Réponse d'un système aquifère multicouche aux variations paléoclimatiques et aux sollicitations anthropiques - Approche par modélisation couplée hydrodynamique, thermique et géochimique

The study of the hydrodynamic parameters and the piezometric level of the aquifers is not enough to understand the hydrogeological behaviour of large sedimentary basins. It is necessary to take into account the whole of the layers and their hydrogeological behaviour on the long term. These aquifer systems are indeed too often analysed on the short term on the supposition that the hydrodynamic state was stabilized before the human exploitation. Thus it is under a new vision that the understanding of the aquifer of the Infra-Molassic Sands is approached in the aim of integrating it in a hydrodynamic model with the overall of the south-Aquitaine multi-layered aquifer system.The interpretation of the isotopic and geochemical data showed that only vertical flows in addition or not to a horizontal flow can explain the results and it made it possible to present the idea of a major phase of recharge at the end of the Pleistocene. The reconstitution of the local paleoclimate was undertaken in order to propose a scenario of the potential periods of recharge of the south-Aquitain aquifer system over the last 40,000 years. These results revealed the instability of the conditions of recharge of this multi-layered aquifer system and thus its transitory state.A major study of the geological, hydrogeological and geothermical characteristics was undertaken to suggest a hydrodynamical and thermal 3D model. This model makes it possible to study the recent evolution but also the long-term trends. This model is made up of eleven layers and the extension is approximately 32,000 km². The calibration of the temperature in the model was carried out. The calibration in transient state of exploitation with the pumping and the activity of two storages of gas was done. The simulation of the eustatic variations on the last 100,000 years showed the weak influence of those variations on the Infra-Molassic Sands groundwater. The simulation of the variations of recharge according to the paleoenvironmental fluctuations over 40,000 years, final purpose of this work, was carried out and enabled to establish three principal axis of flow in coherence with the geochemical constraints. The importance of the vertical and horizontal flow could be done using water budget. To finish with, the piezometric fall currently observed would be the principal consequence of the pumping of the last thirty years and of the natural drainage of the system started 150 years ago, following an important recharge during the Little Ice Age.This study shows the existence of exchanges between the various layers (aquifers and aquitards), the important recharge by vertical drainage in different areas and the transient-state groundwater flow over several hundreds to several thousands of years. In short, the behaviour of this type of multi-layered aquifer of regional extension requires to be detached from the common vision of a functioning which would have begun only with the anthropic exploitation on a hydrodynamical stabilized system.L'étude des paramètres hydrodynamiques et de la charge piézométrique des aquifères ne suffit pas pour appréhender le fonctionnement hydrogéologique des grands bassins sédimentaires. Il est nécessaire de tenir compte de l'ensemble des couches et de leurs comportements hydrogéologiques sur le long terme. Ces systèmes sont en effet trop souvent analysés sur le court terme avec l'hypothèse que le régime hydrodynamique était stabilisé avant l'exploitation humaine. C'est donc sous une vision nouvelle que la compréhension de l'aquifère des Sables Infra-Molassiques, et plus globalement du système multicouche sud-aquitain, est abordée avec comme objectif son intégration dans un modèle hydrodynamique.L'interprétation des données isotopiques et géochimiques a montré que seuls des transferts verticaux en complément ou non à un écoulement horizontal étaient à même d'expliquer les résultats des analyses et a permis d'exposer l'idée d'une phase de recharge importante à la fin du Pléistocène. La reconstitution du paléoclimat local a été entreprise afin de proposer un scénario des périodes potentielles de recharge du système aquifère sud-aquitain sur les 40000 dernières années. L'ensemble de ces résultats a révélé l'instabilité des conditions d'alimentation de ce multicouche et donc son état transitoire.Une analyse majeure des caractéristiques géologiques, hydrogéologiques et géothermiques a été engagée et les données mises en cohérence afin de proposer un modèle couplé hydrodynamique et thermique 3D permettant d'étudier l'évolution récente mais également de longue durée. Comportant onze couches, l'extension du modèle est d'environ 32000 km². L'ajustement dans le modèle des données de température a été réalisé. Le calage en transitoire court d'exploitation avec les prélèvements et l'activité de deux stockages de gaz a été effectué. La simulation des variations eustatiques sur les derniers 100000 ans a montré la faible influence de celles-ci sur la nappe des Sables Infra-Molassiques. La simulation des variations de recharge liées aux fluctuations paléoclimatiques sur 40000 ans, objectif final de ce travail, a été exécutée et a permis d'établir trois principaux axes d'écoulement en cohérence avec les contraintes géochimiques. L'importance des transferts verticaux et horizontaux a pu être approchée à l'aide de bilans de flux. Enfin, la baisse piézométrique actuellement observée serait la conséquence des prélèvements de ces trente dernières années et, dans une moindre mesure, de la vidange naturelle du système amorcé il y a 150 ans, suite à une recharge importante au cours du Petit Âge Glaciaire.Ce travail a mis en exergue l'existence d'échanges entre les différentes couches (aquifères et formations peu perméables), la recharge par drainance verticale importante dans certains secteurs ainsi que le régime transitoire sur plusieurs centaines voire milliers d'années avec un caractère continu. Au final, la compréhension de ce type de multicouche d'extension régionale nécessite de se détacher de la vision commune d'un fonctionnement qui n'aurait débuté qu'avec l'exploitation anthropique sur un système hydrodynamiquement stabilisé

Réponse d'un système aquifère multicouche aux variations paléoclimatiques et aux sollicitations anthropiques (approche par modélisation couplée hydrodynamique, thermique et géochimique)

Le fonctionnement hydrogéologique des grands bassins sédimentaires est souvent analysé sur le court terme avec l'hypothèse que le régime hydrodynamique était stabilisé avant l'exploitation humaine. Le comportement du système multicouche sud-aquitain, et en particulier de l'aquifère des Sables Infra-Molassiques, est étudié ici sur le long terme afin d être intégré dans un modèle hydrodynamique. 'interprétation des données de la chimie de l eau a montré que des transferts verticaux associés ou non à un flux horizontal pouvaient expliquer ces résultats et a permis d'exposer l'idée d'une phase de recharge importante à la fin du Pléistocène. Un scénario des phases potentielles de recharge sur 40000 ans été proposé à partir d une reconstitution paléoclimatique. n modèle couplé hydrodynamique et thermique comportant onze couches sur une extension de 32000 km a été réalisé. La calibration des paramètres hydrodynamiques à l aide de variations induites par deux stockages de gaz et des conditions thermiques a été effectué. La simulation des variations eustatiques sur les derniers 100000 ans a montré la faible influence de ces fluctuations. La simulation des variations de recharge sur 40000 ans a été effectuée et a permis d établir trois principaux axes d'écoulement en cohérence avec les contraintes géochimiques. L'importance des transferts verticaux et horizontaux a pu être approchée à l'aide de bilans de flux. Enfin, la baisse piézométrique actuellement observée serait la conséquence principale des prélèvements de ces trente dernières années et de la vidange naturelle du système amorcé il y a 150 ans, suite à une recharge importante au cours du Petit Age Glaciaire.The hydrogeologic behaviour of large sedimentary basins is often analysed on the short term on the assumption that the hydrodynamic state was stabilized before the human exploitation. The behaviour of the south-Aquitaine multi-layered system, and in particular of the Infra-Molassic Sands aquifer, is studied here on a long term period in order to be integrated in a hydrodynamic model.The interpretation of the data of the water chemistry showed that vertical flows combined or not with a horizontal flow could explain these results and it made it possible to present the idea of a major phase of recharge at the end of the Pleistocene. A scenario of the potential phases of recharge over 40,000 years was realized starting from a paleoenvironmental reconstitution.A hydrodynamic and thermal coupled model including eleven layers on an extension of 32,000 km was carried out. The calibration of the hydrodynamic parameters using variations induced by two storages of gas and of the thermal conditions was done. The simulation of the eustatic variations on the last 100,000 years showed the weak influence of these fluctuations. The simulation of the variations of recharge over 40,000 years was carried out and enabled to establish three principal axis of flow in coherence with the geochemical constraints. The importance of the vertical and horizontal transfers could be done using water budget. Finally, the piezometric fall currently observed would be the principal consequence of the pumping of the last thirty years and of the natural drainage of the system started 150 years ago, following an important refill during the Little Ice Age.BORDEAUX3-BU Lettres-Pessac (335222103) / SudocSudocFranceF

A platform to harmonize the regional hydrodynamic models in the southwest of France

International audienceTo support the authorities in water resource management, different hydrodynamic models have been developed in south-western France (the new Large Region: Aquitaine - Limousin - Poitou-Charentes) for nearly twenty years. These models also contribute to understand the functioning of multilayered aquifers on this territory. Four developed models coexist and cover a total area of 82,570 km² (Jurassic and Cretaceous models in Poitou-Charentes, the North Aquitaine Model and the South Aquitaine Model). They cover 87% of the sedimentary formations of the new Large Region. In addition of these regional models, others models with refined geometry or mesh have been developed on a part of the same territory in order to respond to local and specific problems. All these models, developed independently from each other, will be integrated in a common platform in order to harmonize their functioning with the experience gained during the development and the use of each of them.Thus, the use of a geological modeler upstream to create geometrical models allows some flexibility in order to regularly integrate the latest geological data (used for the North Aquitaine Model). Moreover, the use of climate spatialized data (SAFRAN data from Météo-France) coupled with the use of a specific recharge module allows to homogenize and calculate in the same way the groundwater recharge in the different models (used for the Jurassic model). Including the restitution of surface runoff and rivers flow in modeling allows as well to properly constrain the distribution of effective precipitation between infiltration and runoff.Finally, a database of water withdrawals is built to handle and treat in the same way data from different origins with variable time step and specific issues to be considered in each model (water withdrawals in groundwater and/or surface for various uses as water supply, industry, irrigation, dam releases, sewage discharges, etc.).All of these works aim to consolidate regional hydrodynamic models and to allow the update and faster adaptation of these models

Groundwater management of large aquifers in southwestern France by regional hydrodynamic models

International audienceIn southwestern France, groundwater resources are withdrawn for various uses (drinkable water, irrigation, industry, geothermal energy, forestry, conservation of wetlands, shellfish breeding among others) which can sometimes cause conflicts between users. To help the management of these resources, regional hydrodynamic models have been developed. These models have been a support to the public policies for over 20 years.In the northern region, groundwater is in close relation with rivers, especially during periods of low-water levels. Indeed, groundwater used for irrigation impact not only the stream flows, but also the water supply for the second large wetland of France: the Marais Poitevin. The developed models have permitted to test the impact of several scenarios of water withdrawals. These tests help to determinate the amount of water that can be pumped to respect defined objectives as water levels in piezometer and river flows.These models were also used to test the impact of the eventual implementation of water tanks (400,000 to 800,000 m3). Further south, the major problem is the important reduction of the level of the Eocene aquifer in the department of Gironde. In this area, the regional hydrodynamic model has been developed since 1990. Its development allows the management of deep groundwater resources and contributes to validate strategies of exploitation based on different simulations. This model also allows to answer problems of overexploitation and to analyse areas where water savings could be done to avoid this overexploitation, and to estimate the impact of new resources.The extreme southern region has a significant particularity: on two different sites, groundwater is used for the storage of gas. The cyclic injection and withdrawal of gas impacts significantly the aquifer level. The proposed model is adapted for the groundwater resources knowledge and management of this case. Finally, these models were used to evaluate impacts of climate change on groundwater resources in order to allow authorities to evaluate strategies to adapt to this change (Project Explore 2070 for example)

Developing Substitution Resources as Compensation for Reduced Groundwater Entitlements: The Case of the Poitou Marshes (France)

International audienceThis chapter describes the groundwater management policy implemented in the Poitou marshes, a 100 000 ha wetland located on the Atlantic coast in Western France. Similarly, to other French basins, irrigated agriculture has rapidly developed since the 1980's, mainly based on groundwater exploitation. Clear signs of groundwater overexploitation appeared in 1992-95, with the intrusion of brackish water in the aquifer. Because of the overexploitation, ecosystems were severely affected and the French Government was sued by the European Commission for non-compliance with the Bird Directive (1999). The chapter describes the progressive implementation of a groundwater management policy aiming at ensuring the long-term sustainability of an emblematic groundwater dependent wetland. To do so, the State imposed a very significant reduction in historical water entitlements. This case study illustrates the difficulties encountered in implementing this reduction, in a context of extreme competition between economic uses (agriculture, urban and touristic) and environmental objectives. The case study also reports on the complexity of developing an integrated management plan in basins where groundwater, rivers, wetlands and canals are highly interdependent. It highlights the importance of a (shared) knowledge on water resource and uses, of involving stakeholders in the different steps, and of trying to share scarcity in an equitable way

The cumulative impacts of small reservoirs on hydrology: A review

International audienceThe number of small reservoirs has increased due to their reduced cost, the availability of many favourable locations, and their easy access due to proximity. The cumulative impacts of such small reservoirs are not easy to estimate, even when solely considering hydrology, which is partially due to the difficulty in collecting data on the functioning of such reservoirs. However, there is evidence indicating that the cumulative impacts of such reservoirs are significant.The aim of this article is to present a review of the studies that address the cumulative impacts of small reservoirs on hydrology, focusing on the methodology and on the way in which these impacts are assessed.Most of the studies addressing the hydrological cumulative impacts focused on the annual stream discharge, with decreases ranging from 0.2% to 36% with a mean value of 13.4% ± 8% over approximately 30 references. However, it is shown that similar densities of small reservoirs can lead to different impacts on stream discharge in different regions. This result is probably due to the hydro-climatic conditions and makes defining simple indicators to provide a first guess of the cumulative impacts difficult. The impacts also vary in time, with a more intense reduction in the river discharge during the dry years than during the wet years. This finding is certainly an important point to take into consideration in the context of climate change.Two methods are mostly used to estimate cumulative impacts: i) exclusively data-based methods and ii) models. The assumptions, interests and shortcomings of these methods are presented. Scientific tracks are proposed to address the four main shortcomings, namely the estimation of the associated uncertainties, the lack of knowledge on reservoir characteristics and water abstraction and the accuracy of the impact indicators

Cumulative impact of small reservoirs;: a review of estimations and methods

International audienceDue to a reduce cost, availability of many favorable locations, easy access due to proximity, the number of small reservoirs has increased, especially in arid and semi-arid regions. The cumulative impact of reservoirs in a catchment is considered as the modifications induced by the reservoir network taken as a whole. The impact may exert on the flow regimes and sediment, nutrient and contaminant transfer, and thereby modify the ecological behaviour of the aquatic environment, the continuity of rivers and the habitats of organisms living in them. The cumulative impact is not necessarily the sum of individual and local modifications, because reservoirs may be inter-dependent. This is the case for instance in cascading reservoirs along a stream course. The cumulative impact is not straightforward to estimate, even solely considering hydrological impact, in part due to the difficulty to collect data on the functioning of those reservoirs. However, there are evidences that the cumulative impacts are not negligible.This work is dedicated to a review of the studies dealing with the cumulative impact of small reservoirs on hydrology, focusing on the methodology as well as on the way the impacts are reported. It is shown that similar densities of small reservoirs can lead to different impacts on the quantitative water resource in different regions. This is probably due to the hydro-climatic conditions, and makes it difficult to define simple indicators to provide a first guess of the cumulative impact. The impacts vary also on time, with a more intense reduction of the river discharge during the dry years than during the wet years. This is certainly an important point to take into account in a context of climate change

Le climat de la France au XXIe siècle. Vol 5 : Changement climatique et niveau de la mer : de la planète aux côtes françaises

Ce rapport traite du lien entre le changement climatique et le niveau de la mer. Il a étérédigé en complément au volume 4 du rapport de la mission Jouzel « Scénariosrégionalisés. Le climat de la France au XXIe siècle » publié en août 2014. Il met à jour levolume 3 de ce rapport déjà consacré à la question du niveau de la mer et publié enfévrier 2012. Il vise à faire un point des connaissances sur l’évolution passée et future duniveau de la mer de l’échelle planétaire à celle des côtes françaises, et sur les principauximpacts physiques de la montée du niveau marin (submersion marine, érosion côtière,intrusions salines dans les aquifères côtiers et des impacts sur les infrastructures côtièreset portuaires). En revanche, il ne traite pas la question des impacts socio-économiques nicelle de la gestion des risques associés. Il s’appuie sur l’expertise du GIEC et sur lesrésultats de travaux menés au sein de la communauté scientifique français

Cumulative impact of reservoirs on the aquatic environment. Joint scientific appraisal

Water storage has increased considerably worldwide since the 1950s. Water is collected and stored in reservoirs to supply towns and cities with drinking water, and for agricultural and industrial purposes, fish farming, leisure activities and low-flow period support. In the late 20th Century, there was a considerable increase in small reservoirs in France, reaching a total of 125,000 by the early 2000s. The creation of new water storage structures continues in parallel with the exploration of water use reduction solutions. These developments raise a whole host of environmental issues, such as the impact of reservoirs on the aquatic environment, particularly in areas where there are already a number of reservoirs and water resources are in high demand. By law, building a new reservoir requires a planning application or government authorization, which require an environmental impact study. Such studies must now assess the cumulative effects of the project together with other known similar projects. The “cumulative” aspect of the impact of water storage structures on a single catchment area is often poorly understood, probably due to a lack of relevant knowledge and methods. Consultants and government services therefore face a lack of operational tools for processing new reservoir applications, which gives rise to other problems around water management planning and the supervision of the development of new reservoirs. In this context, the French Ministry of the Environment, Energy and Marine Affairs (MEEM), supported by ONEMA, requested a joint scientific assessment (ESCo) from Irstea, in partnership with INRA, on the cumulative impact of reservoirs on the aquatic environment. It was produced by around fifteen experts from a range of disciplines and research organizations, and is based on analysis of a thousand or so international scientific articles and reports.Le stockage de l’eau a considérablement augmenté dans le monde depuis les années 1950. Les retenues collectent et stockent l’eau, pour l’alimentation des villes en eau potable, à des fins agricoles, industrielles, piscicoles, de loisir ou de soutien d’étiage. En France, les retenues de petites tailles se sont multipliées à la fin du 20ième siècle. Au début des années 2000, on en comptait environ 125 000. La création de nouveaux ouvrages de stockage se poursuit, parallèlement à une recherche de réduction des usages de l’eau. Ces créations soulèvent de nombreuses questions environnementales, notamment en termes d’impact sur le milieu aquatique, en particulier dans les zones déjà très équipées et où les ressources en eau sont d’ores et déjà très mobilisées. La construction d’une nouvelle retenue nécessite réglementairement une déclaration ou la sollicitation d’une autorisation auprès des services de l’Etat, impliquant de réaliser une étude d’impact environnemental du projet. Une telle étude doit dorénavant évaluer les effets cumulés avec les autres projets équivalents connus. Cette dimension « cumulée » de l’impact d’ouvrages de stockage d’eau sur un même bassin versant est souvent mal appréhendée, les connaissances et les méthodologies étant peu développées sur cet aspect. Bureaux d’étude et services de l’Etat font ainsi face à un manque d’outils opérationnels leur permettant d’instruire les projets de nouvelles retenues. Ces difficultés en entrainent d’autres au niveau de la planification de la gestion de l’eau et de l’encadrement à la création de telles retenues. Dans ce contexte, le Ministère de l’Environnement, de l’Energie et de la Mer (MEEM), avec l’appui de l’Onema, a sollicité une expertise scientifique collective (ESCo) auprès d’Irstea, en partenariat avec l’Inra, sur l’impact cumulé des retenues d’eau sur le milieu aquatique. Cette ESCo a mobilisé une quinzaine d’experts de différents organismes de recherche et de disciplines variées ; elle est fondée sur l’analyse d’un millier d’articles scientifiques et de rapports internationaux

Guide technique Interactions nappe/rivière: Des outils pour comprendre et mesurer les échanges

National audienceLa démarche et les outils présentés dans ce guide permettent de diagnostiquer qualitativement et quantitativement les échanges nappe/rivière en tenant compte du degré plus ou moins élevé d’anthropisation. De tels diagnostics contribueront à la préservation de la ressource en eau, des nappes phréatiques et de la biodiversité aquatique sur les bassins versants à enjeux importants. Ils sont issus de travaux de recherche et applicables en contexte alluvionnaire et sédimentaire. Le guide propose une démarche (parties A et B) qui aidera le lecteur à choisir les outils adaptés à son terrain et à ses enjeux et à en interpréter les résultats. Les outils (partie C) sont présentés sous forme de fiches techniques donnant un accès rapide à l’information nécessaire pour les comprendre et les mettre en œuvre : principe, données nécessaires, protocole de mesure, interprétation, exemple de résultats, valeurs guides, points forts et points faibles... Les outils proposés sont les suivants : analyse géomatique des niveaux d’eau, modèles hydrodynamiques distribués à base physique, modèles hydrothermiques à base physique et dispositifs de mesure de température et d’écoulements d’eau, image thermique infrarouge, géochimie, végétation aquatique, invertébrés souterrains. Ce guide s’adresse avant tout aux gestionnaires de l’eau qui, pour gérer de façon durable leurs ressources en eau, doivent s’intéresser aux interactions nappe/rivière. Les informations et la démarche proposées ont donc pour objectif principal d’aider l’utilisateur à mettre en œuvre et réaliser par lui-même une étude pour caractériser les échanges nappe/rivière ou à rédiger le cahier des charges pour la sous-traiter