1 - Introduction

Le MOdèle Nord-Aquitain (MONA), initialement construit pour apporter des réponses à la problématique de l’effondrement des niveaux de la nappe de l’Eocène en Gironde, est le fruit d’un long développement, qui a commencé il y a près de 25 ans. Les différentes évolutions qui ont été apportées au modèle, notamment dans le cadre des différentes Conventions « Gestion des eaux souterraines en Région Aquitaine », signée entre l’État, la Région Nouvelle-Aquitaine et le BRGM, ont abouti à l’élaboration de plusieurs versions.

Le modèle a notamment été utilisé dans le cadre du Schéma Directeur de Gestion de la Ressource en Eau de la Gironde, puis du SAGE « Nappes profondes de Gironde », pour chiffrer les économies d’eau à réaliser et proposer des réductions de prélèvements ou des ressources de substitution. Plus ponctuellement, il a permis de simuler l’impact sur la ressource de nouveaux champs captants (CABARET et SALTEL , 2012), et a aussi servi à réaliser des simulations prospectives permettant d’évaluer les effets de différentes conditions de recharge et d’exploitation (PLATEL et al., 2010). A une échelle plus large, le modèle a été utilisé pour apporter des éléments techniques permettant d’appuyer la définition de volumes prélevables dans toutes les nappes captives du nord du Bassin aquitain (GOMEZ et al., 2010). Le modèle a également été utilisé dans le cadre du projet national « Explore 2070 », prédécesseur d’Explore2 (SALTEL et CABARET , 2012).

La version opérationnelle du modèle (MONA v3.3b) intègre aujourd’hui 15 couches aquifères (du PlioQuaternaire au Jurassique moyen), à maille carrée de 2 km de côté et couvre le sud de la Charente, la moitié sud-ouest de la Dordogne, le nord-ouest du Lot-et-Garonne, le nord des Landes et la totalité du département de la Gironde. C’est cette version qui est utilisée dans le cadre du projet Explore2.

Pour plus d’informations, le rapport (SALTEL et al., 2022) dresse l’historique de ces différentes versions, fournit les références bibliographiques correspondantes et propose une description du MONA utilisée dans le cadre de ce projet.

2 - Description du modèle

Le MONA est un modèle hydrogéologique spatialisé qui a été construit à l’aide du code de calcul MARTHE. Il calcule des niveaux de nappe dans chaque couche aquifère au pas de temps annuel sur la période 1976- 2019, période d’évaluation choisie dans Explore2.

MARTHE est un logiciel de modélisation hydrogéologique développé par le BRGM (THIÉRY , 2015) pour la modélisation des écoulements et des transports dans les milieux poreux. MARTHE intègre des aquifères simples à multi-couches et des réseaux hydrographiques. Il est conçu pour la modélisation 2D ou 3D des écoulements et des transferts de masse dans les systèmes aquifères, y compris les influences climatiques, humaines et les éventuelles réactions géochimiques. L’écoulement des eaux souterraines est calculé par une approche de volumes finis 3D pour résoudre l’équation hydrodynamique basée sur la loi de Darcy et la conservation de masse, en utilisant des grilles rectangulaires irrégulières, avec la possibilité de grilles imbriquées. Les débits des rivières sont simulés sur la base d’une approche cinématique des vagues entièrement couplée au débit des eaux souterraines. Les échanges nappe-rivière sont pris en compte dans les deux sens.

MONA est un modèle multi-couches (15 couches aquifères séparées par 15 formations non aquifères) permettant de simuler les écoulements dans les nappes présentes dans les aquifères profonds ainsi que les échanges d’eau entre ces nappes. Il couvre une superficie de 46 032 km². Ce modèle est alimenté par les précipitations dans les zones d’affleurement des aquifères (recharge) et prend en compte les prélèvements connus d’eau souterraine effectués dans les différentes nappes. Les aquifères modélisés sont ceux du Plio-quaternaire, Helvétien, Burdigalien, Oligocène, Eocène supérieur, Eocène moyen, Eocène inférieur, Campanien, Coniacien Santonien, Turonien, Cénomanien, Tithonien, Kimméridgien, Bathonien –Callovo-Oxfordien et le Bajocien.

3 - Prélèvements

Afin de restituer au mieux les variations piézométriques de chacune des nappes modélisées, il est nécessaire d’acquérir une connaissance la plus exhaustive possible des prélèvements dans les nappes. Un important travail de collecte des données de prélèvements est donc indispensable. Le MONA v3.3b utilise une base de données de prélèvements établie conjointement avec les services de l’Etat (SALTEL et al., 2022 pour une description).

En termes de nature des prélèvements, les usages agricoles (1620 ouvrages) et destinés à l’alimentation en eau potable (1125 ouvrages) sont majoritaires parmi les 3755 forages disposant d’au moins un prélèvement, pour une année, dans les aquifères représentés dans le MONA v3.3b. Plus de 80 % de ces points se situe dans les départements de la Gironde, de la Charente-Maritime et des Landes. Sur les 3 755 points de prélèvement intégrés dans le modèle, 101 se trouvent hors de l’extension du MONA, à moins de 2 km de la limite, mais ont tout de même été intégrés dans le modèle, dans la maille la plus proche. Le maillage de la version 3.3b du modèle (2 km × 2 km) ne permet pas de retranscrire au mieux les limites de réservoirs, cette opération a donc été menée pour permettre une représentation la plus exhaustive possible des prélèvements dans le modèle.

Le modèle prend en compte l’évolution des prélèvements annuels dans chacune des mailles où un prélèvement existe. L’évolution des prélèvements annuels, agrégés à l’échelle du MONA (Figure 1), montre que les aquifères de l’Oligocène et de l’Eocène moyen sont les plus sollicités. En effet, les volumes prélevés dans ces réservoirs s’élèvent à près de 20 % du volume total, pour chacun d’eux. Il apparaît que l’Oligocène est l’aquifère le plus exploité depuis les années 1990.

Figure 1 : Évolution des prélèvements dans les couches du MONA, de 1972 à 2019, tous départements confondus.

3.1 - Bilan hydrique

Le mode de calcul de la recharge, pour la période d’actualisation, est le même que celui utilisé lors des phases de calage des différentes versions du modèle, qui se sont succédées depuis 1998. Le calcul est détaillé dans (PÉDRON et al., 2015). Dans cette phase, la recharge, année par année, a été évaluée suivant les secteurs en prenant comme référence la pluie efficace annuelle moyenne de la station météorologique considérée, calculée pour la période 1972-2000 (avec une réserve utile (RU) maximale de 150 mm). A partir des valeurs de recharge du régime permanent, les valeurs, année par année, pour chaque zone d’infiltration définie lors de la phase de calage, sont obtenues par :

La localisation des zones de recharge de chaque couche du modèle, ainsi que les stations météorologiques associées, sont présentées en Figure 2. Les cinq stations météorologiques considérées (Mérignac, Bergerac, Gourdon, Cognac et Mont-de-Marsan), jugées représentatives, sont utilisées pour le calcul de la recharge dans les mailles d’affleurement. Dans le cadre d’Explore2, les chroniques temporelles d’évapotrasnpiration de référence et de précipitations issues de la réanalyse SAFRAN aux mailles correspondant à la localisation des cinq stations ont été utilisées pour ce calcul de la recharge.

Figure 2 : Localisation des zones d’affleurement du MONA v3.3b, pour chaque nappe, et source des données météorologiques, utilisées pour le calcul de la recharge

3.2 - Données observées

Le calage et la validation du modèle s’appuient sur des chroniques piézométriques de référence que le modèle doit restituer au mieux en respectant à la fois les niveaux observés, la pente, la phase et l’amplitude des variations. Ce sont au total 430 chroniques qui ont été utilisées pour le calage et la validation du modèle (SALTEL et al., 2022).

Dans le cadre d’Explore2, seule une évaluation du modèle sur la période historique de 1976 à 2019 a été effectué en tenant compte du bilan hydrique calculé à partir des forçages SAFRAN. Aucun recalage des paramètres hydrodynamiques des aquifères n’a été effectué par rapport à ses flux de bilan hydrique. Par ailleurs, cette évaluation utilise un nombre restreint de 23 piézomètres faisant partie du jeu de piézomètres de référence d’Explore2 (SAUQUET et al., 2022).  

4 - Variables simulées

Le MONA simule des niveaux de nappes au pas de temps annuel. Dans le cadre d’Explore2, et contrairement à la simulation ayant servi au diagnostic du modèle avec la réanalyse SAFRAN, les simulations climatiques ne tiennent pas compte des prélèvements. Ce choix s’est avéré nécessaire compte tenu du très fort impact des prélèvements sur les nappes profondes (avec des rabattements pouvant aller jusqu’à plusieurs dizaines de mètres sur la période historique) qui ne permet pas d’analyser l’impact du signal du changement climatique entre les périodes futures et la période historique.

5 - Performance

La Figure 3 montre les performances du MONA calculés pour les trois critères retenus pour l’évaluation des niveaux de nappe sur les 23 piézomètres issus du réseau de référence. Les biais moyens sont contenus entre -4 et 4 mètres, à l’exception de quelques piézomètres caractérisés par des biais supérieurs à 7 mètres en valeur absolue.

En terme de scores de NSEbiais et de corrélation r, le modèle présente des performances moindres. Il convient cependant de rappeler que le MONA est un modèle annuel dédié à la simulation des nappes profondes et que le calcul de ces scores se prête mal à ce type de modèle. En effet ne sont disponibles que 44 valeurs annuelles au maximum (sur la période 1976-2019 d’évaluation du modèle) à la fois simulées et observées pour chaque piézomètre pour calculer ces scores. Par ailleurs, le niveau moyen de ces nappes profondes varie peu d’une année à l’autre. L’objectif du modèle sera donc surtout de bien reproduire le niveau moyen de ces nappes profondes sur plusieurs années et de réagir aux impacts externes (prélèvements, climats) sur ces niveaux moyens.

Les prochaines versions du MONA (v3.5) ont pour objectif de se rapprocher de la surface en intégrant un réseau de rivières en surface, des interactions nappe-rivière, et des pas de temps plus fins (trimestriels, voire mensuels) (SALTEL et al., 2022).

Figure 3 : Performance constatée sur les hauteurs piézométriques simulées par MONA.

5 - Références

CABARET , O. et M. SALTEL (2012). Simulations d’impacts d’un champ captant d’une capacité de 10 et 12 millions de m3 dans l’Oligocène à l’aide du Modèle Nord-Aquitain (MONA) – Sainte-Hélène (33). Rapp. tech. BRGM/RP-61290-FR, p. 81.

GOMEZ , E., N. PÉDRON et E. BUSCARLET (2010). Utilisation du Modèle Nord-Aquitain (MONA) pour appuyer la définition des volumes prélevables dans les aquifères profonds du Nord du Bassin aquitain. Rapp. tech. BRGM/RP-57878-FR, p. 61. 7 Explore2 - Description du modèle hydrogéologique MONA

PLATEL , J. et al. (2010). Perspectives de gestion des nappes du Secondaire en Agenais-Périgord. Synthèse géologique et hydrogéologique, modélisation hydrodynamique. Rapp. tech. BRGM/RP-59330-FR, p. 217.

PÉDRON , N., J. PLATEL et B. LOPEZ (2015). Gestion des eaux souterraines en Région Aquitaine - Développements et maintenance du Modèle Nord Aquitain de gestion des nappes - Modules 4 - Année 2 - Rapport final. Rapp. tech. BRGM/RP-53659-FR, p. 96.

SALTEL , M. et O. CABARET (2012). Explore 2070 - Hydrologie souterraine - Bassin Aquitain - Ministère de l’écologie, du développement durable et de l’énergie - Armines - BRGM. Rapp. tech.

SALTEL , M. et al. (2022). Développements du MONA et maintenance des modèles régionaux de NouvelleAquitaine. Rapport final. Rapp. tech. BRGM/RP-71047-FR, p. 138.

SAUQUET , E. et al. (2022). Identification de stations hydrométriques et piézomètres pour l’évaluation des modélisations hydrologiques et hydrogéologiques. Rapp. tech. INRAE ; BRGM, p. 31. DOI : hal-03940233.

THIÉRY , D. (2015). Code de calcul MARTHE - Modélisation 3D des écoulements dans les hydrosystèmes - Notice d’utilisation de la version 7.5 (MARTHE : Modeling software for groundwater flows). Rapp. tech. BRGM/RP-64554-FR.