées d’un cercle rouge pointillé).



Illustration 39. Relation Hauteur-Hauteur entre les stations de Damville et Bonneville-sur-Iton en fonction de l’état de remplissage du karst au piézomètre Coulonges (en haut) et au piézomètre Graveron (en bas)

En comparant les deux relations Débit-Débit et Hauteur-Hauteur, on peut alors estimer qu’un effet seuil dans la réponse hydrologique intervient lorsque le niveau piézométrique dans le karst atteint un niveau exceptionnel, proche de -12 m pour Coulonges et -41 m pour Graveron. Les crues exceptionnelles non alignées sur la relation Hauteur-Hauteur suggèrent une amplification des crues en aval du Sec-Iton lorsque le karst est saturé.


5.1.2. Affluent Le Rouloir

Le Rouloir est l’affluent principal de la partie karstique de l’Iton. Le SPC SACN estime que ce cours d’eau a pu contribuer de manière non négligeable lors de la crue de décembre 1999. Une estimation minimale à l’aide d’un modèle hydraulique (étude HEC-RAS de la station de Glisolles4) de l’ordre de 5.7 m3/s représenterait alors environ 40% de la pointe de crue de l’Iton à Normanville (13.9 m3/s). La difficulté pour mieux comprendre le fonctionnement de ce sous-bassin karstique est l’absence de débit à Glisolles. L’objectif de cette section est alors d’évaluer son fonctionnement à partir des seules relations hauteur – piézométrie disponibles.

a) Chroniques hydrologiques et hydrogéologiques

L’Illustration 40 présente l’ensemble des chroniques Pluie, Humidité (HU2), Piézométrie par rapport au sol, et débit entre 2004 et 2015 avec un zoom sur le cycle hydrologique 2013-2014. Les chroniques piézométriques présentent une cyclicité annuelle masquée sur le piézomètre Bois Arnaud par un bruit important. La hauteur à Glisolles est fortement bruitée et les hautes fréquences (infra-journalières) ont été filtrées pour le traitement de données qui suit. La distinction entre écoulements de crue et débit de base apparaît complexe en regard du zoom sur l’année hydrologique 2013-2014.

Illustration 40. Chroniques hydrologiques du bassin du Rouloir entre 2004 et 2015 (à gauche) avec un zoom en 2013-2014 (à droite)

4 Étude sur le Rouloir, station de Glisolles par Zaniolo et Piney, juillet 2015



b) Hauteur à Glisolles filtrée des Hf vs. indicateurs de saturation du bassin

D’après l’Illustration 41, il n’y a pas de relation entre la hauteur à Glisolles et la piézométrie mesurée sur les 3 piézomètres le long du cours d’eau. Deux hypothèses sont alors à avancer. La première est liée à l’incertitude sur la donnée à Glisolles du fait de la géométrie de la section sur laquelle les variations de niveau sont faibles et perturbées par la végétation (relation non univoque hauteur-débit). La seconde est relative à la complexité des écoulements souterrains entre la vallée du Rouloir et les émergences de Conches-en-Ouche (écoulements inter-bassins ?) où il manque des arguments sur l’existence de relations hydrauliques entre les zones de pertes sur le Lême et le Rouloir au niveau des piézomètres, et les émergences situées juste en amont de la station de Glisolles.

Illustration 41. Hauteur d’eau dans le Rouloir à Glisolle vs. piézométrie

5.1.3. Schéma des écoulements de surface et souterrain

Cette première analyse des données a permis d’établir un schéma de fonctionnement de l’Iton sur le tronçon karstique Bourth-Normanville. L’Illustration 42 présente les principaux écoulements de surface et souterrains le long du tronçon pour 3 conditions hydrologiques en basses eaux, hautes eaux et crues, et crues exceptionnelles.

Sur chaque graphique, la ligne principale représente l’Iton entre Bourth et Normanville. Au-dessus sont représentés les écoulements de surface, avec de l’amont vers l’aval, les dérivations vers l’Avre, l’affluent du Rouloir, et le ruissellement urbain d’Evreux lors des crues. En dessous sont représentés les écoulements souterrains avec les contributions des aquifères du Turonien et du Crétacé sup., le passage en souterrain de l’Iton au niveau du Sec-Iton, ses résurgences à la Fosse aux Dames et à la source de la Forge, et enfin les pertes vers l’Eure à l’aval au niveau de Normanville.

Ce schéma montre le passage en souterrain de l’Iton en basses eaux, puis, la mise en eau du Sec-Iton en période de hautes eaux, et enfin la mise en eau du Lême lors des crues exceptionnelles. En souterrain, ce schéma illustre les apports des nappes tout au long de l’année (augmentation du débit de base de l’Iton entre Bourth et Normanville).


Illustration 42. Schéma des écoulements de surface et souterrain du bassin de l’Iton en fonction des conditoins hydrologiques.

Illustration 43. Crue du 30 décembre 1999 : extraits video du survol de l’Iton (video de la DDE de l’Eure, 30 décembre 1999)



A titre d’exemple, l’Illustration 43 présente des extraits vidéo du survol de l’Iton entre Damville et Normanville le 30 décembre 1999 lors des épisodes de crue exceptionnels (video de la DDE de l’Eure, 1999). On observe parfaitement les zones de débordement sur tout le linéaire de l’Iton et l’impact de ce type d’inondation sur les infrastructures du bassin.

Le schéma des écoulements met en évidence des échanges surface/souterrain de diverses origines et qui évoluent fortement selon les conditions hydrologiques. La section suivante s’attache à mieux les comprendre et à tenter de quantifier leur rôle dans la genèse des crues de l’Iton.

5.2. ECHANGES SURFACE / SOUTERRAIN SUR LE TRONÇON BOURTH-NORMANVILLE LORS DES CRUES

5.2.1. Modélisation des échanges latéraux

Cette section a pour objectif de présenter une analyse des échanges latéraux sur les crues les plus fortes, sélectionnées pour leur ampleur sur un critère de débit à Bourth (33 épisodes).

a) Exemple sur une crue monopic (crue du 06/01/2001)

Un exemple d’analyse est donné ici sur une crue monopic (crue du 06/01/2001). Sur l’Illustration 44, sont affichés de haut en bas la pluie radar, l’indice HU2, la piézométrie à Coulonges, les chroniques de débit totaux, et enfin les chroniques de débit de crue, calculés à partir du débit total auquel a été retranché le débit de base initial.

Sur les chroniques hydrométriques, 4 courbes sont présentées correspondant au débit mesuré à la station amont de Bourth (courbe noire), au même débit propagé sur le réseau jusqu’à la station de Normanville calculé à l’aide du modèle de l’onde diffusante sans écoulements latéraux (courbe en tiretés noirs), au débit à l’aval à Normanville (courbe verte), et au débit latéral calculé à partir du modèle inverse de l’onde diffusante (courbe en tiretés rouge).

Remarques : le débit à Normanville n’est pas égal à la somme des débits à Bourth+latéral mais bien à la somme des débits à Bourth propagés + latéral propagé. Les débits « négatifs » calculés pour le sous-bassin latéral correspondent à des pertes au sein du réseau hydrographique.

Le débit latéral est estimé à l’aide du modèle de propagation détaillé Section 3.2 qui permet de simuler les écoulements latéraux uniformément répartis le long du tronçon à partir des 2 hydrogrammes amont et aval. Le calage des paramètres Célérité C et Diffusivité D sont détaillés section 3.2.3.

Sur les débits totaux, le débit latéral calculé correspond aux échanges moyens composés de l’ensemble des pertes (Sec-Iton) et apports simultanés (Rouloir, émergences, ruissellement).

Sur les débits de crue (débit total auquel est retiré le débit initial avant la crue), on s’affranchit des apports de base principalement constitués par le drainage des nappes (qui augmente fortement le débit de base entre Bourth et Normanville). Le débit latéral calculé correspond aux échanges liés uniquement aux écoulements rapides.


Illustration 44. Echanges latéraux lors de la crue du 06/01/2001 ; les débits Q crue correspondent aux Q totaux auxquels sont soustraits les Q totaux initiaux.

insi, sur l’exemple de la crue du 06/01/2001, en se focalisant sur l’analyse des débits totaux, on observe le laminage de la crue entre Bourth (Qx Bourth = 26.8 m3/s) et Normanville (Qx Normanville = 13.7 m3/s) de l’ordre de 13 m3/s. En début de crue, les apports latéraux sont de près de 2.7 m3/s, apports qui disparaissent lors du passage de la crue (Q latéral proche de 0 et légèrement négatif). La propagation de l’onde de crue est responsable d’un laminage de la crue de l’ordre de 11 m3/s (Qx Bourth = 26.8 m3/s et Qx Bourth propagé = 15.8 m3/s).

Si on se focalise sur l’analyse des débits de crue, on peut quantifier des pertes qui atteignent en instantané près de 6 m3/s (valeur de -6 m3/s sur les Q latéral).

La conclusion de cette analyse est que le laminage de la crue entre Bourth et Normanville est dû à la conjonction des 2 phénomènes de pertes sur le réseau et de diffusion de l’onde de crue, dans un rapport de 1 à 2 environ. S’y ajoutent les apports des aquifères (débit de base) qui tamponnent cet écrêtement.



b) Analyse des crues de décembre 1999

La même analyse est portée sur les épisodes exceptionnels de décembre 1999 en condition de karst initialement sec (piézo Coulonges < -15 m /sol) avec une saturation progressive de l’aquifère au cours de la succession des différents épisodes. Il est intéressant de noter que l’indice HU2 est déjà saturé.

On observe globalement des débits latéraux négatifs à chaque passage de crue, mais avec une diminution progressive de leur intensité entre les premiers et les derniers épisodes. Cela indique une diminution des pertes au cours du mois de décembre. Pour le dernier épisode (01/01/2000 à Bourth), les pertes sont nulles et la diffusion de l’onde de crue explique à elle seule le laminage de la crue.

Illustration 45. Echanges latéraux lors de la crue de décembre 1999.

c) Analyse des crues de mars 2001

Une autre analyse est portée sur le double épisode de mars 2001 en condition de karst déjà saturé initialement (piézo > -10 m /sol). L’indice HU2 est déjà saturé également.

On observe des débits latéraux négatifs lors du passage de la première crue, qui deviennent légèrement positifs lors du passage de la seconde crue.

Dans ce cas-ci, en plus d’une diminution des pertes, le modèle permet de mettre en évidence une augmentation des apports latéraux. Il faut peut-être chercher ce type de contributions auprès de l’affluent principal Le Rouloir.


Illustration 46. Echanges latéraux lors de la crue de mars 2001.

5.2.2. Evaluation des pertes de l’Iton

A partir de ces premières analyses, nous avons cherché à regarder de manière systématique le rôle potentiel du karst sur les échanges latéraux du tronçon Bourth-Normanville. Sur la base de 33 épisodes sélectionnés sur un critère de débit, nous avons calculé le débit d’échange maximal (qu’il soit négatif ou positif).

L’Illustration 47 présente ce débit maximal latéral vs. débit de pointe de crue à Bourth en fonction du niveau initial du piézomètre Coulonges. Il est intéressant de noter que les débits d’échange maximaux sont systématiquements négatifs, ce qui signifie que les pertes sont toujours supérieures en intensité aux apports. Globalement, on observe une augmentation de l’intensité des pertes avec une augmentation du débit de crue à Bourth. Cependant, on observe un plafonnement de ces pertes autour de -7 m3/s au-delà d’un débit de crue maximal de 12 m3/s. Le résultat le moins attendu est l’absence de lien avec le niveau de remplissage initial du



karst. Ainsi, le débit de pertes semble être principalement contrôlé par le débit de crue sans qu’un effet de seuil lié au karst ne soit observé.

Illustration 47. Débits de perte maximale vs. Débit de pointe de crue à Bourth en fonction du niveau initial du piézomètre Coulonges.

La première conclusion est que le piézomètre Coulonges est potentiellement un indicateur du niveau de saturation du bassin (relation forte avec le débit de base Illustration 35) sans pour autant être un indicateur du laminage des crues sur le tronçon Bourth-Normanville qui intègre tout un ensemble de pertes (Sec-Iton, Lême) et d’apports (Rouloir, émergences, etc.).

La seconde conclusion est que l’augmentation de la réponse hydrologique à Normanville sur la relation Débit-Débit (Illustration 37) qui met en évidence une influence du niveau de remplissage du karst, n’est a priori pas liée à une baisse du taux de pertes (et donc au rôle écrêteur du karst), mais plutôt lié aux déclenchements d’apports ne se produisant qu’en crue exceptionnelle. Ces derniers pourraient provenir de la mise en eau du Rouloir qui se produit dans ce type de condition extrême et/ou des contributions plus intenses des émergences de Conches en Ouche et de Glisolles.

5.2.3. Laminage des crues

Deux phénomènes concourent au laminage des crues entre Bourth et Normanville : un rôle hydraulique du fait de la diffusivité de l’onde de crue, et un rôle du karst sur la ré-infiltration des écoulements au niveau des pertes du Sec-Iton. La question porte alors sur leurs impacts respectifs.

L’Illustration 48 présente la comparaison du degré de laminage des crues les plus fortes entre ces deux phénomènes. On observe globalement un rapport qui augmente de 1 à 2 à 1 à 3 entre respectivement le laminage dû aux pertes et celui du à la propagation de l’onde de crue. La plus grande proportion de laminage dû à l’hydraulique est probablement engendrée par le plafonnement des pertes autour de 7 m3/s, comme vu précédemment.


Illustration 48. Débits de perte maximale vs. Débit de pointe de crue à Bourth en fonction du niveau initial du piézomètre Coulonges.

La conclusion de ce travail montre que, bien que le karst joue un rôle écrêteur sur le laminage des crues, l’atténuation des pics de crue entre Bourth et Normanville est majoritairement liée à une question hydraulique, plutôt qu’à une perte effective de débit. Cette forte diffusion de l’onde de crue peut être liée à la morphologie méandriforme du réseau hydrographique au niveau du tronçon Damville-Glisolles, ainsi qu’aux nombreuses zones de débordement et stockage temporaire (cf, images des inondations lors des crues de décembre, Illustration 43).

5.3. SIMULATION DES DEBITS SUR LE TRONÇON BOURTH-NORMANVILLE EN TENANT COMPTE DU NIVEAU DE REMPLISSAGE DE L’AQUIFERE

5.3.1. Application d’un modèle Débit-Débit au tronçon Bourth-Normanville

a) Objectifs

L’objectif de cette section est de simuler les débits de l’Iton à Normanville à partir du débit à Bourth en tenant compte du niveau de remplissage de l’aquifère. Pour cela, un modèle Débit-Débit avec échanges latéraux combinant le modèle de propagation de Muskingum et des échanges surface/souterrain de type Darcy (voir la présentation du modèle Section 3.3) est appliqué.



b) Données et paramétrisation

Les données d’entrée utilisées sont le débit à la station de Bourth, et le niveau piézométrique de la nappe de la Craie, et la donnée de sortie est le débit à Normanville qui est comparé au débit simulé. Les données sont disponibles sur la période comprise entre le 03/12/1999 et le 30/11/2014. On fait le choix de caler le modèle sur quatre années correspondant à la période de hautes eaux (03/12/1999 au 31/12/2003), puis de le valider sur les onze années restantes.

Deux piézomètres sont testés dans le cadre de cette approche : le piézomètre de Coulonges situé sur la zone de pertes et le piézomètre Graveron situé sur la partie aval du bassin. Ces deux piézomètres reflètent également un comportement distinct, respectivement saisonnier/annuel et annuel/pluri-annuel.

Les données d’entrée sont au pas de temps journalier. La résolution numérique des équations différentielles est réalisée à l’aide d’un solveur d’ordre 2 à pas fixe (journalier).

Les valeurs des paramètres du modèle calibré pour les deux séries piézométriques testées (Graveron et Coulonges) sont présentées dans l’Illustration 49.

Paramètre Signification Unité Graveron Coulonges

T Transmissivité (m2/s) 0.05 0.03

Ho cote du radier (m NGF) 88 111

Paramètre adimensionnel compris entre 0 et 1 (sans dimension) 0.06 0.07

k Temps de stockage du fluide dans le réservoir (s) 4 3.8

Illustration 49. Paramétrisation du modèle Débit-Débit utilisé pour simuler la propagation du débit sur le tronçon Bourth-Normanville sur l’Iton

Contrairement aux paramètres et k (liés uniquement à la propagation dans la rivière), les paramètres Ho et T qui décrivent les échanges avec la nappe de la craie sont sensiblement différents selon que l’on utilise le piézomètre de Graveron ou celui de Coulonges. On note en particulier que T est plus faible pour Coulonges.


5.3.2. Résultats

a) Calage des débits avec apports calculés à partir du piézomètre Coulonges

Illustration 50. Simulation des débits à Normanville et des échanges latéraux à partir des données de débit à Bourth et de la piézométrie à Coulonges

b) Calage des débits avec apports calculés à partir du piézo Graveron

Illustration 51. Simulation des débits à Normanville et des échanges latéraux à partir des données de débit à Bourth et de la piézométrie à Graveron



Illustration 52. Zoom sur la crue du 0412/1999 au 23/01/2000

Illustration 53. Zoom sur la crue du 05/03/2001 au 24/04/2001


5.3.3. Synthèse des résultats

Globalement, les résultats sont satisfaisants et montrent une meilleure simulation des débits avec des apports latéraux calés sur le piézomètre Graveron (Illustration 50 : Nash Q = 0.86 et Nash = 0.72, pour respectivement le calage et la validation) comparé au piézomètre Coulonges (Illustration 51 : Nash Q = 0.82 et Nash = 0.51)

Le modèle permet de reproduire le débit de base ainsi que les principaux pics de crue comme le montrent l’Illustration 52 et l’Illustration 53 sur des zooms des crues de 2000 et 2001. Les flux d’échanges latéraux sont systématiquement positifs tout le long de la série simulée, en étant compris entre 0.5 et 1.1 m3/s. Ces flux sont la somme des pertes mises en évidence sur l’analyse des crues (Section 5.2.2) et des apports (toujours supérieurs) observés à l’aval du Sec-Iton. Ces flux additionnés du débit de base mesuré à Bourth correspondent à la majorité des flux de base mesurés à Normanville. Cela indique alors que les épisodes de crue simulés à Normanville proviennent uniquement de la propagation du débit à Bourth sans contribution de la nappe.

Une limite de ce modèle est le fait qu’il ne tient pas compte des pertes estimées sur le Sec-Iton. Les échanges latéraux calculés par le modèle débit-débit sont donc le résultat des pertes et des apports qui apparaissent successivement sur le tronçon. En étant positifs, cela nous montrent que les pertes en amont sont largement compensées par des apports à l’aval.

La conclusion des résultats de ce modèle est qu’on obtient une bonne simulation des crues à Normanville avec un modèle de propagation, ce qui confirme que la diffusion est bien le phénomène qui régit l’essentiel du laminage des crues entre Bourth et Normanville. L’influence des pertes semble alors gommée par ce phénomène ainsi que par le drainage de la nappe de la craie.

5.4. PRECONISATIONS POUR AMELIORER LA PREVISION

Sur la base des résultats obtenus et des données disponibles, plusieurs pistes d’amélioration sont proposées au SPC SACN pour fiabiliser la prévision des inondations sur le bassin karstique de l’Iton :

- Spécificités du fonctionnement hydrologique du tronçon Bourth-Normanville. Ce tronçon est contrôlé par des échanges surface/souterrain complexes ayant diverses origines (pertes sur le Sec-Iton, apports du karst, affluent du Rouloir, notamment). Les modèles de propagation avec échanges latéraux ont mis en évidence le rôle conjugué - par ordre d’importance - de la diffusion et des pertes sur la laminage des crues à Normanville. Cet écrêtement est limité par ailleurs par des apports souterrains (débit de base) non négligeables. Le piézomètre de Coulonges semble être en lien avec les flux d’infiltration depuis le Sec-Iton, le piézomètre Graveron témoignant plutôt des contributions souterraines au débit de base de l’Iton.

Ne pas négliger l’importance de l’hydraulique (diffusivité) sur le laminage des crues du tronçon Bourth → Normanville. Développer un modèle hydraulique sur la station de La Bonneville en vue de construire une chronique de débits, pour examiner cette hypothèse

Améliorer la compréhension de la recharge du piézomètre Coulonges par les infiltrations localisées depuis le Sec-Iton



- Indicateur de remplissage de l’aquifère du bassin de l’Iton. Les deux piézomètres de Coulonges et notamment celui de Graveron apparaissent comme les deux indicateurs les plus appropriés pour renseigner sur le niveau de saturation du karst dans la prévision des crues. Un effet seuil est observé dans la réponse hydrologique sur le tronçon Bourth-Normanville. Celui a pu être défini sur le piézomètre de Coulonges situé sur le Sec-Iton. Au-dessus d’une cote de -12 m NGF à Coulonges, la relation Débit-Débit entre Bourth et Normanville, ainsi que la relation Hauteur-Hauteur entre Damville et La Bonneville-sur-Iton est modifiée vers une intensification importante des crues.

Réaliser un retour d’expérience sur les crues les plus fortes pour tester la pertinence de ces deux indicateurs au profit du HU2 ; évaluer la faisabilité d’un suivi temps-réel des piézomètres.

Intégrer les piézomètres Coulonges et surtout Graveron dans l’initialisation des modèles de prévision des crues.

- Besoin de connaissance sur les écoulements issus du Rouloir. Cet affluent au

fonctionnement complexe semble jouer un rôle majeur en contribuant fortement aux crues, notamment lors des épisodes extrêmes. Cependant, la métrologie à son exutoire (avant confluence avec L’Iton) n’est pas aisée, et les connaissances sur son fonctionnement hydrologique et hydrogéologique sont encore très sommaires.

Améliorer la métrologie en fiabilisant la mesure de débit à Glisolles

Caractériser les relations hydrauliques souterraines du secteur Risle / Rouloir / Iton (traçages).



6. Conclusion

L’objectif de cette étude était d’améliorer la compréhension du rôle du karst de la Craie sur la genèse des crues des deux bassins de l‘Orbiquet à Beuvillers et de l’Iton à Normanville en vue d’améliorer les modèles de prévision de crue. Ces bassins karstiques drainent les plateaux crayeux du Pays d’Ouches en Normandie, qui abritent la nappe de la Craie.

6.1. BASSIN DE L’ORBIQUET A BEUVILLERS

Une première étape a consisté à analyser les données hydrologiques en regard des indicateurs disponibles pour caractériser la saturation du bassin au niveau du sol (indice d’humidité HU2) et des nappes (piézométrie). Si aucune relation n’a été mise en évidence entre le coefficient de ruissellement et ces indicateurs, le débit de base est fortement corrélé au piézomètre du Glos, défini alors comme représentatif du niveau de saturation des aquifères sur le bassin.

Une seconde étape de modélisation Pluie-Débit-Piézométrie a été appliquée dans le but de valider le schéma de fonctionnement du bassin de l’Orbiquet. La modélisation des crues est globale à l’échelle du bassin et permet d’intégrer les processus hydrogéologiques avec plusieurs degrés de complexité : i) une fonction de production contrôlée par la saturation du sol (type RFU) et par la saturation de l’aquifère, ii) une composante rapide pour simuler le ruissellement issu des versants (ruissellement de surface et sources en bas de versant drainant de petits aquifères Crétacé du plateau), iii) une composante lente pour simuler le débit issu des réserves de l’aquifère, et iv) des échanges avec l’extérieur du bassin pour simuler les écoulements souterrains inter-bassins (limites du bassin hydrogéologique différentes de celles du bassin topographique). Les bonnes performances de ce modèle sur la simulation conjointe du Débit et de la Piézométrie valident les hypothèses du schéma de fonctionnement concernant le rôle important du remplissage de l’aquifère dans la genèse des crues et des écoulements souterrains vers l’extérieur (échanges inter-bassins).

Suite à ces résultats importants qui ont montré que le karst contrôlait et contribuait de façon majeure aux crues les plus fortes de l’Orbiquet à Beuvillers, des préconisations sont faites en vue d’améliorer la prévision des crues, i) en intégrant l’état de saturation des karsts dans l’analyse prétraitement de l’état de saturation du bassin, ii) en différenciant les surfaces « impluvium » et « bassin hydrogéologique » moins étendu de 15 à 25%, et/ou en intégrant les pertes liées aux échanges souterrain dans les modèles de prévision, iii) en effectuant un retour d’expérience des crues récentes pour tester la pertinence du piézomètre du Glos (ou du débit de base qui lui est fortement corrélé) comme indicateur de saturation de bassin au profit du HU2.

6.2. BASSIN DE L’ITON A NORMANVILLE

Une première étape a consisté à analyser les données hydrologiques et hydrogéologiques du tronçon Bourth-Normanville, et à caractériser les relations entre les différentes variables pour aboutir à un schéma conceptuel des échanges surface-souterrain sur le tronçon karstique Bourth-Normanville. L’étude des relations débit-piézométrie a permis d’identifier les piézomètres corrélés (piézomètre Coulonges et Graveron notamment) avec le débit de base à Normanville qui est 3 à 4 fois plus élevé qu’à Bourth en amont de la zone karstique. L’analyse débit-débit entre Bourth et Normanville montre que le laminage des pointes de crue diminue nettement lorsque les niveaux piézométriques sont exceptionnellement hauts. L’analyse hauteur-hauteur


sur le tronçon Damville-Bonneville montre également un effet seuil dans la réponse hydrologique pour des niveaux sursaturés de la nappe de la craie. L’analyse des données du Rouloir n’a pas permis d’identifier des relations entre variables hydrologiques et hydrogéologiques, ce qui est principalement lié à l’incertitude sur la donnée du Rouloir à Glisolles. Cette première analyse des données a permis d’établir un schéma de fonctionnement de l’Iton qui montre le passage en souterrain de l’Iton en basses eaux (Sec-Iton), puis, la mise en eau du Sec-Iton en période de hautes eaux, et enfin la mise en eau du Rouloir lors des crues exceptionnelles. En souterrain, ce schéma illustre les apports des nappes tout au long de l’année sur la partie aval du bassin.

Une deuxième étape de modélisation de la propagation des crues les plus fortes a eu pour objectif de présenter une analyse des échanges latéraux sur le tronçon Bourth-Normanville. Les résultats montrent une augmentation de l’intensité des pertes avec une augmentation du débit de crue à Bourth. Cependant, on observe un plafonnement de ces pertes autour de -7 m3/s au-delà d’un débit de crue maximal de 12 m3/s, et ce, sans lien apparent avec le niveau de remplissage du karst au droit des pertes (piézomètre Coulonges). Cependant, ce travail montre que, bien que le karst joue un rôle écrêteur non négligeable sur le laminage des crues, l’atténuation des pics de crue entre Bourth et Normanville est majoritairement lié à une question hydraulique (diffusion de l’onde de crue dans le réseau), plutôt qu’à une perte effective de débit.

Une troisième étape de modélisation a consisté à simuler les débits de l’Iton à Normanville à partir du débit à Bourth et en tenant compte d’échanges latéraux contrôlés par le niveau de remplissage de l’aquifère. Les bonnes performances du modèle en utilisant notamment le piézomètre Graveron pour rendre compte du niveau de la nappe de la craie confirme que la diffusion est bien le phénomène qui régit l’essentiel du laminage des crues entre Bourth et Normanville. L’influence des pertes semble alors gommée par ce phénomène ainsi que par le drainage de la nappe de la craie sur l’aval du bassin.

Sur la base des résultats obtenus plusieurs pistes d’amélioration sont proposées au SPC SACN pour fiabiliser la prévision des inondations sur le bassin karstique de l’Iton : i) de développer un modèle hydraulique sur la station de La Bonneville en aval du sec-Iton pour fiabiliser le schéma de fonctionnement proposé, ii) intégrer les piézomètres Coulonges et Graveron dans l’initialisation des modèles de prévision des crues pour rendre compte des effets seuils identifiés sur la réponse hydrologique lors des crues exceptionnelles, iii) améliorer la connaissance hydrologique et hydrogéologique du Rouloir en fiabilisant dans un premier temps la mesure de débit à Glisolles.



7. Bibliographie

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Annexe 1

Log du piézomètre du Glos (bassin de l’Orbiquet)



Illustration 54. Log du piézomètre du Glos 01474X0074



Annexe 2

Log du piézomètre Coulonges (bassin de l’Iton)



Illustration 55. Log du piézomètre Coulonges 01801X0010


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Documents

Appui au SCHAPI 2015 Module 1 - infoterre.brgm.frinfoterre.brgm.fr/rapports/RP-65570-FR.pdf · bien que le karst joue un rôle écrêteur non négligeable sur le laminage des crues,