Le bassin des Avenelles Stratégie d’échantillonnage et analyse de données

Présentation du site

Contexte géographique

 Le bassin versant des Avenelles est un sous bassin du bassin de l’Orgeval situé dans le département de Seine et Marne à environ 70 km à l’est de Paris. Sa superficie est d’environ 46 km2 . Le bassin versant est représentatif des têtes de bassins de l’hydrosystème Seine caractérisé par une couverture agricole importante (Loumagne and Tallec, 2013). Le bassin des Avenelles fait partie du Réseau des Bassins Versants (RBV) dans le cadre de l’Observatoire de Recherche en Environnement géré par le GIS ORACLE constitué des bassins versants du Grand Morin et du Petit Morin (Fig. 2.1). Le bassin profite également des recherches du PIREN SEINE (Programme Interdisciplinaire de Recherche sur l’eau et l’environnement du bassin de la Seine) et de la FIRE (Fédération Ile-de-France de Recherche en Environnement) ainsi que des infrastructures CRITEX qui permettent des mesures haute fréquence et basse fréquence des variables hydrologiques, hydrogéologiques et biogéochimiques. Le réseau de mesure du bassin versant est constitué de stations météorologiques, de stations limnimétrique jaugées à l’exutoire de chaque sous bassin, de stations pluviométriques réparties sur tout le bassin, de piézomètres ainsi que de capteurs d’humidité du sol à différentes profondeurs (Fig. 2.2). Le bassin des Avenelles dispose de longues séries de données dont les premières ont débuté en 1962. En 2012, un dispositif expérimental de mesure hydrothermique des échanges nappe-rivière a été mis en place (Mouhri et al., 2013) dans le cadre du projet de recherche des interactions nappe-rivière étudiées sous l’angle des emboîtements d’échelle (Flipo et al., 2014), développé au sein du Piren-Seine. Ce dispositif est constitué de cinq stations de MOnitoring LOcal des échanges NAppe Rivière (MOLONARI) (Fig. 2.2). Les altitudes du bassin varient entre 80 m et 187 m avec une altitude moyenne de 148 m dont le seul accident est constitué par la butte de Doue (Loumagne and Tallec, 2013). Les altitudes sont décroissantes du nord au sud vers l’exutoire (Fig. 2.2). L’occupation du sol du bassin se décompose en 81% de terres agricoles dont la culture majoritaire est le blé suivie par le maïs, 18% de forêts et 1% de zones urbaines (Loumagne and Tallec, 2013).

Contexte climatique 

Le bassin des Avenelles est soumis à un climat océanique tempéré. Les données climatiques sont fournies par la station météorologique de Boissy le Châtel. La température moyenne annuelle de l’air est d’environ 10.67 °C, avec une moyenne mensuelle minimale de 3°C durant le mois de janvier et une moyenne mensuelle maximale de 18°C durant le mois de juillet (1970-2017) (Fig. 2.3). La pluviométrie annuelle cumulée est d’environ 635 mm (1970-2017). Les mois les plus pluvieux sont octobre, décembre, mai, et juin, les mois les moins pluvieux sont février et avril (Fig. 2.3). Chapitre 2 : Le bassin des Avenelles : Stratégie d’échantillonnage et analyse des données  Figure 2.3 : Précipitations mensuelles moyennes et températures mensuelles moyennes (Période 1970-2017, Station Boissy le Châtel) 

Contexte hydrogéologique

Bassin des Avenelles : Système aquifère multicouche

 Le bassin des Avenelles est constitué par un système aquifère multicouche composé de deux formations géologiques principales : l’Oligocène (couche supérieure) et l’Eocène supérieur (couche inférieure). L’Oligocène est constitué par des sables de Fontainebleau (Stampien supérieur), des calcaires et meulières de Brie (Stampien inférieur), des argiles et marnes vertes (Stampien inférieur). L’Eocène supérieur est constitué par des marnes supragypseuses, des calcaires de Champigny et des marnes infragypseuses du Ludien, du calcaire de Saint Ouen ainsi que des sables de Beauchamp (Mégnien, 1970) (Fig. 2.4). La plupart du bassin est couverte d’une couche de loess d’une épaisseur de 2 à 5 m environ. Cette couche représente essentiellement des dépôts éoliens quaternaires constitués de lentilles de sable et de limon peu perméables. La nappe des calcaires de Brie représente un aquifère libre et perché. Elle est alimentée par la percolation des eaux de pluie à travers les formations quaternaires limoneuses superficielles (Mégnien, 1970). La formation de Brie est hétérogène avec une profondeur qui varie entre 6 m et 10 m, elle est constituée d’une alternance de blocs de meulières. La nappe des calcaires de Champigny constitue un aquifère libre alimentée par les flancs de vallées et localement par les zones poreuses et les gouffres (Campinchi and Morisseau, 1983). Ces deux unités aquifères sont séparées par un aquitard marno-argileux. Chapitre 2 : Le bassin des Avenelles : Stratégie d’échantillonnage et analyse des données 38 Figure 2.4 : Géologie du bassin des Avenelles. Le bassin des Avenelles est constitué par deux couches principales : Les calcaires de Brie et les calcaires de Champigny séparées par un aquitard marno-argileux. 

Investigations géophysiques : Connectivité nappe-rivière 

Afin de caractériser la connectivité locale du réseau hydrographique avec l’unité aquifère sousjacente, des investigations géophysiques (sondages TDEM (sondages électromagnétiques dans le domaine temporel) et des tomographies de résistivité électrique (ERT)) ainsi que des campagnes de carottage ont été menées (Mouhri et al., 2013). Les investigations géophysiques ont été précédées par des études de reconnaissance de terrain basées sur des observations de la stratigraphie, de la morphologie et de la structure du cours d’eau. Les investigations ont été effectuées jusqu’à une profondeur de 17 m sur le plateau en s’arrêtant aux argiles vertes qui constituent le mur de la nappe de Brie et de 1 à 3 m au niveau des piézomètres de bordure de rivière (Mouhri et al., 2013). Cinq sections de rivière représentant différentes connectivités entre le cours d’eau et les aquifères ont pu être identifiées (Mouhri et al., 2013) (Fig. 2.5). Des tests de pompage ont été effectués pour caractériser les propriétés hydrodynamiques du milieu à l’échelle de chaque section. Les résultats obtenus montrent des valeurs de conductivité hydraulique qui varient entre 2 10-6 m s-1 et 5 10-4 m s-1 observées aux différentes sections. Chapitre 2 : Le bassin des Avenelles : Stratégie d’échantillonnage et analyse des données 39 Figure 2.5 : Connectivité entre le cours d’eau et les substrats géologiques illustrée sous forme de coupes géologiques (Mouhri et al., 2014) La section amont 1 drainant 10 km2 est située au niveau de la formation de Brie. La station 2 drainant 24 km2 se situe au niveau du passage de l’aquifère de Brie aux argiles vertes. Une source est présente en aval de la station. Les deux sections intermédiaires 3 et 4 sont positionnées sur les formations aquitards (argiles vertes pour la station 3 et marnes supragypseuses pour la station 4). La section 3 draine 38 km2 et la section 4 draine 40 km2 . La section 5, située à l’exutoire du bassin, est en contact avec l’aquifère le plus profond, celui du Champigny. Sur le bassin en général, les affluents amont ont un lit de rivière constitué par des matériaux silteux (station 1). La partie intermédiaire et aval est recouverte par des colluvions. L’épaisseur de colluvion augmente de la station 2 jusqu’à la station 5 (Fig. 2.6). Chapitre 2 : Le bassin des Avenelles : Stratégie d’échantillonnage et analyse des données 40 Figure 2.6 : Evolution spatiale du lit de rivière du ru des Avenelles Chapitre 2 : Le bassin des Avenelles : Stratégie d’échantillonnage et analyse des données 

 Stratégie d’échantillonnage

La mise en place d’un dispositif expérimental sur le bassin des Avenelles demeure un enjeu scientifique majeur. Ce dispositif permet de suivre l’évolution à long terme des flux échangés entre les différents compartiments du système. Le Tab. 2.1 regroupe les différentes stations présentes sur le bassin, les mesures effectuées ainsi que les périodes d’observation. Tableau 2.1: Données disponibles sur le bassin (J : journalier, H : horaire) Gestionnaires Stations Instruments Mesures Nombre Début Piren Seine Stations MOLONARI (Échanges nappe-rivière) Diver Hauteur d’eau et température (Pas de temps 15 min) 15 2012 PT100 Profil de températures au sein de la ZH à 4 profondeurs (Pas de temps 15 min) 13 Piézomètres de plateau Diver Hauteur d’eau et température (Pas de temps 15 min) 3 2012 Irstea et Fire Stations météorologiques – Rayonnement solaire global, température de l’air, vitesse du vent, humidité relative, pression atmosphérique (pas de temps horaire et journalier) 3 (1 station +2 à proximité de l’observatoire ) 1962 Stations limnimétriques Limnimètre à flotteur doublé d’un capteur à ultrasons Hauteur d’eau/ Jaugeage ponctuel (Pas de temps journalier) 7 1962 Pluviomètres Pluviomètres à augets basculeurs Lame d’eau (Pas de temps : horaire et journalier) 6 1962 Piézomètres DIVER Enregistreur de niveau de nappes OTT Orpheus Mini Hauteur d’eau (Pas de temps journalier et horaire) – J :1989 H :2006 Température (Pas de temps horaire) 9 H :2006

Mesures piézométriques 

Les niveaux piézométriques sont mesurés en continu à l’aide d’un capteur de pression  »mini-Diver » (Schlumberger Water Services) à pas de temps de 15 min. Les valeurs mesurées sont compensées de la pression atmosphérique ambiante au moyen d’une sonde  »Baro-Diver » (Schlumberger Water Services). Les niveaux piézométriques sont mesurés aussi manuellement à l’aide d’une sonde piézométrique lors des missions de terrain afin de vérifier les mesures enregistrées en continu.

 Stations MOLONARI

 Le dispositif de mesure des échanges nappe-rivière est déployé sur une longueur de 6 km de réseau hydrographique. Chaque section (Fig. 2.5) est instrumentée par une station locale de monitoring hydro-thermique MOLONARI (MOnitoring- LOcal des échanges NAppe-RIvière) (Fig. 2.7). Le jeu de données fourni par les enregistrements hydro-thermiques au droit des stations MOLONARI permet d’étudier les variations spatio-temporelles du profil thermique au sein de la ZH en fonction des facteurs Chapitre 2 : Le bassin des Avenelles : Stratégie d’échantillonnage et analyse des données 42 hydroclimatiques enregistrés par les autres instruments cités dans le tableau 2.1. De plus, ce grand jeu de données fournit toutes les données nécessaires pour réaliser un modèle 2 D des 5 sections transversales. Grâce à ces données, il est possible de calibrer les paramètres hydrothermiques comme expliqué dans le chapitre 1 (Section 1.4.2.1) et quantifier les flux d’eau et de chaleur à l’interface nappe rivière. Ce travail est réalisé dans le chapitre 4. Les stations MOLONARI occupent une section d’environ 3 à 4 m de profondeur et 5 à 7 m de large, perpendiculaire au sens d’écoulement du cours d’eau. Chaque station est construite autour d’un système de mesure de variables hydrogéophysiques (température et pression) et comprend : Deux piézomètres de bordure situés sur chaque berge, équipés par des capteurs mini-Diver de température et de pression avec enregistreur à pas de temps 15 min. Les piézomètres de berge sont situés à des distances de moins de 5 mètres du ru. Une sonde de température et de niveau d’eau enregistre la température et la pression de la colonne d’eau du cours d’eau au pas de temps de 15 min. Deux dispositifs de mesure de profils verticaux de température implantés au niveau de chaque berge de rivière sur une profondeur de 40 à 60 cm avec une discrétisation de 10 à 20 cm. La mesure automatique de la température est réalisée grâce aux sondes reliées à des enregistreurs HOBO avec un pas de temps de 15 min. Une grande de partie de l’année 2016 a été consacrée à remettre en route ce dispositif expérimental qui s’est arrêté vers la fin de l’année 2015 par défaut d’étanchéité des boites qui contiennent les enregistreurs de température reliés aux sondes. Au final, nous avons réussi à développer nos propres boites qui résistent à l’eau afin d’assurer l’étanchéité du dispositif même pour de fortes crues comme celles du mois de juin 2016.