Thème transverse

Réservoirs hydriques et dynamique des eaux souterraines : contributions hydrologiques et géophysiques à leur observation et leur modélisation, de l'échelle des pores à celles de l'aquifère et des continents

Animateur : Pascal Sailhac

Problématique

Ce thème transverse vise à développer une approche hydrogéophysique pour l'observation et la modélisation des réservoirs hydriques et de la dynamique des eaux souterraines.

En effet, plusieurs équipes de l'UMR 7516 s'impliquent de plus en plus sur des problèmes où l'eau joue un rôle important. Ces équipes travaillent à des échelles différentes et ont peu interagi par le passé car leurs projets de recherche respectifs ne demandaient pas tant de collaboration qu'aujourd'hui. Un nouveau thème transverse devrait les aider à échanger leurs connaissances et à forger une approche multi-échelles du rôle des réservoirs hydriques et de la dynamique des eaux souterraines en géophysique, que ce soit à l'échelle microscopique en deçà du mètre (Physique des Roches), à l'échelle macroscopique jusqu'à une centaine de mètre (Proche Surface) ou régionale voire continentale (Dynamique Globale). Ce thème transverse associe aussi des hydrologues de l'IMFSS (équipe Hydrodynamique et Transferts en Milieux Poreux, UMR 7507).

L'interaction entre ces disciplines se présente comme nécessaire. Ainsi par exemple les effets micro-gravimétriques et géodésiques (Dynamique Globale) associés à la présence d'eau dans les roches du sous-sol se posent de façon de plus en plus pertinente à la communauté scientifique dans le cadre des projets de recherche spatiaux (GRACE et GOCE) ; la modélisation de ces effets doit rendre compte de la nature poreuse des roches, et conduit à une interdisciplinarité du problème, étudié à l'échelle du laboratoire (Physique des Roches) ou in situ à l'échelle locale (Proche Surface et Hydrodynamique) et régionale (Hydrodynamique). De même, la compréhension des mesures de prospection électrique et électromagnétique (Proche Surface) en terme de contenus en eaux et de flux hydriques repose en partie sur des processus de polarisations électrique et magnétique à l'échelle des pores des sols et roches traversées (Physique des Roches). L'utilisation des meilleurs mesures et modèles des processus à l'échelle microscopique permettront d'améliorer les modèles d'écoulement aux échelles macroscopiques.

Fondamentalement, par les interactions entre les participants à ce thème, l'UMR 7516 devrait contribuer à mieux comprendre divers mécanismes de couplages et leur transfert d'échelles (électrocinétiques, hydro-élastiques, etc.) et pourra tester des applications hydrologiques (en terme de suivi de la dynamique hydrique des bassins versants et des variations de niveaux de nappe aquifère).

Apports mutuels

Ce thème profitera des progrès récents en physique des roches, en prospection géophysique, et en hydrologie. Les différents acteurs travaillant à des échelles et des approches différentes devraient profiter d'apports mutuels :

• Apports de la mécanique des fluides et de l'hydrologie classique : modélisation analogique en cuves et modélisation numérique des écoulements de fluides en milieux saturés et non saturés, et rôles des données hydrologiques
- piézométriques, tensiométriques, météorologiques, etc... -

• Apports des techniques de proche surface : observation et modélisation des paramètres associés à la présence d'eau et aux flux hydriques dans la zone vadose et dans les nappes souterraines
- magnétisme, électrocinétique, électrique, EM, géoradar -

• Apports des techniques de gravimétrie au sol et spatiale : observation et modélisation des déformations et variations de distributions de masses associées aux variations de hauteur de nappes
- géodésie GPS, gravimétrie, satellite GRACE -

• Apports de la physique des roches : observation et modélisation des paramètres associés à la présence d'eau et aux flux hydriques aux échelles des pores sur des échantillons de sols et de roches
- effets de couplages poro-élasto-électro-dynamiques -

Actions proposées

Ce thème est une nouveauté et s'inscrit sur le long terme pour des collaborations entre équipes ayant jusqu'à présent peu travaillé ensemble. Il s'agit bien d'un thème de travail et non d'un projet précis. Aussi il ne comporte pas de cahier des charges promettant des résultats précis à son terme ; celui-ci serait presque certainement irréaliste. Les objectifs pratiques se définissent d'avantage en termes de partage de connaissances et d'expériences communes.

Le partage des connaissances passe par un atelier comportant une série de séminaires, environ un tous les deux mois, dans lequel les chercheurs des différentes équipes présentent aux autres leurs travaux dans un cadre didactique. Chacun cherchera alors d'une part d'aborder les solutions que son équipe peut apporter, d'autre part les questions qu'elle se pose et à laquelle la communauté interdisciplinaire pourrait apporter des solutions. Le modèle de cet atelier est semblable à celui des deux séminaires d'un groupe de réflexion hydrologie/géophysique organisé par Jacques Hinderer en 2002 et qui a réuni des hydrologues de l'IMFSS et de l'ex-CEREG avec des géophysiciens de l'IPGS :
• 7 novembre : "Modélisation des variations spatiales et temporelles de la surface piézométrique en Alsace - Apport de la gravimétrie en hydrologie" (Laurent Longuevergne) ;
• 19 décembre : "De la modélisation hydrogéologique et de ses limites en particulier" (Philippe Ackerer).

Des expériences communes seront réalisées pour tester la complémentarité des compétences. À l'issu des ateliers permettant à chacun de mieux comprendre les questions de chacun et ses solutions à des problèmes concernant les réservoirs hydriques ou la dynamique des eaux souterraines, des petites expériences communes pourront s'engager. Ces expériences, au sens propres du terme, permettront aux équipes de tester et de mieux définir leur complémentarité. Pour commencer, nous envisageons différentes tentatives de symbiose :
• Tester l'apport de la modélisation et l'observation de l'infiltration de l'eau de pluie par prospection PS (Proche Surface) sur le site de l'observatoire gravimétrique de J9 (Dynamique Globale) pour tenter de quantifier les perturbations micro-gravimétriques causées par la pluie.
• Tester l'apport de mesures hydriques et électriques multi-échelles en milieu peu consolidés, par des mesures géophysiques et hydrologiques in situ sur le site de la Soutte dans les Vosges (Proche Surface), et par des mesures sur échantillons du même site (Physique des Roches).