Intrusion d'eau saline à l'Île de la RéunionTest méthodologique de modélisation en densité variable

Thèse de diplôme 2006Sciences d'ingénieur en environnement

Andreas Stoll

Tuteur scientifique: Prof. Dr. Wolfgang KINZELBACH

Maître de stage: Dr. Jean-Luc FOLIO

Couverture:

Intrusion d'eau saline modéliséeGénéré avec GMS

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RésuméLes nappes littorales à La Réunion sont fortement exploitées pour l'alimentation en eaupotable, l'irrigation et l'industrie. Pour l’eau potable où les exigences de qualité sontfortes, cette exploitation représente 50% des prélèvements annuels. Or ces nappeslittorales sont fortement vulnérables aux phénomènes d’intrusions salines. En 2005,27% de l'ensemble des forages exploités sur l’île présentaient des teneurs en chloruresrévélant une contamination par des eaux marines à des degrés divers. La question de laréversibilité de ces phénomènes de salinisation et plus généralement de leurconnaissance et surveillance ainsi que de la définition de bonnes pratiques de gestiondes aquifères côtiers à La Réunion doit être posée avec d'autant plus d'acuité quel'exploitation a tendance à s'accroître.

Lors de ce travail de diplôme les problèmes d'intrusion d'eau saline dans le Sud-Ouestde l'île sont investigués. Les nappes stratégiques du Gol, des Cocos et de Pierrefondssont étudiées en réalisant un test méthodologique de modélisation en densité variable,les modèles étant des outils puissants pour l'aide à la décision. Les modélisations sonteffectuées sous SEAWAT-2000 qui couple MODFLOW-2000 et MT3DMS.

La comparaison des modèles d'écoulement réalisés montre une forte influence duparamètre densité de l’eau sur les écoulements. Ce constat amène à proposer la géné-ralisation de l’utilisation des modèles à densité variable pour simuler le comportementdes aquifères côtiers de La Réunion.

Cependant, l'effort de modélisation est considérable et la mise en oeuvre de ces outilsnécessite un nombre important de données relatives à la salinité et à la variationspatiale horizontale et verticale de ce paramètre. Le besoin de développer les réseauxde suivi selon des protocoles adaptés est montré.

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Préface et remerciementsCe présent rapport est le résultat d'une thèse de diplôme d'une durée de 4 mois qui aété réalisée en majeure partie à l'Office de l'Eau de La Réunion à Saint-Denis et finaliséeensuite à l'institut d'ingénierie en environnement de l'ETH Zurich.

Je tiens tout d'abord à remercier Monsieur François BOCQUEE, ancien directeur del'Office de l'Eau de m'avoir reçu en tant que stagiaire à l'Office de l'Eau.

Je remercie Monsieur Loïc GIORGI, le responsable technique et tout particulièrementMonsieur Jean-Luc FOLIO , le responsable réseau Eaux souterraines qui ont été dispo-nibles et m'ont aidé tout au long de mon stage. Monsieur Jean-Luc FOLIO m'a souventdonné des nouvelles idées, de plus, sa très bonne connaissance du milieu hydro-géologique de La Réunion ainsi que son très grand intérêt pour mon travail ontbeaucoup enrichi mes reflexions.

Un grand Merci également à toute l'équipe de l'Office de l'Eau pour leur accueilchaleureux. Particulièrement je voudrais remercier Madame Cécile DUTEN, responsableadministratif et financier qui s'est occupée de résoudre les problèmes administratifs demanière très efficace. Egalement je remercie vivement Monsieur Olivier CHANE-KANE,le responsable informatique pour son aide avec l’informatique.

Je remercie Prof. Dr. Wolfgang KINZELBACH de l'institut d'ingénierie en environnement(IFU) de l'ETH Zurich pour son soutien scientifique et sa disponibilité pour répondre àmes questions.

Zurich, octobre 2006Andreas Stoll

andreas.stoll@gmail.com

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Sommaire1. Introduction...................................................................................................................................................... 1

1.1. L’Office de l’Eau de La Réunion........................................................................................................31.1.1. Les Offices Locaux de l’Eau dans les DOM (Département d'Outre-Mer) ............31.1.2. L’Office de l’Eau de La Réunion ...............................................................................................3

1.2. L’île de la Réunion................................................................................................................................. 41.3. Enjeux......................................................................................................................................................... 61.4. Problématique ........................................................................................................................................71.5. Objectifs de cette thèse de diplôme ........................................................................................... 8

Contexte de l'étude ................................................................................................92. Extension de la zone d'étude..................................................................................................................113. Cadre géologique .........................................................................................................................................11

3.1. Les différentes formations rencontrées à l'Île de la Réunion .........................................113.2. Cadre géologique du secteur d'étude....................................................................................... 13

4. Cadre hydrogéologique ...........................................................................................................................144.1. Caractéristiques hydrogéologiques générales.....................................................................144.2. Caractéristiques hydrodynamiques des différentes formations géologiques.... 15

Données disponibles .............................................................................................175. Données piézométriques ....................................................................................................................... 196. Données topographiques, géologiques et géophysiques ..................................................... 227. Paramètres hydrodispersifs caractéristiques............................................................................... 228. Données sur l'alimentation des nappes......................................................................................... 22

8.1. Infiltration directe.............................................................................................................................. 228.2. Recharge amont................................................................................................................................. 238.3. Pertes de la Rivière Saint-Etienne.............................................................................................. 23

9. Données sur l'exploitation....................................................................................................................2410. Données de salinité ................................................................................................................................ 25

10.1. Inventaire des données disponibles sur la salinité.......................................................... 2510.2. Distribution dans l'espace...........................................................................................................2610.3. Evolution temporelle, influence de la marée.....................................................................26

Modélisations sans densité variable...................................................................3111. Modèle d'écoulement ............................................................................................................................. 33

11.1. Modèle conceptuel ........................................................................................................................... 3311.1.1. Extension du modèle ............................................................................................................... 3311.1.2. Géométrie du modèle.............................................................................................................3411.1.3. Alimentation du modèle .......................................................................................................3411.1.4. Exploitation de l'aquifère......................................................................................................36

11.2. Présentation des outils de modélisation ..............................................................................3611.3. Calage en régime permanent.....................................................................................................36

11.3.1. Résultats ........................................................................................................................................ 3711.4. Calage en régime transitoire ......................................................................................................38

11.4.1. Observations ...............................................................................................................................3811.4.2. Prélèvements..............................................................................................................................3911.4.3. Emmagasinement ...................................................................................................................3911.4.4. Paramètres calibrés ................................................................................................................3911.4.5. Résultats .......................................................................................................................................39

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Modélisations en densité variable...................................................................... 4112. Modèles à densité variable.................................................................................................................. 43

12.1. Outil de modélisation SEAWAT-2000.................................................................................... 4312.2. Approche en 2D-vertical ............................................................................................................... 45

12.2.1. Construction du modèle....................................................................................................... 4512.2.2. Résultats ...................................................................................................................................... 47

12.3 Modèle régional en quasi 3D.......................................................................................................5012.3.1. Construction du modèle.......................................................................................................5012.3.2. Résultats ....................................................................................................................................... 51

Discussions et conclusions...................................................................................5513. Discussions...................................................................................................................................................5714. Conclusions..................................................................................................................................................61

Bibliographie......................................................................................................... 63Annexe IAnnexe IIAnnexe III

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Liste des figures en annexe IFig. 1 Points de mesures des niveaux piézométriques, rive droite rivière Saint-

Etienne.Fig. 2 Points de mesures des niveaux piézométriques, rive gauche rivière Saint-

Etienne.Fig. 3 Les unités hydrologiques définies par ANTEA (2002) et les flux d'eau

souterraine calculés.Fig. 4 Evolutions piézométriques au PiB4.Fig. 5 Evolutions piézométriques au PiB3.Fig. 6 Evolutions piézométriques au PiB5.Fig. 7 Evolutions piézométriques au PiB1.Fig. 8 Evolutions piézométriques au piézomètre "Sondage carotté n°3".Fig. 9 Evolutions piézométriques au piézomètre "Puits de la forêt domaniale".Fig. 10 Evolutions piézométriques au piézomètre "P4 Marengo".Fig. 11 Evolutions piézométriques au PiB2, station de mesures en continu.Fig. 12 Evolutions piézométriques à la station "PiB7 Pierrefonds village".Fig. 13 Evolutions piézométriques à la station "Rive Gauche amont Rivière Saint-

Etienne".Fig. 14 Evolutions piézométriques à la station "La vallée amont Pierrefonds".Fig. 15 Evolutions piézométriques à la station "Pierrefonds II littoral".Fig. 17 Evolutions piézométriques à la station "P12 aérogare ch. des pêcheurs".Fig. 18 Evolutions piézométriques à la station "P16 Stade Casabona".Fig. 19 Evolutions piézométriques à la station "Ravine Blanche".Fig. 20 Evolutions piézométriques à la station "Caserne Pierrefonds".Fig. 21 Profils cote-conductivité en PiB4.Fig.22 Profils cote-conductivité en PiB5Fig. 23 Profils cote-conductivité en PiB3.Fig. 24 Profils cote-conductivité en P12 aérogare ch. des pêcheurs.Fig. 25 Profils cote-conductivité en P11 Syndicat aval Pierrefonds.Fig. 26 Profils cote-conductivité en P16 Stade Casabona.Fig. 27 Profils cote-conductivité en P3 Pont Neuf forêt domaniale.Fig. 28 Evolution de la salinité au forage Marengo.Fig. 29 Evolution de la salinité au forage Cocos CGE.Fig. 30 Evolution de la salinité au forage Cocos 3.Fig. 31 Evolution de la salinité au forage Aloes.Fig. 32 Evolution de la salinité au forage Roches Maigres.Fig. 33 Evolution de la salinité au forage Frédeline.Fig. 34 Evolution de la salinité au forage La Salette.Fig. 35 Evolution de la salinité au forage Ravine sèche.Fig. 36 Influence de la marée sur la conductivité en Pib4 n°3.Fig. 37 Influence de la marée sur la conductivité en P12.Fig. 38 Influence de la marée sur la conductivité en piézomètre Aérodrome.Fig. 39 Influence de la marée sur la conductivité en Rive gauche amont Rivière Saint-

Etienne.Fig. 40 Influence de la marée sur la conductivité en Dupuis II.

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Listes des figures et tableaux en annexe IIFig. 1 Localisation des limites du modèle d'écoulement.Fig. 2 Topographie du modèle.Fig. 3 Substratum de la couche supérieure.Fig. 4 Substratum de la couche inférieure.Fig. 5 Les zones de recharge directe sur le domaine modélisé.Fig. 6 Zones d'alimentation amont.Fig. 7 La rivière Saint-Etienne dans le modèle.Fig. 8 Localisation des prélèvements pris en compte dans le modèle.Fig. 9 La piézométrie calculée dans la couche 1 en m NGR (recharge forte). Fig. 10 La piézométrie calculée dans la couche 2 en m NGR (recharge forte).Fig. 11 Les écoulements calculés dans la couche 1 en m3/d (recharge forte).Fig. 12 Les écoulements calculés dans la couche 2 en m3/d (recharge forte).Fig. 13 La piézométrie calculée dans la couche 1 en m NGR (recharge faibleFig. 14 La piézométrie calculée dans la couche 2 en m NGR (recharge faible).Fig. 15 Les écoulements calculés dans la couche 1 en m3/d (recharge faible).Fig. 16 Les écoulements calculés dans la couche 2 en m3/d (recharge faible).Fig. 17 Les zones de perméabilité égale résultant du calage en régime permanent et

les noms des paramètres respectifs.Fig. 18 Localisation des points d'observation utilisés pour le calage de la couche 1 en

régime transitoire.Fig. 19 Localisation des points d'observation utilisés pour le calage de la couche 2 en

régime transitoire.Fig. 20 Les zones de recharge et le taux d'infiltration des pluies brutes en régime

transitoire.Fig. 21 Comparaison des chroniques piézométriques calculées et observées au PiB4.Fig. 22 Comparaison des chroniques piézométriques calculées et observées au PiB5.Fig. 23 Comparaison des chroniques piézométriques calculées et observées au PiB1.Fig. 24 Comparaison des chroniques piézométriques calculées et observées au PiB2.Fig. 25 Comparaison des chroniques piézométriques calculées et observées au P4

Marengo.Fig. 26 Comparaison des chroniques piézométriques calculées et observées au PiB3.Fig. 27 Comparaison des chroniques piézométriques calculées et observées au

Pierrefonds II littoral.Fig. 28 Comparaison des chroniques piézométriques calculées et observées au Rive

gauche amont riviére St-Etienne.Fig. 29 Comparaison des chroniques piézométriques calculées et observées au P12

aérogare ch. pêcheurs.Fig. 30 Comparaison des chroniques piézométriques calculées et observées au PiB7

Pierrefonds village.Fig. 31 Comparaison des chroniques piézométriques calculées et observées au La

Vallée amont Pierrefonds.Fig. 32 Comparaison des chroniques piézométriques calculées et observées au Ravine

Blanche.Fig. 33 Comparaison des chroniques piézométriques calculées et observées au P16

Stade Casabona.Fig. 34 Comparaison des chroniques piézométriques calculées et observées au P11

Syndicat aval Pierrefonds.Fig. 35 Comparaison des chroniques piézométriques calculées et observées au PiB3

n°4.

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Fig. 36 Comparaison des chroniques piézométriques calculées et observées au PiB4n°3.

Fig. 37 Comparaison des chroniques piézométriques calculées et observées au S1Puits Roches Maigres.

Fig. 38 Comparaison des chroniques piézométriques calculées et observées au PiB1n°3.

Fig. 39 Comparaison des chroniques piézométriques calculées et observées au PiB4.Fig. 40 Comparaison des chroniques piézométriques calculées et observées au PiB5.Fig. 41 Comparaison des chroniques piézométriques calculées et observées au PiB1.Fig. 42 Comparaison des chroniques piézométriques calculées et observées au PiB2.Fig. 43 Comparaison des chroniques piézométriques calculées et observées au P4

Marengo.Fig. 44 Comparaison des chroniques piézométriques calculées et observées au PiB3.Fig. 45 Comparaison des chroniques piézométriques calculées et observées au

Pierrefonds II littoral.Fig. 46 Comparaison des chroniques piézométriques calculées et observées au Rive

gauche amont rivière St-Etienne.Fig. 47 Comparaison des chroniques piézométriques calculées et observées au P12

Aérogare ch. pêcheurs.Fig. 48 Comparaison des chroniques piézométriques calculées et observées au PiB7

Pierrefonds village.Fig. 49 Comparaison des chroniques piézométriques calculées et observées au La

vallée amont Pierrefonds.Fig. 50 Comparaison des chroniques piézométriques calculées et observées au Ravine

Blanche.Fig. 51 Comparaison des chroniques piézométriques calculées et observées au P16

Stade Casabona.Fig. 52 Comparaison des chroniques piézométriques calculées et observées au P11

Syndicat aval Pierrefonds.Fig. 53 Comparaison des chroniques piézométriques calculées et observées au PiB3

n°4.Fig. 54 Comparaison des chroniques piézométriques calculées et observées au PiB4

n°3.Fig. 55 Comparaison des chroniques piézométriques calculées et observées au S1

Puits Roches Maigres.Fig. 56 Comparaison des chroniques piézométriques calculées et observées au PiB1

n°3.Fig. 57 Zones d'anisotropie verticale résultant du calage en régime transitoire.

Tab. 1 Volumes d'alimentation amont en régime permanent par zone (figure 6 ci-dessus).

Tab. 2 Vue d'ensemble des données piézométriques utilisées pour le calage enrégime transitoire.

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Liste des figures et tableaux en annexe IIIFig. 1 Lignes d’écoulement à travers du PiB3 dans la couche supérieure du modèle

régional (sans densité variable).Fig. 2 Distribution des concentrations [gNaCl/l] dans la coupe pour la référence.Fig. 3 Distribution des concentrations [gNaCl/l] dans la coupe pour la dispersivité

longitudinale = 2500m.Fig. 4 Distribution des concentrations [gNaCl/l] dans la coupe pour la dispersivité

longitudinale = 25m.Fig. 5 Distribution des concentrations [gNaCl/l] dans la coupe pour la dispersivité

transversale verticale = 2.5m.Fig. 6 Distribution des concentrations [gNaCl/l] dans la coupe pour la dispersivité

transversale verticale = 0.025m.Fig. 7 Distribution des concentrations [gNaCl/l] dans la coupe pour le coefficient de

diffusion moléculaire = 1.296e-3m2/j.Fig. 8 Distribution des concentrations [gNaCl/l] dans la coupe pour le coefficient de

diffusion moléculaire = 1.296e-5m2/j.Fig. 9 Distribution des concentrations [gNaCl/l] dans la coupe pour la porosité = 0.4.Fig. 10 Distribution des concentrations [gNaCl/l] dans la coupe pour la Porosité =

0.004.Fig. 11 Distribution des concentrations [gNaCl/l] dans la coupe pour l'anisotropie

verticale = 10.Fig. 12 Distribution des concentrations [gNaCl/l] dans la coupe pour l'anisotropie

verticale = 100.Fig. 13 Distribution des concentrations [gNaCl/l] dans la coupe pour la référence étant

standard finite-difference method (upstream weighting).Fig. 14 Distribution des concentrations [gNaCl/l] dans la coupe pour la méthode

standard finite-difference method (central-in-space weighting).Fig. 15 Distribution des concentrations [gNaCl/l] dans la coupe pour la méthode MOC.Fig. 16 Distribution des concentrations [gNaCl/l] dans la coupe pour la méthode

MMOC.Fig. 17 Distribution des concentrations [gNaCl/l] dans la coupe pour la méthode

HMOC.Fig. 18 Distribution des concentrations [gNaCl/l] dans la coupe pour la méthode third-

order TVD scheme (ULTIMATE).Fig. 19 Oscillations numériques.Fig. 20 Résultats pour la couche 2 du modèle régional à densité variable.Fig. 21 Résultats pour la couche 3 du modèle régional à densité variable.Fig. 22 Résultats pour la couche 4 du modèle régional à densité variable.Fig. 23 Résultats pour la couche 5 du modèle régional à densité variable.Fig. 24 Résultats pour la couche 6 du modèle régional à densité variable.Fig. 25 Résultats pour la couche 7 du modèle régional à densité variable.

Tab. 1 Résultats de l'analyse de sensibilité des paramètres de transport.Tab. 2 Résultats des différentes méthodes de calcul de l'advection.Tab. 3 Répartition de l'alimentation amont pour le modèle régional en densité

variable par couche et zone.

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1. IntroductionA travers le monde les aquifères en dessous des îles océaniques et ceux proches de la mersont sujets aux problèmes de pollution des puits par intrusion d'eau saline. A l'Île de laRéunion ce problème est en train d'apparaître. Cette thèse de diplôme a pour but d'étudierle risque d'intrusion d'eau de mer dans la partie Sud-Ouest de l'Île de la Réunion, plusparticulièrement dans les aquifères stratégiques du Gol, des Cocos et de Pierrefonds parmodélisation. Ces aquifères sont exploités pour les usages d'alimentation en eau potable(AEP) et pour l'irrigation des nombreux champs de canne à sucre dans la zone.

Face à une demande croissante, dans un contexte de développement démographique etéconomique rapide, il est nécessaire de mettre en place une politique de gestion des eauxsouterraines qui protège la ressource en eau et surtout de prévenir les possibles dangersde pollution et de tarissement.

Outre la compréhension qu'il peut apporter sur le milieu, le modèle est un outil deprévision et de gestion qui peut être intéressant pour évaluer l’adéquation besoins/re-ssources en eaux souterraines et les risques de contamination par intrusion saline dansces aquifères côtiers.

Ce travail a été réalisé dans le cadre d'une thèse de diplôme au sein de l'Office de l'Eau deLa Réunion avec le soutien scientifique de l'institut des sciences d'ingénierie en environne-ment de l'ETH Zurich.

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1.1. L’Office de l’Eau de La Réunion1.1.1. Les Offices Locaux de l’Eau dans les DOM (Département d'Outre-Mer)En métropole, dans le cadre de la loi sur l’eau de 1964, six agences de l’eau ont été créesdans les six grands bassins fluviaux. Ces agences ont pour mission de faciliter lesdiverses actions d'intérêt commun au bassin, en vue d'assurer l'équilibre des ressourceset des besoins en eau, d'atteindre les objectifs de qualité fixés par les règlements,d'améliorer et d'accroître la qualité des ressources ainsi que la lutte contre lesinondations.

Il a fallu attendre la loi sur l’eau en 1992 pour que soient institués des Comités deBassin dans les DOM et la loi d’orientation pour l’Outre-Mer en 2000 pour que leursoient associés les Offices Locaux de l’Eau (OLE), établissements publics locaux présidéspar le président du Conseil Général.

1.1.2. L’Office de l’Eau de La RéunionAnciennement structure associative créée en 1992, l’Observatoire Réunionnais de l’Eau(ORE) s’est transformé en Office Local de l’Eau en juillet 2003. En liaison avec le comitéde bassin, il est chargé de faciliter les diverses actions d’intérêt commun dans ledomaine de la gestion de l’eau et des milieux aquatiques.

Alors que les activités de l’ORE restaient limitées à la collecte et l’analyse des donnéeshydrologique et hydrogéologique, les prérogatives de l’Office ont été élargies. Lesmissions principales de l’Office sont donc aujourd’hui:• L’étude et le suivi des milieux aquatiques et littoraux et de leurs usages.• Le conseil et l’assistance technique aux maîtres d’ouvrage, la formation et l’in-

formation dans le domaine de la gestion de l’eau et des milieux aquatiques.• La programmation et le financement d’actions et de travaux à partir de redevances

de prélèvement d’eau, comme cela se fait dans les agences de l’eau.

D’un point de vue observatoire, les actions de l’Office de L’Eau sont:• La mesure sur le terrain de la ressource en eau (eau souterraine et eau de surface),

quantitativement et qualitativement.• L’étude de sa répartition et de son évolution.• La centralisation et la diffusion de l’information.

A l’heure actuelle, différents réseaux de mesures sont suivis par l’Office de l’Eau de LaRéunion:• Un réseau hydrométrique.• Un réseau piézométrique.• Un réseau qualité des eaux de surface.• Un réseau qualité des eaux souterraines.• Un réseau de production des eaux souterraines.• Un réseau salinité des eaux souterraines.

Le réseau piézométrique de L’Office de l’Eau se compose d’environ 130 points de suivis(piézomètres, puits, forages) répartis sur toute l’île et permettant le suivi quantitatif dela ressource souterraine. Parmi ces 130 points, une trentaine sont équipés de piézo-graphes, appareils qui enregistrent de manière continue l’évolution des niveaux d’eaudans les nappes.

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1.2. L’île de la RéunionL’île de la Réunion est située dans le Sud-Ouest del’Océan Indien à 800km de la côte Est de Mada-gascar (figure 1.1). Elle fait partie avec l’île Mauriceet Rodrigues du plateau sous marin des Masca-reignes. L’île de la Réunion est un départementfrançais depuis 1946 avec 760’000 habitants en2004. Le chef-lieu est Saint-Denis situé dans leNord de l'île.

C’est une île volcanique relativement jeune, de2512km2 de superficie et d'environ 207km de cir-conférence. Elle est formée de deux importantsmassifs volcaniques:

Le Piton des Neiges point culminant à 3071m NGR(le niveau NGR correspond à la hauteur moyennede la mer) au centre de l’île étant le plus ancien. Il apparaît avec l'émersion de l'île il y a2.1 millions d'années et son activité cesse il y a 20'000 ans. Il a subi une érosion intenseprovoquée par les pluies tropicales: le massif est aujourd’hui creusé par trois grandscirques d’effondrement notamment les cirques de Salazie au Nord-Est, de Mafate auNord-Ouest et de Cilaos au Sud (figure 1.2). D'immenses cônes de déjection se sontformés aux débouchés de ces cirques à sa périphérie (Rivière des Galets, Rivière du Mât,Rivière Saint Etienne).Les dernières phases d’activité du Piton des Neiges, qui remontent à quelques dizainesde milliers d’années, ont été explosives, marquées par des émissions de pyroclastites enquantité importante.

Fig. 1.1 Localisation de l'Île de la Réunion.

N

Piton des Neiges

Cilaos

Mafate Salazie

Piton de la Fournaise

Fig. 1.2 Relief de l'Île de la Réunion.

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Le Piton de la Fournaise (2631m NGR), situé au Sud-Est de l’île, moins érodé, émergé il ya environ 500'000 ans, est toujours en phase de croissance. Il s'agit d'un volcanbouclierbasaltique de type hawaïen. Les formations volcaniques correspondent pour l’essentielà des émissions de lave fluide (basaltes principalement) qui se sont étalées sur lesreliefs existants ou ont comblé des paléo-dépressions.(www.reunion.drire.gouv.fr; Join 1991)

En raison des hautes montagnes et du relief accidenté, trois grandes zones climatiquesse détachent. La côte Est, dite "au vent", est constamment ventilée par les alizés venantdu Sud-Est. Les nuages sont retenus par les hautes montagnes du cirque de Salazie etdu Piton de la Fournaise et déchargent une pluie abondante avant de s’en aller versl’Ouest. La côte Ouest de l’île, dite "sous le vent", n’est que très peu arrosée et estbeaucoup plus sèche et plus chaude. La dernière région est constituée par les hauts del’île (cirques, plaine des cafres, plaine des palmistes) où les pluies sont relativementimportantes et les températures beaucoup plus fraîches qu’ailleurs.

Le climat de La Réunion est tropical. Il est caractérisé par la douceur de ses tempéra-tures. La position géographique de l’île, ni trop près ni trop loin de l’équateur, et surtoutle rôle régulateur de l’océan et des alizés sont les principales causes de cette douceur.Deux grands cycles de variations sont observables: un cycle quotidien, caractérisé pardes variations diurnes des températures, et un cycle annuel caractérisé par deuxgrandes saisons:La saison fraîche, de mai à octobre. Les températures varient au niveau de la mer, de 17à 20°C pour les minima moyens et de 26 à 28°C pour les maxima moyens. A 1000m, lesminima moyens oscillent de 8 à 10°C et les maxima moyens de 17 à 21°C.La saison chaude de novembre à avril. Les minima moyens varient généralement entre21 et 24°C, et les maxima moyens entre 28 à 31°C, sur la côte. A 1000m, les minimamoyens fluctuent de 10 à 14°C, et les maxima moyens de 21 à 24°C.

Les amplitudes thermiques dans ces deux cycles sont faibles, dépassant rarement les10°C pour un lieu donné.

Fig. 1.3 Température maximal moyenne du mois de février.

Le phénomène important à La Réunion est la décroissance des températures avecl’altitude. En atmosphère libre, le gradient thermique vertical est d’environ –0,6°C pour100m. Le long des pentes de l’île, ce gradient est un peu plus marqué variant de –0,7 à–0,8°C pour 100m. Comme le relief est très accentué sur l’île, les isothermes suivent leplus souvent la carte hypsométrique (figure 1.3).

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Les précipitations sont à La Réunion le phénomène météorologique le plus remar-quable. L’île possède tous les records mondiaux de pluies pour les périodes comprisesentre 12 heures et quinze jours. Le fait essentiel est la grande variabilité spatio-tempo-relle de ces précipitations. Sur un mois plusieurs mètres d’eau peuvent tomber sur lacôte Est alors que pas une goutte ne tombera sur la côte Ouest (figure 1.4). Par ailleurs,pour un lieu donné, la pluie peut être absente pendant plusieurs mois et tomberensuite en abondance sur une courte période à la suite du passage d’une dépression oud’un cyclone.

Fig. 1.4 Répartition de la pluviométrie moyenne annuelle sur l'île.

Les informations précédentes sont issues du site internet de Meteo France(www.meteo.fr/temps/domtom/La_Reunion).

1.3. EnjeuxL'île de la Réunion se trouve dans un contexte de développement démographique etéconomique rapide avec une augmentation de la population supposée de 22% d'ici 2015par rapport à 1999. Surtout dans la partie Nord-Ouest à Sud-Ouest de l'île l'exploitationde l'eau souterraine à la fois pour les usages d'alimentation en eau potable (AEP) et del'irrigation est importante. Actuellement il y existe une forte sollicitation de cette res-source qui tend à s'accroître. Les volumes totaux prélevés (eau souterraine et eau desurface) pour l'AEP dans la commune de Saint-Louis ont augmenté de 14% et dans lacommune de Saint-Pierre même de 46% de 1993 à 2004. De plus s'ajoute à cela unconflit d'usage sur la zone, liée à une forte activité de production de canne à sucre. Lesvolumes d'eau utilisés pour l'irrigation dans cette zone étaient en 2004 plus que deuxfois plus grands que les volumes prélevés pour l'AEP. Par conséquent il est nécessaireque les pouvoirs publics définissent une répartition des eaux prélevées selon lesbesoins.Selon le Schéma Directeur d'Aménagement et de Gestion de l'Eau (SDAGE) du bassinRéunion qui défini la politique de l'eau à long terme, la zone d'étude est située sur deuxnappes stratégiques. Les nappes dites stratégiques étant:• soit des systèmes de grande capacité à vocation intercommunale, actuellement

exploités activement ou offrant des perspectives prometteuses pour le futur.• soit des systèmes de moindre capacité constituant un enjeu local particulièrement

important en matière de développement (population desservie) ou d’environne-ment (zones humides, risques d’intrusion saline ou écoulements associés).

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Parmi les 12 nappes reconnues comme stratégiques à La Réunion, figurent donc lesnappes de la plaine du Gol et les nappes de Cocos et Pierrefonds, situées dans le do-maine littoral de la zone d'étude. Les nappes du Gol et Cocos sont à présent fortementexploitées et celle de Pierrefonds étant jusque là non exploitée, mais la volontéd'exploitation exprimée est de plus en plus forte avec une mise en exploitation envi-sagée très proche. A la fin 2007 deux nouveaux forages sont prévus qui seront mis enexploitation pour l'AEP dans ce secteur.

Face à cette demande croissante de l'eau souterraine et de l'eau de surface égalementqui à son tour participe à la recharge de la ressource en eau souterraine par les pertesdes rivières par infiltration, la nécessité de mise en place d'une politique de gestion quiassure la pérennité et la bonne qualité de la ressource en eau souterraine est évidente.

1.4. ProblématiqueL'ensemble des prélèvements d'eau souterraine à La Réunion provient des nappes ex-ploitées sur le pourtour littoral à proximité de l'Océan Indien entre 0 et 200m d’alti-tude. Des nombreux forages sur l'île ont déjà rencontrés des problèmes de salinisation.En 2005, 27% de l'ensemble des 59 forages exploités à La Réunion ayant régulièrementdes teneurs de chlorures supérieures à 50mg/l présentent donc des teneurs révélantune contamination par des eaux marines plus ou moins importante. Ces forages nesont pas répartis sur l'île de manière homogène (figure 1.5). Les forages implantés sur lelittoral Nord-Ouest à Sud-Ouest sont les plus touchés par ces phénomènes de salini-sation. Sur la trentaine des points exploitant l'eau souterraine entre le Port et Saint-Pierre, une dizaine d'ouvrages présentent des valeurs de chlorures supérieures en mo-yenne à 100mg/l. Mais cette problématique émerge également dans les secteurs quiétaient jusqu'à présent considérés comme à l'abri de ces phénomènes avec l'exempledu F2 Gillot à Sainte-Marie où la salinisation a été détectée en janvier 2001. Ce forageprésente des teneurs en chlorures qui restent toujours importantes avec 317mg/l enmoyenne sur 2 analyses en janvier et mars 2005 (A noter que la limite de qualité deseaux brutes est fixée à 200mg/l). La persistance de cette forte salinité de l'eau estd'autant plus inquiétante pour le devenir de ce forage qu'elle s'est mise en place alorsque les prélèvements par pompage étaient pratiquement à l'arrêt depuis le mois demars 2004. Parmi les 14 forages exploités sur le secteur d'étude, seul le forage Marengoprésente des teneurs de chlorures supérieures à 50mg/l, sa teneur moyenne annuelleen 2005 étant entre 100 et 150mg/l.

La question de la réversibilité de ces phénomènes de salinisation et plus généralementde leurs connaissance/surveillance ainsi que de la définition de bonnes pratiques degestion des aquifères sensibles à ce phénomène doit être posée avec d'autant plusd'acuité que l'exploitation des nappes littorales de La Réunion a tendance à s'accroître.

Sur la zone d'étude il existe des modèles d'écoulement mais qui tiennent compte desproblèmes de salinisation de manière très succinct. Ils ont fait l'approche d'uneinterface franche entre l'eau douce et l'eau salée selon le principe de Ghyben-Herzberg.Ce principe devrait en fait seulement être appliqué sous les conditions suivantes,lorsque:• L'aquifère est homogène.• La dispersion hydrodynamique est négligeable.• Les flux verticaux dans l'aquifère sont négligeables.• L'eau salée est immobile.

8

Fig. 1.5 Teneur moyenne en chlorures sur les forages exploités en 2005 (Office de l'Eau 2005).

On constate qu'au moins dans une partie du secteur d'étude la zone de mélange entrel'eau douce et l'eau salée, qui est provoquée par la dispersion hydrodynamique, estmarquée. Egalement on peut constater à l'échelle de l'île pour les forages qui ont étésalés qu'il n'y a pas une interface franche qui est remontée dans le forage mais la zonede mélange qui a été attirée par les pompages. Afin de modéliser les effets de l'intru-sion d'eau salée dans les nappes stratégiques dans la zone, il faut donc tenir compte del'advection et de la dispersion dans un modèle à densité variable.

La question clé pour la gestion des eaux souterraines à La Réunion est alors: commentpeut-on prendre en compte cette problématique d'intrusion saline pour améliorer ladéfinition des volumes prélevables sur la zone et pour mettre en place une vraie poli-tique de gestion?

1.5. Objectifs de cette thèse de diplômeActuellement il n'existe aucun modèle qui tient compte des effets de densité sur lesécoulements de l'eau souterraine sur la zone d'étude. Le constat étant fait dans lesparagraphes précédents que le problème de salinisation des aquifères à La Réunion estimportant. Dans cette étude un test méthodologique de modélisation en densitévariable est réalisé en tenant compte de l'advection et de la dispersion hydrodyna-mique afin d'étudier les chances et les possibilités de ces méthodes pour l'Île de laRéunion.

Première partie

Contexte de l'étude

⋅ Extension de la zone d'étude

⋅ Cadre géologique

⋅ Cadre hydrogéologique

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2. Extension de la zone d'étudeLa zone d'étude se situe dans le Sud-Ouest de l'île au niveau du cône alluvial de laRivière Saint-Etienne (figure 2.1). Elle s’étend globalement de la commune de Saint-Louis à la commune de Saint-Pierre. Cette zone comprend la Plaine du Gol et la Plainedes Cocos en rive droite de la Rivière Saint-Etienne et Pierrefonds en rive gauche. Elleest importante du point de vue de la ressource en eau de l’île, puisque plusieurs nappesy ont été définies comme stratégiques par le SDAGE (Schéma Directeur d’Aména-gement et de Gestion des Eaux). Les nappes stratégiques dans ce secteur étant donc lanappe de la Plaine du Gol et les nappes de Cocos-Pierrefonds, situées dans le domainelittoral.

Fig. 2.1 Localisation du secteur étudié.

3. Cadre géologique

3.1. Les différentes formations rencontrées à l'Île de la RéunionL’île recèle presque exclusivement des matériaux d’origine volcanique (figure 3.1). Lesroches sédimentaires d'origine biochimique sont quasiment absentes sur l'île. Les raresformations calcaires sont d’origine biologique (calcaires récifaux).Les principauxmatériaux rencontrés sur l’île sont donc (www.reunion.drire.gouv.fr):• Les coulées de lave (produits volcaniques effusifs), principalement de nature basal-

tique, émises par les volcans du Piton des Neiges et de la Fournaise qui constituentle squelette de l'île. Ces formations sont généralement rocheuses, si l’on excepte lesniveaux scoriacés formant souvent les semelles et les toits des coulées. On peutdistinguer plusieurs types de basaltes, les basaltes vacuolaires (les vacuoles sontdes vésicules millimétriques à pluricentimétriques qui donnent un aspect poreux àla roche), les basaltes aphyriques, sans cristaux visibles à l’oeil nu, généralementtrès sains, connus localement sous le nom de "basaltes bleus" ou de "basaltescompacts", et enfin les basaltes et autres laves porphyriques, c’est-à-dire à phéno-cristaux (les phénocristaux sont soit de l’olivine de couleur vert bouteille "océa-nites", soit du feldspath de couleur blanche, soit du pyroxène de couleur noire"ankaramites").

• Les pyroclastites ou produits volcaniques explosifs (brèches, tufs, scories, ponces,cendres,..).

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Fig. 3.1 Carte géologique simplifiée de La Réunion (DIREN 2005).

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• Les formations détritiques anciennes à récentes que l'on rencontre dans les cirques,à leur débouché dans les plaines littorales, et sur le littoral. Elles se sont mises enplace au cours des phases de démantèlement des édifices volcaniques (brèches etéboulis, alluvions, colluvions, sables éoliens, argiles, ... ).

• Les intrusions magmatiques associées aux phases volcaniques, rencontrées àl’affleurement dans les trois cirques actuels, et représentées par des laves (dykes,sills) et des roches microgrenues (microsyénites par exemple) et grenues (gabbropar exemple).

3.2. Cadre géologique du secteur d'étudeLe secteur d’étude est implanté sur des formations volcaniques plus ou moinsanciennes du Piton des Neiges et du Piton de la Fournaise, avec une interface complexeentre les coulées d’origines différentes. Les formations volcaniques présentes sur lesecteur sont, des plus anciennes aux plus récentes (figure 3.1):• Le bouclier volcanique ancien (phase 1 du volcanisme de La Réunion), formé

d’océanites, disposés en brèches et coulées, qu’une intense hydrothermalisation arendu quasiment imperméable. Ce bouclier n’est visible à l’affleurement qu’au fonddu cirque de Cilaos, au nord de la zone d’étude.

• Les terrains volcaniques de phase 2. Ce sont des empilements monotones decoulées basaltiques (basaltes à olivine), sur plusieurs centaines de mètresd’épaisseur.

• Les terrains volcaniques récents (phases 3 et 4 du volcanisme de La Réunion) qui onten partie recouvert les coulées anciennes, et qui forment l’essentiel des planèzes.Ce sont essentiellement des coulées et des projections pyroclastiques de basaltesalcalins (basaltes à feldspaths). Sur le secteur d’étude, les coulées de phases 3 et 4du Piton des Neiges et du Piton de la Fournaise se rejoignent.

On peut noter que la période d’accalmie séparant les phases volcaniques 2 et 3 a étémarquée par une intense érosion des roches en place. Cette érosion se traduit parl’existence reconnue de paléo-vallées entaillant profondément les terrains de phase 2,et en partie comblées par les coulées de phases 3 et 4. Il a pu également se développerau sommet des coulées de phase 2 un paléosol épais, conservé probablement sur unebonne partie du secteur d’étude. En outre, il faut signaler que 5 forages ont recoupé enprofondeur un niveau épais d’alluvions entre les terrains de phase 2 et les terrains dephase 3, en rive gauche à l’aval de la rivière Saint-Étienne, preuve que le niveau marinrelatif a varié au cours de l’histoire volcanique de La Réunion.Sur la plaine côtière, les formations volcaniques ont été recouvertes en partie par desalluvions d’origine marine (sables) ou fluviale (apports de la rivière Saint-Etienne). Onpeut également noter que des niveaux de tufs et de cendres, ainsi que des couléesboueuses, sont imbriqués dans les coulées basaltiques, essentiellement vers le sommetdes terrains volcaniques récents.

La géophysique apporte une contribution essentielle à la localisation des axes despaléo-vallées creusées dans les terrains de phase 2. Elle permet ainsi d’identifier:• Une paléo-vallée dans la plaine du Gol, au droit et dans le prolongement de la

ravine Maniron. Cet axe est dénommé "paléo-vallée des Makes".• 2 axes de surcreusement important dans le secteur de Saint-Pierre, avec des diffé-

rences d’altitude de l’ordre de 400 m au maximum par rapport au substratumavoisinant.

Ces 2 axes de surcreusement du substratum des terrains volcaniques de phase 3peuvent favoriser les écoulements souterrains selon des directions bien définies.

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4. Cadre hydrogéologique

4.1. Caractéristiques hydrogéologiques généralesLe contexte géologique particulièrement tourmenté du secteur étudié se traduit par uncomportement hydrogéologique très complexe, en partie méconnu. La superpositionde matériaux volcaniques très différents (coulées de laves compactes ou fissurées,scories, projections de cendres, alluvions, etc.) et la très grande variabilité latérale decette superposition (extension limitée des formations et transitions brutales, présencede paléo-vallées, de tunnels de laves) compliquent considérablement la compréhensiondes circulations d’eau souterraine. Schématiquement, le fonctionnement hydrogéo-logique du système aquifère à La Réunion est le suivant (figure 4.1):

Fig. 4.1 Coupe schématique des systèmes hydrogéologiques de La Réunion (STIELTJES et al. 1988).

• En amont hydraulique, les roches volcaniques ne sont pas saturées sur la totalité deleur épaisseur. Des nappes libres perchées non soutenues se forment tempo-rairement ou durablement, au-dessus de niveaux moins perméables (paléosols,scories, tufs et cendres). L’alimentation de ces nappes se fait d’une part par uneinfiltration directe des précipitations à leur niveau et d’autre part par des flux enprovenance des bassins versants d’altitude, sur lesquels les apports pluviaux sontbeaucoup plus élevés.

• En se rapprochant du littoral, le milieu volcanique devient saturé, c’est le complexeaquifère de base. Il y a une accumulation d’eau douce s’écoulant depuis les aqui-fères perchés amont, reposant localement sur l’eau de mer infiltrée latéralement.La salinisation dépend en principe de la perméabilité des terrains, de leur alimen-tation et des prélèvements qui y sont effectués. Bien que très hétérogène, le comp-lexe aquifère de base peut être assimilé à un aquifère unique en général. Cepen-dant, la perméabilité de ce complexe aquifère est extrêmement variable, avec unealternance de chenaux canalisant l’écoulement de l’eau et de zones moins per-

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méables (basaltes non vacuolaires, coulées boueuses, niveaux de cendres ou detufs, etc.).

• Les alluvions déposées au-dessus des basaltes dans la plaine côtière sontégalement aquifères. La nappe qu’elles contiennent est plus ou moins en équilibreavec la nappe des basaltes, selon la différence de perméabilité entre les deuxformations.

4.2. Caractéristiques hydrodynamiques des différentes forma-tions géologiques

Les coulées de lavesLes caractéristiques hydrodynamiques des coulées de laves sont liées à la présence defractures et de discontinuités internes (exemple, vacuole de dégazage). Les processusde fracturation des basaltes résultent de l’apparition de fentes de rétraction au coursdu refroidissement de la lave. De plus, parallèlement au flux d’écoulement, des dia-clases horizontales peuvent apparaître. Les valeurs de perméabilité varient dans desordres de grandeurs de 10-1 à 10-5m/s.La perméabilité dans les formations récentes dépend uniquement de la nature et de lagéométrie des coulées. Pour les formations plus anciennes, la perméabilité diminueavec l’âge en raison de l’altération de surface (météoritique ou hydrothermale), ducolmatage par les sédiments et de la compaction lithostatique. D’une manièregénérale, la perméabilité est donc fonction de l’ancienneté relative des différentesphases (I à IV).Les intrusions de laves (injection de magma dans les zones de fractures) viennent per-turber les circulations d’eau souterraines: les dykes jouent en effet le rôle de mur im-perméable ou de drains selon le positionnement par rapport au sens d’écoulement.

Les niveaux scoriacésLes scories et niveaux scoriacés associés aux coulées de laves constituent les terrainsparmi les plus perméables au sein des formations volcaniques.

Les pyroclastitesLes caractéristiques hydrodynamiques des formations pyroclastiques sont liées d’unepart à la proportion de la fraction fine, d’autre part aux processus de transformationsdiagénétiques: lorsque ces pyroclastites sont recouvertes par des coulées de laves, desprocessus thermo-métamorphiques peuvent donner lieu à une imperméabilisationtotale. Les perméabilités observées sont en général assez faibles (MOULIN et FRISSANT2002, JOIN 1991).

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Deuxième partie

Données disponibles

⋅ Données piézométriques

⋅ Données topographiques, géologiques et géophysiques

⋅ Paramètres hydrodispersifs caractéristiques

⋅ Données sur l'alimentation des nappes

⋅ Données sur l'exploitation

⋅ Données de salinité

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5. Données piézométriquesDes mesures de niveau piézométrique sont disponibles dans la base de données del'Office de l'Eau depuis l'année 1985. Sur le secteur d’étude et dans les domaines voisins,des mesures piézométriques instantanées sont disponibles sur une cinquantaine deforages qui font l'objet de 5 à 12 relevés par an. 6 forages ont été suivis en continu surdes périodes différentes de 1 à 15 ans avec des mesures journalières (figures 1 et 2 enannexe I). Ce réseau piézométrique permet de préciser la localisation et l’agencementdes structures aquifères et de réaliser une carte piézométrique de basses eaux desterrains volcaniques (figure 5.1).

Fig. 5.1 Carte piézométrique à l'étiage (ANTEA 2002).

Cette carte piézométrique montre que les circulations souterraines se font de manièregénérale depuis les zones d’altitude vers le littoral. Les pertes des rivières du Bras deCilaos et du Bras de la Plaine en amont participent également à l’alimentation de lanappe alluviale. Les variations latérales de perméabilités des terrains volcaniques, ainsique les sur-épaisseurs des coulées au droit des paléo-vallées compliquent ce schéma,en créant notamment à l’Est de la zone d'étude des alternances d’axes de piézométriehaute et de thalwegs piézométriques. Par ailleurs, la présence de paléosols entre lescoulées, notamment entre les phases volcaniques 2 et 3, peut induire localement unedéconnexion entre les aquifères, et des différences de charges piézométriques entrenappes sur une même verticale observées dans les piézomètres multiples. En rive droitede la rivière Saint-Etienne plusieurs de ces piézomètres multiples ont été implantés,notamment aux stations PiB1, PiB3, PiB4 et PiB5. Avec 3 à 4 piézomètres par stationatteignant différentes profondeurs, plusieurs nappes superposées ont été reconnues.Les évolutions piézométrique à cettes stations sont présentées dans les figures 4 à 7 enannexe I.

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Par ailleurs, les suivis piézométriques réalisés sur le secteur d’étude apportent lesrenseignements suivants:• Dans le secteur du Gol (Sud-Ouest de la zone d’étude), plusieurs piézomètres per-

mettent de suivre les fluctuations de la nappe (figures 4 à 6 et 8 à 10 en annexe I).Plusieurs niveaux aquifères sont recoupés en forage (alluvions, basaltes sous-ja-cents découpés en plusieurs unités par des paléosols). Les mesures réalisées mon-trent que les nappes contenues dans les terrains volcaniques de phases 2, 3 et 4fluctuent peu au cours d’une année, de l’ordre de 20 cm (PIB4) à 60cm (PIB5), le ma-ximum piézométrique se situant aux mois de mars à mai. Les différentes nappesdes basaltes, séparées par endroit par des paléosols, sont la plupart du temps enquasi-équilibre de charges et présentent des fluctuations très similaires. En PIB3, lesnappes des basaltes de phase II et de phases III-IV présentent des différences decharge de 50cm, plus fortes que les autres piézomètres. En revanche, la nappe con-tenue dans les alluvions présente localement des fluctuations d’amplitude plus im-portante que les basaltes, sans doute à cause d’une perméabilité moindre (com-portement visible en PIB3).

• Dans le secteur des Cocos (zone centrale du modèle), les piézomètre PiB1 et PiB2sont suivis (Cf. figures 7 et 11 en annexe I). Sur ce secteur, les fluctuations du niveaupiézométrique sont le plus fortes. Le PiB2 qui est suivi en continu présente des diffé-rences d'environ 4m entre l'étiage et le maximum. Au piézomètre multiple PiB1 ilapparaît que l’intercalation très complexe de coulées basaltiques provenant duPiton des Neiges et du Piton de la Fournaise favorise "au droit" de l’ouvrage l’exis-tence de plusieurs nappes, séparées par des paléosols. Ces différentes nappes ontdes charges et des comportements piézométriques différents, avec des fluctuationsplus importantes dans les nappes superficielles que dans les nappes profondes.Plus en amont dans la plaine des Cocos, les aquifères des basaltes sont en équilibrede charge, les niveaux semi-perméables étant probablement réduits.

• Dans le secteur de Pierrefonds (Sud-Est), les nombreux piézomètres suivis montrentque les niveaux aquifères basaltiques présentent un comportement similaire àcelui des autres zones, avec des amplitudes la plupart du temps inférieures à 50cmet un maximum piézométrique de mars à mai (Cf. figures 12 à 20 en annexe I). Lachronique du piézomètre Caserne se caractérise en revanche par des fluctuationsplurimétriques, avec un pic en octobre, en 1993 comme en 1998. La nappe captéeest celle des alluvions. Il semble donc que la perméabilité plus faible de cettecouche induise une déconnexion hydraulique de la nappe des basaltes et de lanappe alluviale.

SynthèseEn résumé d'après l'analyse détaillée des informations piézométriques, deux types decomportements différents sont observés dans les aquifères étudiés. Le premier type decomportement est caractéristique d’une alimentation des basaltes par infiltration enpied de planèze, et il s’observe sur la quasi-totalité des piézomètres. Il se marque par:• Une faible amplitude de l’ordre de quelques dizaines de centimètres, avec des réa-

ctions rapides aux évènements pluvieux (figure 5.2), se traduisant par une courbede variations piézométriques en dents de scie sur les enregistrements en continu.

• Un maximum piézométrique aux environs de mars-avril, avec un dôme de quelquesdécimètres pendant environ 1,5 à 2 mois.

• Une baisse très faible et très lente des niveaux après ce pic de recharge. Cette gran-de stabilité des niveaux piézométriques, sans baisse nettement marquée à l’étiage,traduit très probablement un tamponnement des flux à l’amont, avec une pour-

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suite de l’alimentation du complexe aquifère de base y compris après la période derecharge pluviale.

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Jan 1992 Jan 1993 Jan 1994 Jan 1995 Jan 1996 Jan 1997 Jan 1998 Jan 1999

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Piezo P4 MarengoSondage Carrotté n°3Piezo n°1 PIB5PIB1 n°2Rive Gauche Amontsignal pluie

Fig. 5.2 Comparaison pluie/recharge des nappes. En noir, le signal de la pluie. En bleu, les nappesalimentées par la planèze. En rouge, les nappes alimentées par les rivières en amont du secteur d'étude.

Le second type de comportement piézométrique a été observé dans quelques ouvrages.Il se marque par des variations métriques régulières, et une recharge retardée lors desévènements pluvieux par rapport à des alimentations de planèze. La piézométriemaximale est atteint en mai/juin. Ce comportement serait lié à des pertes du bras de laPlaine, du bras de Cilaos, et de la rivière Saint-Étienne en aval (figure 5.2). Il s’observedans les ouvrages implantés à proximité de la rivière Saint-Etienne, notamment:• PiB1 n°1 et n°2• PiB2• Forage Rive Gauche Amont (dans une moindre mesure, variations de l’ordre du

mètre)

Certains piézomètres de la plaine du Gol et Etang Salé ont également des variationsplurimétriques, comme:• Sondage Carotté n°3, car certainement alimenté par les apports de la ravine

Maniron• Piézomètre P4 Marengo (nappe supérficielle)• Puits de la forêt domaniale (situé dans les sables d’Etang-Salé)

Enfin, il y a le cas spécifique du piezomètre n°1 Caserne Pierrefonds situé en rivegauche, qui présente également de très grandes variations (notamment en com-paraison des variations sur les autres piézomètres situés en rive gauche). Il est fort pro-bable qu’il soit situé dans la nappe alluviale superficielle contrairement aux autrespiézomètres en rive gauche implantés plutôt dans les basaltes.

Finalement, les observations au niveau des piézomètres multiples montrent qu’il existetrès certainement une similitude des comportements hydrodynamiques entre lesnappes situées dans les formations volcaniques de phase IV et celles situées dans lesformations volcaniques de phase III. Les nappes situées dans les formations vol-

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caniques de phase II sont par contre sur une bonne partie du secteur d'étude dé-connectées des aquifères sus-jacents.

6. Données topographiques, géologiques et géophysiquesL'Office de l'Eau dispose de données de topographie sur toute l'île. Ces données sontdisponibles dans un modèle numérique de terrain (MNT) avec une résolution de 25m.L'ensemble des données géologiques et géophysiques disponibles dans la zone ont étérassemblées antérieurement par le bureau d'étude ANTEA (2002). Les informationsgéologiques recensées sur le domaine d'étude sont: la carte géologique de La Réunion(Billard et Vincent 1974) et les forages de reconnaissances. De nombreuses donnéesgéophysiques sont disponibles sur la zone d'étude, depuis le début des années 60. En1990, diverses méthodes de prospection géophysique ont été testées sur la Plaine duGol. Cette campagne a surtout servi à valider des différentes méthodes en un lieu déjàconnu. Les différentes campagnes géophysiques ont permis de définir un certainnombre de structures qui peuvent conditionner les écoulements souterrains. Une topo-graphie du toit du substratum conducteur est disponible sur les différentes zones.

7. Paramètres hydrodispersifs caractéristiquesSur le secteur étudié des essais de pompages ont été réalisés sur 26 forages. Ces pom-pages d’essai pratiqués confirment la très grande variabilité des paramètres hydro-dispersifs caractéristiques de l’aquifère basaltique. Les transmissivités mesurées lorsdes essais s’étagent ainsi entre 2⋅10-3m2/s et plus de 1.5m2/s, soit une perméabilité com-prise entre 2.6⋅10-5m/s et 1.7⋅10-2m/s. Aucune zonation des perméabilités n’apparaîtnettement, des axes à forte perméabilité (chenaux basaltiques) semblant alternerétroitement avec des axes à perméabilité moindre (basaltes plus massifs, tufs, etc.).Faute de connaissances plus précises sur leur localisation, le modèle ne peut pasreproduire cette grande variabilité des perméabilités des formations volcaniques. Parconséquent, l’hypothèse d’un milieu poreux, à perméabilité homogène par zones estfaite.

8. Données sur l'alimentation des nappesL’alimentation des nappes se fait par infiltration directe de la pluie sur le domainelittoral (percolation), par déversement des aquifères d’altitude et par drainance de lanappe d’accompagnement de la rivière Saint-Etienne. Les nappes contenues dans lesalluvions sont principalement alimentées par l’infiltration directe dans les alluvions etpar la nappe d’accompagnement de la rivière Saint-Etienne. La continuité hydrauliqueentre les alluvions et les nappes d’altitude n’est pas certaine. Les aquifères contenusdans les basaltes sont alimentés surtout par les flux en provenance des bassins ver-sants en amont mais également par drainance des nappes alluviales.

8.1. Infiltration directeL'Office de l'Eau dispose également des données pluviométriques journalières de MétéoFrance. Sur la zone modélisée et dans le domaine voisin existent une vingtaine de sta

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tions pluviométriques de Météo France. Par contre l'évaluation de la part infiltrée despluies est problématique. Peu de données existent sur les taux d'évaporation, deruissellement et d'infiltration. Une analyse des études précédentes (JOIN 1991, ANTEA2002, Atlas Hydrogéologique de La Réunion 1986 cité dans OFFICE DE L'EAU 2004)montre que les valeurs proposées pour le taux d'infiltration varient entre environ 20 et40% des pluies brutes pour le littoral Sud-Ouest de l'île.

8.2. Recharge amontLe volume d'eau alimentant les nappes par déversement des aquifères d'altitude estcertainement un des paramètres les moins bien connus. Le bureau d'étude ANTEA(2002) a estimé le potentiel d'alimentation des nappes sur la zone d'étude par desbilans hydrologiques. Ces bilans ont été réalisés en deux étapes. Premièrement desmodélisations hydrologiques globales pluie-débit ont été conduites sur les bassinsversants disposant d’historiques de débits. Deuxièmement ces résultats ont étéextrapolés à l’ensemble du secteur d’étude. Ainsi ils ont proposé des flux alimentant lesnappes dans la partie littorale pour une année sèche et une année humide quienglobent également les pertes du Bras de Cilaos, du Bras de la Plaine et de la rivièreSaint-Etienne en amont. Dans la figure 3 en annexe I, les unités hydrologiques définiespar ANTEA (2002) et les flux calculés sont présentés.

8.3. Pertes de la Rivière Saint-EtienneLa rivière Saint-Etienne participe à la recharge des nappes, en témoigne les variationsplurimétriques aux piézomètres situés à proximité. Le débit de la rivière est irrégulieravec des crues brèves et intenses lors du passage des cyclones tropicaux. Les infil-trations sont calculées par l'Office de l'Eau, une fois par an en période d’étiage (octobre-novembre). Elles sont calculées sur une partie seulement de la rivière Saint-Etienne (duPont de l’Entre-Deux au Pont de la RN1). Seule une mesure en 2002 a été réalisé surl’ensemble de la rivière jusqu’à l’embouchure (tableau 8.1). Les valeurs d’infiltrationdisponibles sont donc des valeurs basses puisque calculées pour la période d’étiage.Aucune valeur sur les variations annuelles de l’infiltration n’est disponible.

Tab. 8.1 Pertes de la rivière Saint-Etienne sur le domaine modélisé.

Année Infiltration de la rivière du pont de l'Entre-Deux à la RN1 [l/s]

Infiltration de la rivière du pont de l'Entre-Deux à l'embouchure [l/s]

2003 160[1] 602[3]

2002 210[1] 790[1]

1999 230[1] 865[3]

1998 45[1] 169[3]

1996 120[2] 451[3]

1995 260[2] 978[3]

1993 210[2] 790[3]

[1] données OLE[2] données ANTEA (2002)[3] infiltration obtenue par extrapolation

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9. Données sur l'exploitationL’aquifère des basaltes est exploité essentiellement pour l’AEP de diverses communes,pour l’irrigation et pour l’industrie. Tandis que les prélèvements des forages exploitéspour l’AEP restent plus ou moins constants dans l’année, ceux pour l’irrigation etl’industrie sont très variable aussi bien d'un mois à l'autre que d'une année à l'autre enfonction des besoins. On ne dispose malheureusement que pour l’année 1999 desdonnées de l’exploitation en pas de temps mensuel. Il s'agit en partie des données ré-elles mais aussi estimées par ANTEA (2002), car les prélèvements pour l’irrigation etpour les usages industriels sont très mal connus. Le tableau suivant indique l'usage etles débits moyens d’exploitation actuels des forages exploités (tab. 9.1). N'y sont pascompris certains forage industriels de Saint-Pierre, dont les débits d'exploitation sontirréguliers, peu connus et ne dépassent pas 100m3/h au total (ANTEA 2002).

Tab. 9.1 Débits moyens d'exploitation des forages sur le domaine modélisé et les différents usages.

Code BSS Nom du Forage Usage Débit moyen [l/s]

1228-8X-0048 Cocos CGE AEP 441228-8X-0062 Cocos 1(= PiB6) Irrigation 301228-8X-0076 Cocos 2 Irrigation 211228-8X-0075 Palissade Irrigation 211228-8X-0017 Maison Rouge AEP 521228-8X-0040 Marengo Irrigation 231228-7X-0035 Usine du Gol Industrie 371228-7X-0061 Puits A Irrigation 621228-7X-0062 Puits B Irrigation 411228-7X-0064 Puits C Irrigation 411228-8X-0017 Roches Maigres AEP 531228-7X-0038 Bois de Nèfles Industrie 161228-7X-0034 Ecumes Irrigation 481228-8X-0088 Frédeline AEP 55

Total 544

25

10. Données de salinité

10.1. Inventaire des données disponibles sur la salinitéL'Office de l'Eau poursuit l'évolution de la salinité d'un côté dans les forages exploités.Ce suivi consiste à mesurer la conductivité de l'eau pompée et à analyser en laboratoireles teneurs en ions chlorures 2 à 4 fois par an. De l'autre côté des diagraphies deconductivité sont réalisé 4 à 5 fois par an dans des stations sélectionnées. Dans la zoned'étude et les domaines voisins il y existe actuellement 7 forages exploités qui fontl'objet des suivis de salinité et 8 piézomètres qui possèdent des mesures de diagraphiesde conductivité pour plusieurs années. La localisation des stations de mesures estprésentée dans la figure 10.1.

Fig. 10.1 Localisation des stations de suivi de salinité.

Les valeurs de conductivité les plus élevées sont mesurées au piézomètre "P3 Pont NeufForêt Domaniale" à l'Etang-Salé avec environ 25'000µS/cm (équivalent à environ10gCl/l) et au piézomètre "P11 Syndicat aval Pierrefonds" dans l'Est de la zone d'étudeavec environ 19'000µS/cm (8gCl/l). Par conséquent aucune station n'atteint les valeursde l'eau de l'Océan Indien qui possède une teneur moyenne de chlorures d'environ 21g/lce qui correspond à une conductivité de 48'000µS/cm. Les autres stations ayantrégulièrement des teneurs de chlorures supérieures à 50mg/l, qui présentent donc desteneurs révélant une contamination par des eaux marines sont les piézomètres PiB4,PiB5, et P16 Stade Casabona et le forage Marengo. Les figures des diagraphies deconductivité et des mesures de conductivité et de chlorures dans les forages exploitésdisponibles sont visibles sur les figures 21 à 35 en annexe I.

26

10.2. Distribution dans l'espaceIl y a en gros 2 zones d'intrusion d'eau saline (figure 10.2) ce qui est traduit par des con-ductivités très élevées, supérieures à 1000 µS/cm. L'une est situé dans l'Ouest de lazone d'étude et s'étale de l'Etang-Salé jusqu'à l'Etang du Gol. Elle atteint une péné-tration dans les terres de plus de 2.5km à une profondeur de -62m NGR. La deuxièmeest située plus à l'Est et s'étend de l'extrémité Est de l'aérogare de Pierrefonds jusqu'àSaint-Pierre. Elle atteint une pénétration d'environ 1 à 2km.

Fig. 10.2 Localisation des zones d'intrusion d'eau saline en rouge.

Au milieu des deux zones affectées d'une intrusion d'eau saline se trouve une zone quine montre pas de pollution par l'eau de mer. Ce fait est confirmé d'une part par lesmesures au "PiB3" et au "P12 Aérogare". Pour le "PiB3" à 600m de la côte et jusqu'à uneprofondeur de -77m NGR, aucune valeur de plus de 400µS/cm n'a été mesurée. A lastation "P12 Aérogare" à son tour les valeurs mesurées à 500m de la côte jusqu'à laprofondeur de -70m NGR ne dépassaient pas 300 à 600 µS/cm jusqu'en 2004. De plus,une étude de géophysique électrique a été conduite par le BRGM (1987) afin dereconnaître le biseau salé dans la zone ouest de Pierrefonds. Cette étude a montré quel'interface entre l'eau douce et l'eau salée dans la zone entre l'embouchure de la RivièreSaint-Etienne et le piézomètre "P12 Aérogare" est repoussée à une grande profondeursupérieure à -150m NGR à une distance de 250m de la côte et elle présente un gradientplus élevé au niveau de l'embouchure de la rivière que dans le domaine sud vers Saint-Pierre.

10.3. Evolution temporelle, influence de la maréeAu P11 Syndicat aval Pierrefonds l'Office de l'Eau a conduit des observations en continude la conductivité. Entre fin 2001 et 2005 le piézomètre était équipé d'une sondemesurant à la fois le niveau piézométrique et la conductivité à une profondeur fixe de

Zones d'intrusions salines

27

–16m NGR. Chaque heure une valeur était enregistrée. De cette façon un phénomènetrès intéressant a été mis en évidence: les conductivités changent considérablement enfonction de la marée. Ainsi représentées sur la figure 10.3, les conductivités peuventchanger de presque 8000µS/cm entre la marée basse et la marée haute.

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

0:00:00 6:00:00 12:00:00 18:00:00 0:00:00

Cond

uctiv

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au [µ

S/cm

]

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

Hau

teur

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au [m

NG

R]

P11 conductivité

Marée à Saint-Pierre

Fig. 10.3 Comparaison de la conductivité mesurée au P11 et la marée au port de Saint-Pierre (hauteur de lamer) pendant la journée du 16/11/2001.

Ainsi, ces observations m'ont poussé à réaliser une campagne de mesure afin de vérifiersi les données disponibles étaient fiables. Lors de cette campagne de mesure desdiagraphies de conductivité ont été réalisés à marée basse et à marée haute. Le but deces mesures était de déterminer une influence éventuelle sur toutes les stations dans lesecteur étudié possédant des données de conductivité. Le relevé de toutes les stationsn'était malheureusement pas possible pour différentes raisons logistiques. En effet, despiézomètres était bouchés, d'autres étant inaccessibles situés sur des propriétés privéesc'est notamment le cas du PiB5. Les piézomètres ayant fait l'objet de mesures sont pré-sentés dans le tableau 10.1 ci dessous. Afin de collecter des informations supplé-mentaires des mesures étaient faites sur quelques piézomètres ne possédant pas dedonnées de conductivité, notamment Dupuis II, piézomètre Aérodrome et Rive Gaucheamont rivière Saint-Etienne.

Tab. 10.1Piézomètres ayant fait l'objet des mesures de conductivité lors de la campagne de terrain.

Code OLE Piézomètres Cote de repère [m NGR]

38081 Dupuis II 61.8 -18.0 -126.038078 P11 Syndicat aval Pierrefonds 22.6 -2.0 -94.038067 Piézomètre Aérodrome 20.1 5.1 -59.938077 P12 Aérogare ch. Pêcheurs 31.3 1.0 -74.038073 Rive Gauche amont Rivière St-Etienne 60.0 0.0 -60.033066 P3 Pont neuf forêt domaniale 61.0 -4.0 -56.0

37056-3 PiB4 n°3 20.7 -59.0 -77.0

Profondeur des crépines [m NGR]

28

RésultatsUne influence a pu être observée sur deux piézomètres, notamment sur le "P11 Syndicataval Pierrefonds" et "P3 Pont neuf forêt domaniale" (figures 10.4 et 10.5).

-90

-80

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

1 10 100 1000 10000 100000

Conductivité [µS/cm]

Cote

alti

mét

rique

[m N

GR]

Marée basse

Marée haute

Fig. 10.4Comparaison des profils cote-conductivité à marée basse et à marée haute au P11 Syndicat avalPierrefonds.

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

1 10 100 1000 10000 100000

Conductivité [µS/cm]

Cote

alti

mét

rique

[m N

GR]

Marée basse

Marée haute

12056-C / Pl des Galets

Fig. 10.5 Comparaison des profils cote-conductivité à marée basse et à marée haute au P3 Pont neuf forêtdomaniale.

29

Particulièrement au P11 le résultat est remarquable. En effet, une remontée de 10m dela zone à une conductivité d'environ 4000µS/cm a été observée, à noter que ladifférence du niveau de la mer n'ayant changé que d'environ 40cm entre les deuxmesures et que le niveau piézométrique a augmenté seulement de 5cm. La différenceau P3 est beaucoup moins importante et se produit dans des zones plus profondes etplus contaminées. La distance de ce point du bord de la mer est trois fois supérieureque celle du P11, ce semble expliquer cette différence de résultat. Les autrespiézomètres étudiés n'ont pas montré d'influence de la marée (figures 36 à 39 enannexe I).

Discussion des résultatsL'augmentation de la conductivité entre 2 marées semble être liée à des fortes conta-minations ayant observé des influences seulement pour des conductivités supérieuresà 500µS/cm. Le deuxième facteur influençant le résultat est évidemment la distancedu piézomètre de la mer. Dans le cadre de cette étude ce phénomène n'est pas étudiéde manière plus profondément.

30

Troisième partie

Modélisations sans densité variable

⋅ Modèle conceptuel

⋅ Présentation des outils de modélisation

⋅ Calage en régime permanent

⋅ Calage en régime transitoire

33

11. Modèle d'écoulementDans un premier temps un modèle d'écoulement sans densité variable est construit afinde définir les ordres de grandeur des paramètres hydrodynamiques et les directions desflux. Ainsi ce modèle a pour vocation de reproduire les écoulements et donc les niveauxpiézométriques du système aquifère et leur évolution dans le temps, s’agissant d’unmodèle en régime transitoire. L'idée est de se baser sur des études précédentes (ANTEA2002) des données disponibles à l'Office de l'Eau, pour construire un modèle d'écoulementintégrant au mieux la connaissance actuelle du contexte hydrogéologique et d'ensuiteexplorer les effets de densité sur ce système d'eau souterraine.D'abord un modèle en régime permanent est construit afin de définir les conductivitéshydrauliques et ensuite un modèle en régime transitoire pour la période de 1993 à 1999est calibré afin de reproduire les chroniques piézométriques en pas de temps mensuel surdes stations de mesure sélectionnées.

11.1. Modèle conceptuel

Fig. 11.1 Conceptualisation du modèle d'écoulement.

11.1.1. Extension du modèleLe modèle hydrodynamique s’étend sur une surface plus réduite que le domained’alimentation hydrologique. Il comprend seulement les systèmes hydrogéologiques dela plaine du Gol, de la plaine des Cocos et de Pierrefond dans la partie littorale de lazone d'étude jusqu’à une altitude d'environ 200 à 250m NGR (figure 11.1). La superficieest de 72km2.Les limites horizontales choisies pour le modèle sont les suivantes (figure 1 en annexeII):• A l’Ouest, la ravine Grand Bras, limite hydrologique naturelle, limite à flux nul.• A l’Est, la remontée du toit conducteur intermédiaire déterminé par la géophysique

(BRGM 1989), limite hydrogéologique naturelle, limite à flux nul.• A l’amont, une limite arbitraire à environ 200 à 250m NGR, plus haut que les

derniers points d'observations, limite à flux imposé.• A l'aval, la côte piézométrique de 0m NGR, limite à charge constante.

La limite en bordure côtière n'est pas identique avec le bord de la mer mais elle est fixéeà la côte piézométrique de 0m NGR qui est définie en prolongeant le gradient des

Recharge directe

Flux Amont

Secteur modélisé

Couche 1

??

Océan IndienCouche 2

34

niveaux piézométriques dans la mer. Cette approche est choisie afin de respecter lesniveaux piézométriques de 3m NGR près de l'embouchure de la Rivière Saint-Etienne etl'existence connue de sources sous-marines dans les basaltes.

Les limites verticales du modèle sont les suivantes:• La surface topographique sur laquelle les infiltrations directes des pluies sont

appliquées.• Le contact entre les formation des phases III-IV et celle de phase II est supposé

quasi-imperméable dans un premier temps pour le modèle en régime permanent,par souci de simplification, n'ayant aucune donnée sur la drainance des nappes.

• Le fond du modèle, représentant le substratum des terrains de phase 2, est assimiléà une limite à flux nul, les terrains volcaniques de phase I étant supposés quasi-imperméables.

11.1.2. Géométrie du modèleLes piézomètres multiples ont montré une déconnection de la nappe siégeant dans lesbasaltes des phases III et IV et celle dans la phase II sur une bonne partie du secteurmodélisé en rive droite de la Rivière Saint-Etienne. Les différentes nappes montrent descomportements différentes. C'est la raison pour laquelle le modèle hydrodynamiquecontient deux couches. La nappe siégeant dans les alluvions n'est pas modéliséecomme couche indépendante. La couche supérieure englobe alors les nappes dans lesalluvions et les basaltes des phases III et IV et la couche inférieure celle siégeant dansles basaltes de la phase II.Les données topographiques sont tirées du MNT disponible à l'Office de l'Eau et ensuiteinterpolées sur le maillage du modèle. Faute de données disponibles sur la topographiedu fond de la mer, la topographie du modèle dans la mer est fixée à 0m NGR. Latopographie du substratum des phases III et IV est adoptée du modèle d' ANTEA (2002)qui se base sur les nombreuses campagnes géophysiques du BRGM, les forages dereconnaissances et la carte géologique de La Réunion (Billard et Vincent 1974). Faute dedonnées disponibles sur le substratum de la phase II on a choisi l'approche d'ajouterenviron 200m d'épaisseur en dessous des points les plus profonds du substratum de lacouche supérieure. La géométrie du modèle est présentée dans les figures 2 à 4 enannexe II.

La discrétisation horizontale est choisie de manière à pouvoir individualiser la rivière,les puits et les stations d'observation sans pour autant alourdir les calculs numériques.La taille des mailles est de 100m de coté et le nombre de mailles par couche est de 7240.L'approche d'un milieu poreux est réalisée, la nappe dans la couche supérieure étantlibre et celle de la couche inférieure étant captive.

11.1.3. Alimentation du modèleL'alimentation des nappes modélisées a été implantée dans le modèle en régimepermanent selon les valeurs bibliographiques disponibles précisées ci-dessous. Elle aensuite fait l'objet de la calibration en régime transitoire.

Pour l'infiltration directe des pluies sur le domaine modélisé a été choisi un coefficientd'infiltration de 25% des pluies brutes mesurées sur les stations de Météo France dansla zone. Les pluies ont été réparties dans l'espace selon l'emplacement des stationsmétéo avec la méthode des polygones de Thiessen. Ainsi ont été crée 4 zones de re-charge directe (Cf. figure 5 en annexe II).

35

Pour l’alimentation amont ont été utilisées des valeurs estimées d’après lespropositions du bureau d’étude ANTEA (2002). Ils avaient estimé des valeurs en apportssouterrains depuis les unités hydrologiques amont et des apports par infiltration enpied de planèze des ruissellements sur les unités hydrologiques amont. Pour le calageen régime permanent l’ensemble de ces apports a été reparti par zones sur les deuxcouches du modèle d'après la proposition d'ANTEA (2002), soit deux tiers dans lacouche supérieure et un tiers dans la couche inférieure. Prenant en compte l’incertitudedes flux alimentant les aquifères depuis l’amont, deux configurations de recharge ontété adoptées pour le modèle: une recharge forte et une recharge faible. Laconfiguration de la recharge forte est égale à celle estimée par ANTEA (2002) en annéehumide, par contre celle de la recharge faible constitue la moitié de la recharge forte.Les valeurs d’une année sèche d’ANTEA n’étaient pas utilisées premièrement parcequ’elles semblaient trop basses et deuxièmement parce que cela aurait introduit unchangement nécessaire des zones de perméabilité (Cf. figure 11.2). Les zones de re-charge amont et les volumes implantés dans le modèle en régime permanent sontprésentés dans la figure 6 et dans le tableau 1 en annexe II.

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

Pl. Gol Makes Pl. St-Louis Cilaos Pl. Tampon

Rech

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l/s]

0

5

10

15

20

25

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35

40

45

50

Pour

cent

age

de co

mpa

rais

on [%

]

Année sèche

Année humide

Pourcentage

Fig. 11.2 Volumes de recharge amont proposés par ANTEA (2002). Ce sont des volumes de recharge totaleamont pour une année sèche par rapport à une année humide. Les valeurs de pourcentage indiquent leurratio.

Possédant peu de données sur les pertes de la Rivière Saint-Etienne sur le domainemodélisé entre le Pont de l'Entre-Deux et l'embouchure une approche globale a étéchoisie. Des pertes de 700l/s en total (valeur moyenne) ont été reparties selon l'uniquemesure, soit un tiers dans la partie entre le pont de l'Entre-Deux et le pont de la RN1 etdeux tiers dans la partie aval du pont de la RN1 à l'embouchure (Cf. figure 7 en annexeII).

36

11.1.4. Exploitation de l'aquifèreLes prélèvements sont implantés dans le modèle selon les données disponibles. Sur ledomaine modélisé existent 14 forages exploités en total (figure 8 en annexe II) parmilesquels 5 étant exploités pour l'AEP et le reste pour l'irrigation et l'industrie. Le volumetotal exploité est de 544l/s. Environ 75% sont exploités de la couche supérieure dumodèle et environ 25% de la couche inférieure. Ils restent constants dans le temps pourle modèle transitoire faute de disponibilité de données. Les volumes exploités sontprésentés dans le tableau 9.1.

11.2. Présentation des outils de modélisationLa modélisation est effectuée avec le code de calcul numérique MODFLOW-2000 (U.S.Geological Survey) qui résout les équations d’écoulement souterrain pour un milieu po-reux en trois dimensions (conservation de la masse, loi de Darcy) par la méthode desdifférences finies (Harbaugh et al. 2000).

L'interface graphique utilisée est GMS qui est un outil quasi universel de modélisationhydrogéologique. Ce préprocesseur a été initialement mis au point par l’universitéaméricaine de Brigham Young à la demande du Centre de Développement et deRecherche du Corps des Ingénieurs de l’Armée des Etats-Unis. GMS est maintenantdevenu un outil de référence utilisé par les administrations américaines (the Depart-ment of Defense, the Department of Energy, the Environmental Protection Agency, theFederal Highway Administration) et par de nombreuses entreprises et universités àtravers le monde. L’interface de GMS est très efficace et permet de gérer la conceptua-lisation du modèle et l’entrée des données de manière simple et rapide.

Sous MODFLOW-2000, le travail de modélisation est effectué en "Layer-Property Flow(LPF) Package" (Harbaugh et al. 2000). Au cours de ce travail une partie de la calibrationdes modèles est faite en inverse et une autre en directe. Pour la modélisation inverse enrégime permanent, la conductivité hydraulique est estimée de manière automatique àl’aide du modèle inverse PEST sous GMS à partir des niveaux piézométriques observés.La modélisation directe par contre comprend une calibration manuelle des paramètres.Cette méthode est utilisée pour la calibration de l'alimentation en régime transitoire.

11.3. Calage en régime permanentLe but de cette étape préalable de modélisation est de simuler les charges piézométri-ques des différentes nappes prises en compte dans le modèle, en régime hydrauliquepermanent, pour la période d'étiage de l'année moyenne 1995. Le calage est fait pourles deux configurations de recharge amont en tenant compte de la forte incertitude dece paramètre. Une zonation et des valeurs de conductivité hydraulique pour chaqueconfiguration de recharge amont permettant d'honorer les mesures piézométriques àla fin d'un cycle hydrologique étant l'étiage sont définies. Sur l'ensemble du secteurmodélisé sont alors prises en compte 23 mesures piézométriques pour la couche supé-rieure et 4 pour la couche inférieure. Egalement, l'adéquation des configurations derecharge amont est vérifiée en comparant les conductivités calculées à celles issues desessais de pompage.

37

11.3.1. RésultatsPour les deux configurations de recharge amont, la comparaison des niveaux piézo-métriques calculés et mesurés est présentée dans la figure 11.3. L'écart-type (MSE) surles 23 stations de mesures de la couche supérieure est pour la configuration de re-charge forte de 0.098m2 et de 0.153m2 pour la configuration de recharge faible. Lacouche inférieure présente globalement un résultat moins bon avec des écart-types de0.370m2 et 0.413m2. Les nieveau piézométriques et les écoulements calculés sontprésentés dans les figures 9 à 16 en annexe II. Les résidus restent pour la plupart despoints d'observations inférieures à 40cm.

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Niveau piézométrique mesuré [m NGR]

Niv

eau

piéz

omét

rique

calc

ulé

[m N

GR]

Couche supérieure

Couche inférieure

Couche supérieure:Nombre de mesures = 23MSE = 0.098m2

Couche inférieure:Nombre de mesure = 4MSE = 0.370m2

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Niveau piézométrique mesuré [m NGR]

Niv

eau

piéz

omét

rique

calc

ulé

[m N

GR]

Couche supérieure

Couche inférieure

Couche supérieure:Nombre de mesures = 23MSE = 0.153m2

Couche inférieure:Nombre de mesure = 4MSE = 0.413m2

Fig. 11.3 Résultat du calage pour la recharge forte à gauche et pour la recharge faible à droite.

Les zones de conductivité égales résultant du calage sont présentées dans la figure 17en annexe II. Elles ont été crées à partir des données géologiques et piézométriquesdisponibles et ont été modifiées lors du calage afin d'obtenir un rendu amélioré. Letableau 11.1 permet de comparer les valeurs de conductivité calculées par les modèles etmesurées lors des essais de pompage pour les zones ayant suffisamment de mesurespour une comparaison. Afin de pouvoir comparer les valeurs mesurées aux valeurscalculées, il était nécessaire de faire une conversion des transmissivités mesurées enconductivités car c’est le paramètre qu'utilise le modèle. Le calcul était fait de manièregénérale en divisant les transmissivités mesurées par l’épaisseur modélisée de l’aqui-fère concerné.

Tab. 11.1 Comparaison des perméabilités (k) mesurées et calculées.

Recharge forte Recharge faible

hk_100 11 0.00082 0.00072 0.00042hk_200 10 0.00225 0.04327 0.03253

K modèle [m/s] Zone Nombre de

mesures

K mesuré [m/s] (moyenne

géométrique)

Les limites de confiance (95%) des paramètres optimisés par le modèle inverse PESTsont présentées dans la figure 11.4. Les incertitudes restant acceptables, la modélisationen inverse a donc permis de définir des valeurs plus ou moins univoques pour les para-mètres choisis.

38

1.00E-06

1.00E-05

1.00E-04

1.00E-03

1.00E-02

1.00E-01

1.00E+00

hk_100 hk_200 hk_500 hk_600 hk_700 couche 2

Paramètre

Perm

éabi

lité

[m/s

]

Recharge faible

Recharge forte

Fig. 11.4 Perméabilités calculé lors du calage en régime permanent par zone. Les barres d'erreur indiquentles limites des confiance (95%) calculées par PESTa).

11.4. Calage en régime transitoireL’objectif de cette phase de l’étude est de reproduire au mieux les fluctuations piézo-métriques mesurées en forage, en faisant évoluer les conditions d’alimentation et deprélèvement selon une certaine périodicité, afin de simuler notamment l’influencepiézométrique d’épisodes pluviométriques et de cycles de pompage. Les calculs sontfaits en pas de temps mensuel. Les paramètres qui pourront être ajustés lors de cettephase de calage sont les flux imposés, l'anisotropie verticale (kh/kv) qui introduit de ladrainance entre les deux aquifères et l’emmagasinement des terrains aquifères, ladistribution des perméabilités semblant satisfaisante à l’issue du calage en régime per-manent.

11.4.1. ObservationsDes mesures utilisables pour la calibration du modèle en régime transitoire sont dis-ponibles sur 14 stations pour la couche 1 et sur 4 stations pour la couche 2. Le calage estfait sur les années 1993 à 1999. Ne disposant de mesures en continu que sur une sta-tion dans la couche 1, le modèle est calibré également sur des stations où les mesuressont faites de manière instantanée, ces stations possédant entre 6 et 12 mesures paran. Dans la couche 2 il existe 2 stations de mesures en continu. Le tableau 2 en annexe IIprésente les stations utilisées et les figures 18 et 19 dans l’annexe II montrent lalocalisation des stations.

a) Les limites de confiance sont calculées par PEST à la base de la même approche linéaire qui est utiliséepour la dérivation des équations d'optimisation des paramètres (DOHERTY 2000).

39

11.4.2. PrélèvementsNe disposant malheureusement pas de données mensuelles d’exploitation sur lesecteur modélisé, les mêmes valeurs moyennes constantes proposées par ANTEA(2002) et utilisées pour le régime permanent sont retenues pour le modèle en régimetransitoire (tableau 9.1).

11.4.3. EmmagasinementPour le coefficient d’emmagasinement, une valeur théorique pour des basaltes (ANTEA2002) est utilisée. La valeur utilisée pour la nappe captive (specific storage) en couche 2est de 0.00004 m-1 et pour la nappe libre en couche 1 de 20% (specific yield), la porositétotale des basaltes étant de l’ordre de 10 à 20%.

11.4.4. Paramètres calibrésLes paramètres calibrés sont la recharge directe sur le domaine modélisé etl'anisotropie verticale, celle-ci est calibrée afin d’introduire des fluctuations du niveaupiézométrique dans la couche 2.

RechargeL’approche choisie est de faire varier dans le temps les recharges directes introduitespar les pluies tombées sur le domaine modélisé et les infiltrations de la rivière Saint-Etienne et de les calibrer. La recharge amont étant fortement tamponnée, est supposéecomme constante. Des essais de variation des infiltrations de la rivière sur toute salongueur, ayant introduits un effet sur la piézométrie trop marqué surtout dans lapartie avale, ont été abandonnés. On a opté pour une approche plus locale, en créantune zone de recharge supplémentaire au niveau du PiB2 (Cf. figure 20 en annexe II). Lesinfiltrations supplémentaires sur cette zone ont été calibrées de manière suivante:possédant très peu de mesures d’infiltration de la rivière Saint-Etienne, une approchegrossière a été choisie en liant les infiltrations à la pluie mensuelle afin de garder lesallures générales des fluctuations. Puis ces apports ont été décalés de 2 mois poursimuler de manière simplificatrice les retards des pics de recharge observés.

11.4.5. RésultatsChroniques piézométriquesLes figures 21 à 56 en annexe II représentent les chroniques piézométriques simulées enchacune des couches du modèle, lors du calage en régime transitoire, comparées auxchroniques piézométriques mesurées. Les ajustements obtenus sont globalementsatisfaisants, car les amplitudes des fluctuations (pluri- et décimétriques) sont bienreprésentées dans la nappe basaltique sauf pour les stations "Pierrefonds II littoral","PiB7" et "P4 Marengo" où les amplitudes des fluctuations ne correspondent pas à cequi est observé. Cependant il y a des points où les fluctuations ne sont pas reproduitespar le modèle. C’est le cas pour les piézomètres "PiB3", "P12 Aérogare", "P11 Syndicat avalPierrefonds" et "P16 Stade Casabona". Les tendances qui montrent sur la plupart desstations un tarissement des nappes de 1997 à 2000 sont également bien représentéesen gros.

Anisotropie verticaleLe résultat du calage pour le paramètre de l'anisotropie verticale est présenté dans lafigure 57 en annexe II.

40

RechargeLa recharge directe sur le domaine modélisé a été adoptée en général du régime per-manent en mettant une infiltration de 25% des pluies brutes. Excepté pour la zone"Pierrefonds" le calage a montré le besoin d’augmenter le taux d’infiltration à 50%.Etant donné qu'une grande partie de la superficie sur ce secteur est couvert de champsde canne à sucre irrigués, cela paraît acceptable. Dans la figure 20 en annexe II sontprésentées les différentes zones de recharge directe et les taux d'infiltration. Pour le casde la recharge forte les apports supplémentaires sur la zone PiB2 sont de 280l/s en mo-yenne mensuelle. Ce volume ayant introduit une remontée non négligeable du niveaupiézométrique du côté des stations "PiB4" et "PiB5", il a dû être enlevé de la rechargeamont concernée. Pour le cas de la recharge faible les apports supplémentaires sont de140l/s en moyenne mensuelle. Pour arriver à honorer les chroniques piézométriquesobservées il était nécessaire de laisser les recharges amont tel quelles était définies enrégime permanent.

Bilan hydrologiqueAfin de comparer les flux entrant et sortant du modèle aux précipitations, une mo-yenne de ces dernières est calculée sur le domaine modélisé et sur les bassins versantsamont pour toutes les années où l'Office de l'Eau possède des données (1992 à 2004).En faisant une approche simplificatrice, les pluies tombées sur les bassins versantsamont sont calculées par unité hydrologique en prenant une moyenne des valeurs desstations météo localisées sur les unités respectives. A l’interface entre l’amont et le do-maine modélisé, les unités hydrologiques définies par ANTEA (2002) ont du être ajus-tées. Ainsi une valeur moyenne de précipitation sur l’ensemble des bassins versantsamont de 14'200l/s a été obtenue. Sur le domaine modélisé il y a 1400l/s de précipi-tation en moyenne. En comparant l’alimentation amont des bilans du modèle (tab. 11.2)avec les pluies brutes tombées sur les bassins versants amont on obtient une infiltra-tion globale de 34% pour une recharge forte et 18% pour une recharge faible. Lesprélèvements sur le secteur modélisé ne font que 9% de l’alimentation totale pour unerecharge forte et environ 15% pour une recharge faible.

Tab. 11.2 Bilan des flux entrant et sortant du modèle en régime transitoire en moyenne des années 1993 à1999.

Recharge forte [l/s]

Recharge faible [l/s]

Infiltrations directes 340 340Alimentation amont 4770 2520Pertes rivière St-Etienne 980 840Prélèvements 540 540Résurgences en mer 5540 3160

Quatrième partie

Modélisations en densité variable

⋅ Outil de modélisation

⋅ Approche en 2D-vertical

⋅ Modèle régional en quasi-3D

43

12. Modèles à densité variableLes aquifères présentés dans les parties précédentes font ici l'objet des modélisationstenant compte des effets de densité provoqués par l'eau de mer infiltrée latéralement. Ladensité de l'eau dépend de la pression, de la température du fluide et de la concentrationdes solutés dans l'eau (salinité). L'influence de la pression est négligeable pour la plupartdes systèmes hydrogéologiques. L'influence de la température également est de moindreimportance (OUDE ESSINK 2001). Les aquifères à La Réunion ont généralement des tempé-ratures comprises entre 20 et 25°C et les densités de l'eau douce pour ces deux cas varientrespectivement entre 998,2 et 997kg/m3. Cependant l'effet de la concentration des solutésest considérable. La salinité de l'Océan Indien est de l'ordre de 35gNaCl/l (ANTEA 2002) et ladensité de cette eau de mer à la température moyenne de l'eau en surface à La Réunionest de 1023,61kg/m3 (à 25°C).Les écoulements d'eau souterraine sont dépendants de la densité si elle est influencée parla concentration des solutés. C'est le cas pour les chlorures étant donné la prédominancede l'ion négatif dans l'eau souterraine des aquifère côtiers. En outre, si l'eau salée, l'eaudouce et l'eau saumâtre sont présentes, le transport des solutés et les variations de densitédoivent être considérées (OUDE ESSINK 2001).Dans un premier temps un modèle en 2D-vertical est construit afin de s'initier au logicielet d'explorer la sensibilité des paramètres. Ensuite un modèle comprenant l'ensemble dumodèle d'écoulement régional en 2.5 dimensions et construit.

12.1. Outil de modélisation SEAWAT-2000SEAWAT-2000 est la dernière édition du code de calcul SEAWAT développé au USGS(United States Geological Survey) étant un logiciel pour la modélisation des écoule-ments souterrains en milieux poreux avec pris en compte de la densité. Ce logiciel per-met de réaliser des simulations non-stationnaires en trois dimensions. SEAWAT-2000 aété construit en combinant une version modifiée de MODFLOW-2000 et MT3DMS enun seul logiciel. SEAWAT-2000 comporte l'ensemble des procès qui sont distribués avecMODFLOW-2000 et également le procès "Variable-Density Flow" (VDF) et le transportprocès intégré de MT3DMS (IMT).SEAWAT-2000 résout les équations couplées d'écoulement et de transport. Le couplagepeut être fait en mode "explicite" ou en "implicite". En mode "explicite", d'abord l'équa-tion d'écoulement est résolue utilisant les densités calculées dans le "transport step"(pas de temps pour le transport) précédent et ensuite le champ de vélocités advectivesrésultant est utilisé pour résoudre l'équation de transport. Cette approche est adéquatepour la plupart des simulations en densité variable. Pour des simulations ayant desconcentrations qui changent rapidement, le couplage "implicite" peut livrer desmeilleurs résultats. En mode "implicite", les équations d'écoulement et de transportsont résolues plusieurs fois pour chaque transport timestep jusqu'à ce que lesdifférences consécutives des densités calculées soient plus petites qu'une valeur spéci-fiée par l'utilisateur.Les équations d'écoulement et de transport sont résolues pour chaque "transport step".Cette approche est utilisée car il est nécessaire d'avoir des solutions pour les deux,écoulement et transport pour chaque "transport step" car les changes de concentra-tions de soluté peuvent influencer l'écoulement.Le procès "Variable-Density Flow" dans SEAWAT-2000 utilise la charge hydrauliqueéquivalente d’eau douce ("equivalent freshwater head") comme variable dépendantplutôt que la pression. Cependant les entrées et sorties du modèle sont exprimées en

44

termes de niveau piézométrique de l'eau native de l'aquifère. SEAWAT-2000 fait laconversion entre les deux lui même en utilisant les équations suivantes (équations 12.1et 12.2):

Zhhf

f

ff ρ

ρρ

ρρ −

−= Equ. 12.1

Zhh ff

f

ρ

ρρ

ρ

ρ −+= Equ. 12.2

• h = charge hydraulique actuel dans l'aquifère [L]• hf = charge hydraulique équivalente d’eau douce [L]• ρ = densité de l'eau native de l'aquifère [ML-3]• ρf = densité de l'eau douce [ML-3]• Z = elevation au point de mesure [L]

Fichiers "input" pour SEAWATSEAWAT fonctionne de manière suivante: d'abord l'utilisateur doit créer certains fi-chiers "input". Le logiciel peut ensuite être lancé par un fichier "batch" (.bat) qui estplacé dans le même dossier que les fichiers "input". Dans le tableau 12.1 l'ensemble desfichiers input utilisés pour les simulations en densité variable et leur origine est visible.Généralement l'ensemble des fichier MODFLOW et MT3DMS peut être utilisé tels quels,seul le fichier "Linkage with MT3DMS" (.lmt) doit être modifié comme présenté dansl'annexe III. Ensuite il est nécessaire de créer certains fichiers pour SEAWAT (annexe III).

Tab. 12.1 Fichiers "input" pour SEAWAT-2000 utilisés pour les modélisations en densité variable.

Nom Procès/Package Origine

.ba6 Basic Flow Process MODFLOW-2000.dis Discretization MODFLOW-2000.lpf Layer-Property Flow MODFLOW-2000.chd Time-Variant Constant Head MODFLOW-2000.rch Recharge Package MODFLOW-2000.wel Well Package MODFLOW-2000.riv River Package MODFLOW-2000

.pcg Preconditioned Conjugate Gradient Solver MODFLOW-2000

.lmt Link with MT3DMS MODFLOW-2000

.btn Basic Transport Process MT3DMS

.adv Advection Package MT3DMS

.dsp Dispersion Package MT3DMS.ssm Source-Sink Mixing Package MT3DMS.gcg Generalized Conjugate Gradient Solver MT3DMS.vdf Variable-Density Flow Package SEAWAT-2000

.nam Name File SEAWAT-2000.bat Batch File SEAWAT-2000

45

12.2. Approche en 2D-verticalDans un premier temps un modèle en 2D-vertical est construit. La coupe est choisie demanière à respecter le sens de l’écoulement principal calculé dans le modèle d’écoule-ment (sans densité variable) en régime transitoire dans le premier "timestep" étantéquivalent à la fin du mois de janvier 1993. Malheureusement, dans la zone où onpossède les données les plus intéressantes, notamment au "P11 Syndicat Aval Pierre-fonds" (remontée importante de l’interface eau douce – eau salée avec la marée), il estimpossible de modéliser les écoulements avec une approche 2D-verticale. Du côté duGol, seulement dans la bordure littorale les écoulements sont réguliers et plutôt per-pendiculaires par rapport au bord de la mer. Mais quand on s’éloigne du bord on ob-serve pourtant des écoulements qui ne sont plus réguliers ce qui est le cas en parti-culier pour des coupes traversant les point de mesure "PiB5" et "PiB4". Seul pour le point"PiB3" ils restent acceptablement droits pour en faire une coupe en 2D-vertical. Leslignes d’écoulements pour la coupe à travers du "PiB3" sont présentées dans la figure 1en annexe III. La coupe est ensuite calibrée pour les deux configurations de rechargeamont au niveau piézométrique mesuré au "PiB3". Ensuite les réactions des concen-trations calculées sont explorées en faisant une analyse de sensibilité des paramètres.

12.2.1. Construction du modèleSeule la couche supérieure du système aquifère est modélisée, les écoulements n’ayantpas les mêmes directions dans la couche 1 et la couche 2 dans le modèle régionalpuisque la distribution des perméabilités étant différente. Comme la drainance entreles deux couches étant quasi-nulle dans le modèle d'écoulement, l'erreur sera négli-geable. Afin de représenter au mieux les écoulements une coupe droite est construite,la longueur étant égale à celle de la ligne d’écoulement qui traverse le "PiB3" étant de2161.5m. Par conséquent la simplification est faite que les écoulements se font demanière droite.La topographie de la coupe est adoptée du modèle d’écoulement. La discrétisationverticale est affinée de manière suivante. Les couches sont subdivisées en sous-couchesde delta z égale. La discrétisation horizontale est la suivante, delta x est égal à 49.1m etla largeur de la coupe est de 50m.Les conditions aux limites sont les suivantes (figure 12.1):

Fig. 12.1 Vue d'ensemble des conditions aux limites et de la géométrie pour la coupe du PiB3. Les valeursdes axes sont en mètres.

Charge constante avec uneconcentration de 35 gNaCl/l

Flux constant

Bord de la merTopographie

Substratum de la couche 1

46

Une condition à charge fixe constant dans la mer à 0m NGR avec une concentration deNaCl de 35g/l dans la première colonnea).Dans SEAWAT il existe deux possibilités d'implanter des concentrations de l'eau de mercomme condition de limite:

a) Une concentration constante: la concentration initiale reste la même pour toute lasimulation.

b) Une concentration de source: s'il y a de l'eau qui rentre par la limite à charge fixe, ellea la concentration de l'eau de mer.

Pour toutes les simulations en densité variable la variante b) est choisie, correspondantd'avantage à la réalité. Pour la condition à la limite à l’intérieur des terres, un flux estimposé selon le modèle en régime transitoire. Dans la couche supérieure une rechargedirecte de 25% des pluies brutes et implantée. Le fond de la coupe et considéré commeimperméable étant par conséquent une condition à flux nul.

Paramètres d'écoulement et de transportLes paramètres utilisés sont rassemblés dans le tableau 12.2. Les paramètres d'écoule-ment sont repris du modèle d'écoulement sans densité variable et ceux pour le trans-port sont repris d’une étude sur la modélisation de l’intrusion d’eau saline à Hawaii(VOSS 1999). La sensibilité de tous les paramètres est testée ensuite de manière sui-vante: chaque paramètre est divisé et multiplié par 10 afin de tester la sensibilité de laconcentration calculée au PiB3.

Tab. 12.2Paramètres pour les modèles SEAWAT.

Paramètre Unité Valeur

Perméabilité kh (recharge forte) [m/d] 62.32

Perméabilité kh (recharge faible) [m/d] 36.54

Vertical anisotropy (kh/kv) [-] 1Flux amont (recharge forte) [m3/d] 913.6Flux amont (recharge faible) [m3/d] 574.4Specific storage [1/m] 0.00004Specific yield [-] 0.2Porosité [-] 0.04 *Dispersivité longitudinale [m] 250 *Dispersivité transversale horizontale [m] 0.25 *Dispersivité transversale verticale [m] 0.25 *Molecular diffusion coefficient [m2/d] 0.0001296 *

* Paramètres proposés par VOSS (1999)

Configurations SEAWATLe mode "explicite" de coupler les équations d'écoulement et de transport dans SEA-WAT-2000 est choisi. La partie écoulement comme celle de transport est en régimetransitoire afin de faciliter la convergence du modèle. Cependant aucun des para-mètres ne change avec le temps. a) Remarque: la limite ne correspond pas à la côte mais à l’isopièze 0m NGR comme dans le modèled’écoulement.

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La discrétisation temporelle est fait de manière suivante. La durée de simulation estdivisée en "stress periods" étant encore divisés en "timesteps" pour la partie écoule-ment. Ensuite les "timesteps" sont encore divisés en "transport steps" par le modèle detransport. Pour la partie écoulement un temps total de la simulation de 10'000 joursavec 100 "stress periods" à 100 jours et 10 "timesteps" par "stress period" est choisi afind'obtenir des concentrations stationnaires. Chaque modèle repart avec des concen-trations égales à 0gNaCl/l dans toutes les mailles sauf celles dans la première colonneayant la concentration de l'eau de mer de 35gNaCl/l. Selon les paramètres choisis les con-centrations stationnaires sont atteintes plus rapidement ou pas. La durée des "trans-port steps" est calculée automatiquement par SEAWAT afin de respecter les critères destabilité numérique.

Configurations MODFLOWLe "Layer-Property Flow Package" est utilisé comme pour le modèle sans densitévariable.

Configurations MT3DMSLa partie transport du modèle à densité variable tient compte des deux mécanismes detransport étant l'advection et la dispersion. Les équations de l'advection peuvent êtrerésolues avec différentes méthodes de calculs (ZHENG et WANG 1999):

a) Standard finite-difference method with upstream or central-in-space weightingb) MOC (forward-tracking method of characteristics)c) MMOC (backward-tracking method of characteristics)d) HMOC (hybrid method of characteristics with MOC or MMOC automatically and

dynamically selected)e) Third-order TVD scheme (ULTIMATE)

La méthode a) est choisie pour le calage de la coupe. Les autres méthodes sont testéesaussi lors de l'analyse de sensibilité.

12.2.2. RésultatsAfin d'explorer l'influence de la densité sur les écoulements dans la coupe, une pre-mière simulation est conduite sans densité variable. Ayant adopté tous les paramètresdu modèle d'écoulement, cette simulation a donné un niveau trop bas au PiB3 d'envi-ron 90cm par rapport aux simulations du modèle régional sans densité pour la configu-ration de recharge forte. Le premier modèle à densité variable a par contre calculé unniveau piézométrique trop haut d’environ 90cm au PiB3 la condition d'eau de mer seuleayant fait remonter le niveau piézométrique de 1.8m.Afin d'obtenir un niveau piézométrique correct, il était nécessaire d'augmenter la per-méabilité de presque 50% pour la configuration recharge forte et même de 64% pour larecharge faible. Les paramètres additionnels pour le transport n'ont pas exigé d'ajuste-ment afin d'obtenir un résultat acceptable en terme de concentration de chlorures.Dans le tableau 12.3 sont présentés les résultats de ce calage et la figure 12.2 montre ladistribution des concentrations de NaCl pour la configuration recharge forte. Elle nechange pas considérablement pour la recharge faible.

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Tab. 12.3Résultats du calage de la coupe PiB3 pour la recharge forte et la recharge faible.Observations au

PiB3Résultat recharge

forteRésultat recharge

faiblePerméabilité [m/d] - 90 60Niveau piézométrique [m NGR] 4.1 4.2 4.2Concentration de NaCl [g/l] 0.04 0.08 0.08

Fig. 12.2 Concentrations de NaCl obtenues lors du calage pour la configuration recharge forte.

L'eau de mer infiltrée latéralement dans l'aquifère simulé en coupe a une influencenon-négligeable sur les écoulements. Les différences en densité font rentrer de l'eausalée dans le fond de la coupe. En figure 12.3 les directions des écoulements sont pré-sentées pour le résultat du calage en recharge forte.

Analyse de sensibilitéCette analyse a permis de déterminer la sensibilité des principaux paramètres dumodèle à densité variable en approche 2D-vertical. La concentration calculée au PiB3réagit le plus sensiblement à des modifications de la dispersivité longitudinale. Uneaugmentation de ce paramètre d'un facteur 10 a soulevé une augmentation de la con-centration au PiB3 d'un facteur 62 et une diminution d'un facteur 10 a même provoquéune diminution respective d'un facteur 600'000. Le résultat est sensible égalementaux modifications de la perméabilité horizontale qui ont été éffectuées lors du calage.Les autres paramètres testés, notamment les dispersivités transversales, le coefficientde diffusion moléculaire, la porosité et la conductivité verticale ne sont pas particulière-ment sensibles comparés aux autres.Les différentes méthodes de calcul pour l'advection ont chacune données un résultatdifférent surtout pour la concentration au PiB3, ainsi que pour la forme et l'extensionde la zone d'eau saumâtre. Les concentrations peuvent changer plus que 70% selon laméthode de calcul.Tous les résultats sont rassemblés dans les tableaux 1 et 2 et les figures 2 à 18 enannexe III.

Concentrationde NaCl [g/l]

[m]

[m NGR]

49

Fig. 12.3 Direction des écoulements dans la coupe pour la recharge forte.

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12.3 Modèle régional en quasi 3DLe modèle régional calibré en régime transitoire est ajusté pour des simulations endensité variable. Afin de pouvoir lancer un modèle en régime transitoire pour la période1993 à 1999 il faut d'abord calculer des concentrations stationnaires pour l'initiation. Lemodèle est alors conduit à un état stationnaire pour le mois de janvier 1993. Les simu-lations sont faites pour la configuration de recharge forte.

12.3.1. Construction du modèleGéométrie du modèleGénéralement, la géométrie du modèle est adoptée du modèle sans densité avec quel-ques modifications nécessaires pour faire tourner le modèle à densité variable. Lescouches sont affinées dans la verticale pour le transport de manière suivante: la couchesupérieure n'étant en partie pas plus épaisse que quelques mètres est subdivisée en 2sous-couches et la couche inférieure en 5. Le toit de la nouvelle couche supérieure n'estplus identique à la topographie mais se trouve 5m plus haut que la piézométrie initialeet de plus elle est modélisée comme nappe confinée comme toutes les autres afind'éviter des instabilités numériques (cellules sèches). La discrétisation horizontale restela même (100m x 100m), le nombre total de mailles étant de 50'680.

Limites du modèleInitialement les conditions aux limites sont les suivantes: Les flux alimentant lesnappes depuis les bassin versants des hauts sont adoptés du modèle sans densité enrégime transitoire (configuration recharge forte) et sont repartis de manière homogènesur les nouvelles couches (tableau 3 en annexe III). La limite dans la mer reste au mêmeendroit, mais la concentration de l'eau de mer est imposée exactement de la mêmemanière que dans le modèle en 2D-vertical (concentration de source). Les autres limitesne changent pas.

Les paramètresGlobalement, pour la partie écoulement les paramètres du modèle d'écoulement enrégime transitoire (recharge forte) sont adoptés initialement. La conductivité hydrau-lique verticale par contre est égale à la conductivité horizontale sur toute la zone(kh/kv=1). L'emmagasinement est celui de la nappe libre (20%) pour la couche supérieureet celui de la nappe confinée (0.00004m-1) dans les couches inférieures.Les paramètres du transport sont généralement les mêmes que pour le modèle en 2D-vertical, rassemblés dans le tableau 12.2. Seule la porosité est adaptée au milieu volca-nique de La Réunion qui correspond à une porosité moyenne de 10 à 20% (ANTEA 2002),une valeur basse de 10% est choisie.

Configurations initiales SEAWATLe mode "explicite" de coupler les équations d'écoulement et de transport dans SEA-WAT-2000 est choisi. La partie écoulement comme celle de transport est en régimetransitoire afin de faciliter la convergence du modèle. Cependant aucun des para-mètres ne change avec le temps.La discrétisation temporelle est faite de manière suivante: le nombre de "time steps"est limité par la mémoire disponible sur l'ordinateur. En fait c'est le fichier qui fait laliaison entre la partie écoulement et la partie transport qui devient le plus grand (.ftl).SEAWAT résolvant les équations d'écoulement et de transport pour chaque pas detemps de transport ("transport step"), on a renoncé à subdiviser les "stress periods"encore en "time steps" mais seulement en "transport steps".

51

Si le temps total de simulation n'est pas suffisamment afin d'atteindre des concentra-tions stationnaires, il est nécessaire de faire plusieurs simulations. Cela est réalisé enmettant chaque fois les résultats (concentrations et niveaux piézométriques) de lasimulation précédente comme valeurs initiales pour la prochaine. La durée des"transport steps" est calculée automatiquement par SEAWAT afin de respecter lescritères de stabilité numérique.

Configurations MODFLOWLe "Layer-Property Flow Package" est utilisé comme pour le modèle sans densitévariable.

Configurations MT3DMSLa partie advection est calculée selon la méthode "Standard finite-difference methodwith upstream weighting" étant la méthode la plus stable numériquement.

12.3.2. RésultatsNiveaux piézométriquesLe modèle à densité variable a calculé des niveaux piézométriques pour toutes lesmailles. Comparé aux niveaux piézométriques calculés par le modèle sans densité, ilssont considérablement plus hauts (figure 12.1). De plus, la remontée du niveau piézo-métrique ne se fait pas de manière homogène sur le domaine modélisé. Le modèle àdensité variable n'a pas été calibré. Par conséquence, les niveaux piézométriquescalculés sont trop hauts par rapport aux observations sur l'ensemble du domainemodélisé.

Fig. 12.1 Comparaison des niveaux piézométriques de la couche supérieure calculés sans et avec densité.Les valeurs indiquent combien de mètres les niveaux piézométriques sont montés suite à la prise encompte de la densité.

[m]

[m]

Remontée du niveaupiézométrique [m]

52

ConcentrationsEn calculant les concentrations, le modèle a rencontré des problèmes numériques. Ils'agit des oscillations (Cf. annexe III) qui ont causées des valeurs négatives de concen-tration dans certaines zones. Les valeurs négatives sont de l'ordre de presque 10% desconcentrations maximales. Les zones problématiques se situent aux endroits où legradient du niveau piézométrique est fort. Ces endroits sont aussi situés là où lesperméablilités changent fortement entre deux cellules voisines. Afin d'obtenir un résul-tat acceptable, quelques modifications du modèle ont été réalisées. Les paramètresmodifiés sont: le pas de temps de transport ("transport step") et la distribution desperméablilités.

Premièrement, le pas de temps de transport a été diminué. Normalement SEAWAT-2000 calcule automatiquement un pas de temps de transport afin de respecter lescritères de stabilité, notamment le critère de Courant et celui de Neumann (Cf. annexeIII). Ces pas de temps de transport calculés par SEAWAT-2000 étaient d'environ 1.6jours. Pour cette simulation, le pas de temps de transport était diminué à 0.1 jours et lemodèle a été relancé en mettant les concentrations stationnaires du modèle précédentcomme concentrations initiales. Le résultat en figure 12.2 montre pour la couche supé-rieure que les zones des valeurs négatives sont devenues beaucoup plus petites ou sontmêmes disparues complètement. Pourtant il reste encore quelques valeurs négativesqui sont de l'ordre de grandeur de quelques ‰ des concentrations maximales. Ainsique les concentrations calculées à droite de la zone de drainage dans l'Est du domainemodélisé ne semblent pas correctes. Les comparaisons des autres couches sont visiblesdans les figures 20 à 25 en annexe III.

Fig. 12.2 A gauche le résultat pour la couche supérieure du modèle calculant automatiquement les pas detemps de transport et à droite le résultat du modèle avec un pas de temps de transport de 0.1 joursmanuellement implanté. Les cellules noires sur le domaine modélisé indiquent les valeurs négatives, lescellules en bleu présentent des teneurs en chlorure en dessous de 200mg/l (limite de potabilité) et cellesen couleurs entre blanc et rouge au dessus de 200mg/l, cette eau n'étant plus utilisable comme eaupotable.

Deuxièmement, les transitions entre les différentes zones de perméabilité autour de lazone de drainage dans l'Est ont été modifiées de manière à les façonner moinsabruptes. Initialement il y avait des cellules voisines où la différence entre les perméa-bilités respectives était de plus de 103m/d. Dans la figure 12.3 il est clairement visibleque les valeurs négatives dans cette zone ne posent plus de problèmes. Egalement ladistribution des concentrations dans cet endroit semble correcte. Les valeurs négativesrestantes encore sont d'une ordre de grandeur égal à quelques ‰ des concentrationsmaximales. Les comparaisons des autres couches sont visibles dans les figures 20 à 25en annexe III.

53

Fig. 12.3Résultat pour la couche supérieure après avoir modifié les transitions entre les zones dedifférentes perméabilités autour de la zone de drainage dans l'Est.

Dans le tableau 12.1 les concentrations calculéesa) sont comparées aux concentrationsmesurées lors de deux campagnes de mesure en novembre 1992 et en mars 1993, lemodèle calculant des valeurs pour fin janvier 1993.

Tab. 12.1Comparaison des concentrations calculées pour fin janvier 1993 aux observations disponibles decette période.

Code OLE DésignationProfondeur

de la mesure [m NGR]

Concentration de Cl observée en novembre

1992 [g/l]

Concentration de Cl observée en mars 1993

[g/l]

Concentration de Cl modélisée fin janvier

1993 [g/l]

37056-3 Piezo n°3 PIB4 Pl. du Gol -62 0.16 0.34 0.1337057-4 Piezo n°4 PIB5 Pl. du Gol -55 1.59 1.59 0.1538077 Piezo P12 aérogare ch.des pêcheurs -44 0.02 0.04 1.5538078 Piezo P11 Syndicat aval Pierrefonds -52 1.48 3.69 1.5238082 Piezo. P16 stade Casabona -34 1.38 6.45 2.80

37042-3 Piezo n°3 PIB3 -74 0.02 0.02 0.0437040 Forage Marengo -20 0.08 0.09 0.0838048 Forage les Cocos CGE -4 0.02 0.02 0.0000438017 Puits des Roches Maigres 7 0.03 0.04 0.01

a) Il s'agit des concentrations calculées lors de la simulation avec un pas de temps égal à 0.1 jours.

54

Cinquième partie

Discussions et conclusions

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13. DiscussionsLors du calage du modèle d'écoulement sans densité en régime permanent, unezonation et des valeurs de perméabilité ont été définies pour 2 recharges amont diffé-rentes. Ces paramètres hydrodispersifs ont permis de simuler les niveaux piézo-métriques sur les stations d'observations ayant des données pour l'année de calage de1995 de manière satisfaisante, les niveaux simulés n'atteignant pas plus de ± 30 à 50cmque les niveaux mesurés sur la plupart des points.Afin d'obtenir un ajustement satisfaisant, la recharge (recharge pluviale, flux en prove-nance des unités hydrologiques amont) et les perméabilités des différentes couchespeuvent être variées. Une augmentation des apports ou une réduction de la perméa-bilité aura le même effet sur les charges simulées. Ainsi, l’obtention par le modèled’une piézométrie proche des mesures n’atteste en aucun cas d’un respect des caracté-ristiques du système étudié. En effet, le rendu de la piézométrie peut être bon en ayantsurestimé la recharge et la perméabilité des terrains ou, inversement en les ayant sous-estimées. Un des moyens de vérifier le bien fondé des hypothèses de calage est de con-fronter le débit souterrain calculé par le modèle avec le débit souterrain estimé,compte-tenu de la pluviométrie et de la connaissance du contexte hydrogéologique. Lebilan hydrologique réalisé témoigne de la plausibilité des résultats. Un autre moyen estde comparer les perméabilités obtenues lors du calage et celles mesurées en faisantdes essais de pompage sur les forages. Compte tenu des fortes hétérogénéités seulesles zones riches en mesures peuvent être discutées. Les deux paramètres concernésmontrent des résultats différents, un étant parfaitement en accord avec les mesures etl'autre montrant des valeurs trop fortes. Il s'agit du paramètre "hk_200" qui englobe 3zones de forte perméabilité. Cela indique qu'il y a trop d'eau dans ces secteurs, larecharge étant donc possiblement surestimée.

En régime transitoire, le modèle sans densité a été calé sur une période de 7 ans (1993 à1999). La comparaison des chroniques piézométriques montre un calage qui est glo-balement satisfaisant pour les deux couches tenant compte de la nature instantanéedes observations. Les deux types de comportements différents, petites et grandesfluctuations, ont été séparés et les niveaux sont bien respectés. La tendance du légertarissement au cours de ces années de modélisation est également reproduite sur laplupart des points concernés.L'approche choisie pour la simulation des apports étant responsables de la différencede comportement entre les piézomètres ayant des fluctuations plurimétriques et plusretardées que celles montrant des fluctuations décimétriques, reste discutable. Ayantattribué ce phénomène aux pertes de la rivière en amont, il aurait été plus logiqued'imposer des flux sur la limite amont dans le secteur de la rivière et les faire varierdans le temps. Néanmoins, l'approche locale d'une zone supplémentaire de rechargedirecte s'est imposée car la distribution des perméabilités adoptée du régime perma-nent, n'a pas permise aux flux d'eau souterraine, choisissant le chemin de la moindrerésistance, d'alimenter les points auxquels ils étaient destinés. Sur les points ayant desfluctuations plurimétriques l’année 1998 montre une anomalie dans la mesure où lapiézométrie calculée a un pic beaucoup trop marqué. Cela indique que les apports de larivière (zone supplémentaire au PiB2) sont surestimés pour cette année. Ces apportsont été liés à la pluie tombée sur la station Pierrefonds située dans le littoral. En 1998,contrairement aux années précédentes, le littoral à Saint-Pierre a été exceptionnelle-ment arrosé pendant la période humide par rapport aux zones qui se situent à l'amontdu secteur d'étude ce qui explique l'écart.

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Il y existe quelques points où le modèle n'arrive pas à reproduire les fluctuations de lanappe de manière satisfaisante. C'est le cas pour les piézomètres P4 Marengo, PiB7, P11Syndicat aval Pierrefonds, PiB3 n°2, P12 aérogare ch. pêcheurs et P16 Stade Casabona.Le P4 présente des fluctuations beaucoup trop faibles par rapport aux observations cequi est supposé être lié à de multiples causes. Premièrement il se trouve dans unedépression de terrain au milieu d'un champ de canne à sucre. Le niveau piézométriquen'étant qu'à quelques mètres de profondeur par rapport au sol, il est fortementinfluencé soit par les précipitations qui inondent souvent les terrains en saison cyclo-nique, laissant des flaques d'eau sur les terrains, soit par les irrigations dont lesvolumes sont très mal connus à l’heure actuelle et ne sont pas pris en compte dans lemodèle. Ce point caractérise en fait une nappe superficielle mais qui siège dans lesbasaltes et non pas dans les alluvions. C'est la raison pour laquelle on a essayé decalibrer le modèle sur ce point d'observation.Au PiB7 par contre, les niveaux simulés sont trop bas et ayant des fluctuations tropfortes. ANTEA (2002) a émis l'hypothèse d'une erreur sur la cote de repère ce quipourrait indiquer une possible appartenance à la nappe siégeant dans les basaltes dephase II qui présente des fluctuations moins fortes et qui est artésienne notamment auPiB3 n°4.Finalement, aux points PiB3, P12, P11 et P16 un phénomène différent est observé. Sur cespoints d'observations situés à proximité de la mer, c'est l'influence de la marée qui, avecla nature instantanée des mesures, peut expliquer les écarts.En couche inférieure, les simulations sont en accord avec les observations sur les pointsoù des mesures sont disponibles. Sauf au PiB3 n°4 le modèle n'arrive pas à simuler leniveau de la nappe sous-jacente sous charge de façon suffisamment élevée. En réalité ilest supérieur par rapport à la nappe sus-jacente.Le calage a montré la nécessité de créer 2 zones d’anisotropie verticale différentes.Cependant l’extension des zones restent très approximative par le fait qu’il n’existe que4 stations de mesures pour la couche 2 et qu’elles sont toutes situées en rive droite dela Rivière Saint-Etienne. Pour la rive gauche les perméabilités verticales ont été laisséestrès petites afin de garder le niveau piézométrique. Cela résulte sans doute du régimepermanent où l’approche de drainance quasi nulle avait été choisie pour calculer lesperméabilités horizontales.Le bilan hydrologique réalisé à l'issu du calage en régime transitoire a montré que lesvolumes d'alimentation choisis pour la modélisation sont plausibles, les taux d'infiltra-tions sur les bassins versants amont pour les deux configurations de recharge amontétant du même ordre de grandeur que les valeurs bibliographiques. Il a été montréégalement que les prélèvements sur le secteur modélisé ne font en moyenne qu'unefraction de l'alimentation totale du système indiquant que les volumes d'eau ne serontpas le facteur limitant dans ce système.

À l’issue des phases de calage en régime permanent et en régime transitoire, il apparaîtdonc que le comportement du système aquifère est globalement assez bien restituépar le modèle, compte tenu des très fortes incertitudes demeurant, quant aux contex-tes géologique et hydrogéologique, et aux conditions d’alimentation. Il faut néanmoinsgarder à l'esprit que le modèle repose sur les hypothèses simplificatrices de l'applica-tion d’un schéma de type milieu poreux au contexte fissuré et très hétérogène descoulées volcaniques et d'une estimation des alimentations amont par extrapolation debilans hydrologiques locaux, réalisés sur de petits bassins versants. Le problème princi-pal restant est que ni les transmissivités ni la recharge ne sont connues.

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Les premières simulations en densité variable avec l'approche d'une coupe en 2D-vertical ont montré une forte influence de la densité sur les écoulements d'eausouterraine. Ayant adopté les flux et les perméabilités du modèle régional sans densité,le niveau au PiB3 était plus haut d'environ 2m par rapport à la simulation de la coupesans densité. Seul le fait de calculer en densité variable avec une condition d'eau saléedans la mer a fait remonter considérablement le niveau piézométrique au PiB3. Lalimite salée a pour effet l’entrée de flux dans la coupe en bas depuis la mer. Cela a pourconséquence que la section où l'eau peut se déverser dans la mer est plus petite,introduisant une résistance plus forte étant responsable de la différence de niveaupiézométrique.Le fait que le niveau de la coupe sans densité étant plus bas que celui du modèlerégional sans densité indique que les écoulements ne sont pas exactement les mêmeset qu'il y a de l'eau qui passe par les flancs de la coupe choisie dans le modèle régional.Cela indique de nouveau que les écoulements dans le système aquifère du Gol/Cocos/Pierrefond ne sont pas bidimensionnels.L'analyse de sensibilité a montré la forte dépendance des résultats de la dispersivitélongitudinale et des perméabilités ce qui doit être gardé à l'esprit pour les simulationssuivantes.

Le modèle régional en densité variable a également montré une forte influence de ladensité, les niveaux piézométiques ayant augmenté de plusieurs mètres par rapport àla simulation sans densité. En accord avec les résultats de l'approche 2D-vertical enterme de distribution des concentrations, les concentrations calculées dans le modèlerégional augmentent avec la profondeur. Les intrusions d'eau saline semblent êtrefortement influencées par la distribution des perméabilités, les fortes perméabilitésfavorisant considérablement les intrusions latéralement. Comparées aux observations,les concentrations calculées sont dans le même ordre de grandeur pour la plupart despoints de mesure. Les stations présentant des écarts considérables sont les deuxpiézomètres PiB5 et P12, et le forage Cocos CGE. Sur le PiB5 la teneur en chlorurescalculée est manifestement plus petite à celles révèlées par les observations. L'intrusionest sous-évaluée par le modèle peut-être à cause de la perméabilité faible entre lepiézomètre et le bord de la mer. Vu que le PiB4 en amont du PiB5 présente des valeursqui sont en accord avec les observations sur ce point, l'hypothèse d'une sur-estimationde la dispersion provoquant une zone de mélange d'eau douce – eau salée trop larges'impose. Le P12 par contre présente des valeurs beaucoup trop élevées par rapport auxobservations. Ce point est situé à une distance d'environ 1km du P11 qui présente desconcentrations 100 fois plus fortes, la distance de la côte ne changeant pasconsidérablement. L'intrusion saline dans ce secteur est fortement influencée par lazone de drainage (forte perméabilité) la favorisant considérablement. Cette zone étanttrop proche du P12 est considérée comme responsable pour l'écart. Au forage CocosCGE situé proche de la limite amont, le modèle a calculé une valeur de concentrationtrop basse. Cela provient probablement du fait que l'alimentation du modèle necontient pas de chlorures. Etant sur une île océanique, les précipitations peuvent êtrechargées de chlorures ce qui peut probablement expliquer l'écart. Cependant cesrésultats se doivent d’être regardé d'un point de vu qualitatif. Le modèle régional endensité variable n'a pas été calibré. Par conséquent les niveaux piézométriques sonttrop élevés par rapport aux observations.

Les problèmes numériques n'ont pu être complètement contrôlés, il a toujours desvaleurs négatives de concentration. D'une part les zones de valeurs négatives sontsituées proche de la limite amont dans les endroits ayant un gradient piézométrique

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fort et d'autre part aux transitions entre des zones de perméabilités fortementdifférentes. Une amélioration de la situation a pu être obtenue en diminuant le pas detemps de transport. Cela indique que les pas de temps de transport calculés parSEAWAT ne sont pas toujours adéquats. Une amélioration a également été obtenue enfaçonnant les transitions entre des zones de perméabilités différentes moins abruptes.

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14. ConclusionsLe modèle d'écoulement sans densité a montré que les écoulements dans le systèmeaquifère au niveau du cône de déjection de la rivière Saint-Etienne sont très complexes.Les simulations d'une coupe traversant le PiB3 ont cependant vérifié ce fait. Ce systèmeaquifère ne peut donc pas être décrit en deux dimensions avec une approche verticalemais trois dimensions doivent être considérés.

La comparaison du modèle d'écoulement sans densité avec le modèle à densité variablea montré une forte influence des chlorures sur les écoulements, les niveaux piézo-métriques étant considérablement plus hauts pour le cas de prise en compte de ladensité. Afin de construire des modèles opérationnels des aquifères côtiers à LaRéunion les effets de densité doivent donc être pris en compte, aussi bien lors du calagedes perméabilités que celui des flux alimentant les nappes. Cependant, l'effort demodélisation est considérable et la mise en œuvre de ces outils nécessite un nombreimportant de données.

Le plus grand problème sur le secteur d'étude est le manque de données surtout sur lestransmissivités des terrains et sur l'alimentation des aquifères. Ni les flux entrant ni lesflux sortant du système ne sont connus. Un bon calage nécessite beaucoup de pointsd'observation ce qui est encore plus important dans un milieu hydrogéologiquementcomplexe. Il faudrait développer le réseau de suivi des eaux souterraines en terme dequantité de la ressource en eau ainsi que de sa qualité afin de mieux connaître lemilieu. Une surveillance des volumes exploités dans les puits devrait également êtreenvisagée ainsi qu'une estimation des volumes irrigués.

Afin de pouvoir calibrer un modèle à densité variable, le réseau de suivi de la salinitédevrait être développé. Premièrement cela nécessite plus de points d'observation maisaussi des aménagements sur le réseau piézométrique devraient être envisagés dans lamesure où les mesures de niveau piézométrique devraient être accompagnés des me-sures de conductivité.

Les modélisations réalisées lors de ce travail sont faites avec un pas de temps mensuelce qui est suffisant pour une approche globale. Mais il faut aussi garder à l'esprit, sur-tout pour les diagraphies de conductivité envisagées, que les phénomènes sont parfoisbeaucoup plus complexes. Les investigations sur l'influence de la marée sur la conducti-vité ont montré que l'échelle temporelle peut être beaucoup plus petite. Surtout sur lesstations influencées par ce phénomène les mesures de conductivité doivent donc êtreprudemment planifiées en fonction de la marée.

Concernant les problèmes numériques même en choisissant l'approche des différencesfinies et une méthode explicite ce qui passe pour les méthodes les plus stables numé-riquement il faut faire très attention. Premièrement, il a été montré que le pas detemps calculé par SEAWAT n'est pas toujours le meilleur et doit être ajusté manuelle-ment en cas de problèmes si c'est possible en terme d'effort informatique et de temps.Généralement les grandes différences de tous les paramètres entre des cellules voi-sines doivent être évitées. Plus particulièrement il faut faire très attention à la distribu-tion des perméabilités ainsi que la distribution des volumes de recharge. Afin des'affranchir complètement des problèmes numériques, le mieux serait probablementde faire une vraie approche en trois dimensions avec un maillage homogène danstoutes les directions (Dx, Dy et Dz).

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Les modélisations en densité variable apportent alors des informations intéressantesau vu des premiers résultats. L'approche d'une modélisation régionale prenant encompte des effets de densité paraît intéressante pour ce système d’aquifère en parti-culier et plus généralement pour tous les aquifères côtiers de La Réunion. Il est proposéde généraliser les modèles à densité variable pour simuler le comportement des aqui-fères côtiers de La Réunion.

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