AquiSeuil, un outil pour évaluer l’impact de l’effacement des seuils sur les nappes

Mieux vaut tard que jamais : près de vingt ans après la loi sur l'eau de 2006, le gestionnaire public admet que l'effacement des seuils et barrages peut avoir des effets négatifs sur le stockage de l'eau dans le sol et les nappes. A la demande de l'Office français  de la biodiversité (OFB, le Bureau des ressources géologiques et minières (BRGM) a développé un outil analytique pour obtenir une première estimation de ces conséquences. 

L’effacement ou l’arasement d’un seuil en rivière entraîne une modification du niveau d’eau et des échanges entre la rivière et la nappe d’accompagnement. Ces transformations peuvent impacter les prélèvements en eau souterraine ainsi que la préservation des milieux aquatiques et humides. Face aux incertitudes liées à ces effets, le BRGM et l’OFB ont développé l’outil AquiSeuil, une solution de modélisation permettant d’anticiper les conséquences d’un arasement de seuil sur le niveau de la nappe phréatique.

Basé sur un modèle mathématique intégré à un macro Excel, AquiSeuil simule la distribution de la charge hydraulique dans l’aquifère avant et après l’effacement d’un seuil. Il permet ainsi une première évaluation des impacts hydrauliques, facilitant la prise de décision pour les gestionnaires de l’eau et les acteurs de la restauration des cours d’eau.

L’outil a été testé sur plusieurs cas d’étude, comme l’abaissement de seuils sur le Gardon d’Anduze ou encore la suppression du barrage de Milltown aux États-Unis. Ces simulations ont permis de mieux comprendre les dynamiques souterraines et d’évaluer les conséquences sur l’alimentation en eau potable et la gestion des ressources hydriques.

Référence : Dewandel B, Lanini S, Frissant N (2024). Impact hydraulique de l’effacement d’un seuil en rivière sur la nappe d’accompagnement. BRGM/OFB.

Extraits de l'introduction du manuel sur l'état de l'art

"L’édition la plus récente de la Commission Internationale des grands barrages (2023; https://www.icold-cigb.org) contient des informations sur 51 325 grands barrages (ouvrages supérieurs à 15 m de haut). Les références mondiales sur les petits barrages (<15 m) sont plus rares, les États-Unis (USACE, 2008) ont référencé 2,5 millions de petits barrages (moins de 1,8 m de haut) et 80 000 barrages moyens (plus de 1,8 m de haut). En Europe (sans la Russie), European Rivers Network estime le nombre de petits barrages (moins de 15 m de haut) à des centaines de milliers. Dans le monde, Lehner et al. (2011) estiment qu’il pourrait y avoir plus de 16 millions de ces petits barrages. Grands ou petits, les barrages et les seuils sont donc des structures omniprésentes des systèmes fluviaux.

Ces ouvrages assurent la régulation des crues, la production d’énergie hydroélectrique, une partie de l’approvisionnement en eau douce, des activités récréatives, etc., mais de nos jours, la suppression des barrages et des seuils suscite un intérêt croissant. Cet intérêt est motivé par les impacts écologiques et sociaux de tels ouvrages, les conditions de sécurité associées au vieillissement des barrages pour éviter leur rupture et l’appréciation des valeurs sociétales liées à des rivières saines et assurer leur continuité écologique (par exemple World Commission on Dams, 2000 ; Pejchar et Warner, 2001 ; Bednarek, 2001 ; Johnson et Graber, 2002 ; Collins et al., 2007 ; Graf, 2005). Ainsi, la suppression des barrages ou des seuils est souvent considérée comme un moyen de restaurer la continuité des cours d’eau et le transport des sédiments, d’améliorer leur état au sens de la continuité écologique, de faire revenir un cadre végétal plus pastoral, mais aussi de favoriser des activités récréatives comme la pêche ou le rafting. Cependant, la suppression des barrages peut avoir des impacts écologiques négatifs à court terme en raison de l’augmentation potentielle de la charge sédimentaire dans le cours d’eau (libération subite de sédiments accumulés dans le plan d’eau), qui peut provoquer l’étouffement et l’abrasion de divers biotes et habitats, la libération de sédiments contaminés ou augmenter le risque d’inondations à l’aval (Bednarek, 2001 ; Roberts et al., 2006).

Bien que la prévision des impacts suite à la mise en place ou la suppression de barrages ait historiquement suscité l’intérêt des chercheurs depuis plusieurs décennies dans des domaines variés : régime d’écoulement des rivières, écosystèmes, transport sédimentaire, processus géomorphologiques, dynamique des nutriments, végétation riveraine (ripisylve), impacts économiques et sociaux, peu d’attention a été portée à leur impact sur les eaux souterraines (Farinacci, 2009 ; Berthelote, 2013 ; Servière, 2021 ; Li et al., 2023).

Le plan d’eau créé par le barrage génère généralement un dôme piézométrique au droit du plan d’eau (Figure 1) qui peut s’étendre sur plusieurs kilomètres en amont et en aval de ce dernier (Berthelote, 2013). Par conséquent, la suppression du barrage peut créer une baisse du niveau des eaux souterraines, réduire la productivité des puits de pompage implantés dans la nappe d’accompagnement ou les assécher, ou encore assécher les zones humides créées par la hausse du niveau de la nappe (USDA, 2010 ; Learn, 2011 ; Berthelote, 2013).

Dès lors, l’arasement ou l’effacement d’un seuil en rivière entraîne l’abaissement du plan d’eau de surface (et sa vidange) et modifie les échanges entre la rivière et la nappe. Ces changements peuvent s’avérer problématiques pour la pérennité des prélèvements en eau souterraine et/ou la pérennité des écosystèmes dépendant de l’aquifère d’accompagnement. Les fortes incertitudes sur les impacts potentiels de l’arasement d’un seuil conduisent parfois à renoncer à son arasement ou son effacement.

L’influence des plans d’eau sur les eaux souterraines et sur les interactions nappe-rivière peut être évaluée à l’aide d’observations de terrain et de modélisations numériques pour quantifier les flux d’eau souterraine, le transport de contaminants ou les effets des barrages de surface pour repousser l’intrusion d’eau salée (Girard et al., 2003 ; Constantz et Essaid, 2007 ; Ashraf et al., 2007 ; Berthelote, 2013 ; Chang et al., 2019 ; Åberg, 2022 ; Fang et al., 2022 ; Li et al., 2023). Cependant, la modélisation numérique nécessite un grand nombre d’observations sur le terrain qui ne sont pas disponibles dans la plupart des contextes. Par conséquent, dans ces cas, une approche plus simple est nécessaire pour modéliser l’impact sur les eaux souterraines lié à la suppression des barrages, qui peut être basée sur des solutions analytiques. Bien qu’un modèle analytique ne puisse pas représenter les interactions du plan d’eau ou du cours d’eau avec l’aquifère avec le même degré de détail qu’un modèle numérique, il peut s’avérer être un outil utile pour examiner l’influence de divers facteurs et obtenir des estimations en adéquation avec la quantité et la qualité des données disponibles. De plus, comme sa mise en œuvre nécessite bien moins de données qu’un modèle numérique, son application en est largement facilitée.

L’impact des fluctuations du niveau d’eau d’une rivière, d’un lac ou d’une mer sur le niveau des eaux souterraines est un problème théorique bien connu. Sa formulation mathématique conduit à un ensemble d’équations différentielles pour lesquelles des solutions analytiques peuvent être trouvées dans divers ouvrages et autres publications scientifiques. Une partie de ces solutions sont présentées au § 3. Bien que ces solutions soient développées pour des situations hydrogéologiques variées : nappes infinies à chenalisées, cours d’eau de longueur infinie, plan d’eau rectangulaire isolé, lit du cours d’eau partiellement colmaté, etc., aucune solution analytique n’a été proposée pour évaluer la répartition spatiale de la charge hydraulique induite par un plan d’eau créé par un barrage ou un seuil, ou ses modifications dues à sa suppression ou son nivellement. Pour ressembler le plus possible aux conditions d’un cas réel (Figure 1), une telle solution doit pouvoir prendre en compte à la fois les interactions « plan d’eau-aquifère » et celles entre le cours d’eau et l’aquifère en amont et en aval du plan d’eau, et le fait que les échanges ne sont pas nécessairement parfaits et identiques au niveau du plan d’eau et du cours d’eau. De plus, la solution doit également tenir compte du fait que la hauteur du niveau d’eau dans le plan d’eau varie dans l’espace."