Relations nappes rivières dans le bassin Seine-Normandie

A l’inverse, au-dessus des formations de socle (en Basse-Normandie et en Bourgogne), le sous-sol est constitué de roches plutoniques (granites s.l.) et métamorphiques (schistes, gneiss…) qui sont massives et peu perméables.

La part du ruissellement est importante et les écoulements persistent majoritairement en surface ou sub-surface ce qui explique la forte densité du chevelu des cours d’eau au-dessus de ces formations.

Les aquifères superficiels de faible extension ne constituent pas des réserves d’eau souterraine importantes et n’apportent qu’un soutien limité aux cours d’eau qui les traversent. Les cours d’eau sont alors très dépendants de la pluviométrie, leur débit est très variable selon la saison.

Dans le centre du Bassin Parisien, les cours d’eau traversent successivement les terrains imperméables (marnes et argiles) à perméables (sables et calcaires) du Tertiaire.

De nombreuses sources naissent en limite d’ affleurement des couches perméables, au contact des niveaux imperméables, et constituent l’exutoire des nappes . Les eaux superficielles s’écoulent ensuite sur les terrains imperméables avant de se réinfiltrer en aval dans des formations perméables ou de former des cours d’eau pérennes.

En l’absence de couverture imperméable, ces cours d’eau sont alors en relation avec la nappe sous-jacente qu’ils drainent. La densité du chevelu du réseau hydrographique, de faible à importante, traduit la présence de cette alternance de couches imperméables ruisselantes et perméables infiltrantes.

Plus généralement, le débit total d’un cours d’eau peut être caractérisé par la somme de deux composantes : une composante rapide correspondant au ruissellement superficiel et une composante plus lente correspondant au drainage des aquifères.

Ce dernier peut être mesuré à l’étiage, lorsque le ruissellement superficiel est minimum. En effet, dans des conditions naturelles, les rivières ne sont alimentées, pendant les périodes sans pluie, exclusivement par le drainage des aquifères.

Si l’apport principal du cours d’eau provient des nappes principales du bassin versant, le débit des cours d’eau peut être modifié le long de son parcours par des échanges avec la nappe alluviale à laquelle il est étroitement associé. Les échanges peuvent être dans les deux sens selon les états instantanés de hautes ou de basses eaux du cours d’eau ou de la nappe alluviale en un lieu donné.

Trois cas de relation hydrodynamique entre une nappe et une rivière existent :

• la nappe alimente la rivière et le niveau piézométrique est alors supérieur à l’altitude du plan d’eau
• la nappe est alimentée par la rivière et le niveau piézométrique est alors inférieur à l’altitude du plan d’eau
• absence d’échanges entre la rivière et l’ aquifère , notamment en domaine non aquifère ou lorsque le lit du cours d’eau est colmaté

Il n’existe à l’heure actuelle aucune cartographie à l’échelle du bassin ni même des régions du bassin , délimitant pour chaque cours d’eau les tronçons drainant la rivière et les tronçons en perte.

Ces trois cas peuvent se rencontrer le long d’un même cours d’eau. Pour une même portion de rivière, ces relations peuvent également changer dans le temps en fonction des substratums géologiques (passage à secteur karstifié), des conditions hydrologiques et hydrogéologiques. La nappe peut en effet alimenter la rivière en période d’étiage et la drainer en période de crue.

Des cas intermédiaires peuvent aussi se rencontrer : le cours d’eau est déconnecté de la nappe mais des échanges se font par infiltration depuis le fond de la rivière ou lorsque, en période de crue, le niveau du plan d’eau devient supérieur au niveau de la nappe et envahit une portion de zone non saturée située de part et d’autre du cours d’eau.

La prise en compte des interactions entre les eaux souterraines et les eaux de surface est importante pour leur gestion quantitative et qualitative. En effet, une nappe souterraine peut transmettre une pollution aux eaux de surface si elle est drainée par celles-ci. A l’inverse, les cours d’eau peuvent représenter une source majeure de contamination pour les eaux souterraines.

Généralement, les eaux de surface sont connectées hydrauliquement aux eaux souterraines mais les interactions sont souvent difficiles quantifier. Même si elles sont largement contrôlées par des processus naturels, les activités humaines peuvent avoir une influence sur ces relations du fait d’aménagements sur les cours d’eau ou de pompages. De forts pompages d’eau peuvent en effet entraîner une inversion du sens du gradient hydraulique.

Une synthèse bibliographique a été réalisée à ce sujet par le BRGM en 2010 (rapport BRGM/RP-57044-FR).

Elle est focalisée sur les 4 thèmes suivants :

• Relations entre la qualité d’une eau souterraine et la qualité d’une eau de surface, en particulier en période d’étiage
• Évaluation des échanges quantitatifs entre eau souterraine et eau de surface : débits échangés, contribution des nappes aux débits en étiage, en hautes eaux, lors des crues
• Impact des eaux souterraines sur les écosystèmes terrestres associés
• Impact de l’exploitation des eaux souterraines sur la qualité biologique des cours d’eau

Il s’agit d’un document de référence sur ce sujet.

Il apparait que la majorité de échanges ont lieu dans la zone d’interface entre eau souterraine et eau de surface (zone hyporhéique) dont le rôle s’avère fondamental tant du point de vue des relations quantitatives que qualitatives.

Concernant les interactions chimiques entre eau de surface et eau souterraine et le rôle de la zone hyporhéique, ce rapport aborde les mécanismes de filtration qui sont susceptibles d’atténuer les pollutions et pour chaque catégorie de substances (métaux, micro-organismes, nitrates, produits phytosanitaires et autres molécules organiques) les mécanismes d’atténuation, le rôle des paramètres physico-chimiques, la spécificité des échanges nappe -rivière. La complexité de ces interactions rend difficile la caractérisation de la relation entre la qualité d’une nappe et celle d’un cours d’eau.

Un important chapitre a été consacré aux outils d’évaluation des échanges entre eau souterraine et eau de surface, qu’ils s’agissent des outils de modélisation (modèles globaux et spatialisés pouvant intégrer le transport), des outils géochimiques, isotopiques et biologiques. Il est à noter que les travaux récents vont de plus en plus dans le sens d’une utilisation conjointe de ces outils.

Flipo et al. ont réalisé en 2013 une étude ayant pour objectif principal d’estimer les échanges nappe -rivière à l’échelle des masses d’eau cours d’eau (MECE) du bassin Seine-Normandie en contact avec des aquifères régionaux.

Pour cela, ils se sont appuyés, d’une part, sur une approche de modélisation développée dans le cadre de l’axe interfaces nappe -rivière du PIREN Seine, et d’autre part, sur différents types de modèles régionaux et locaux du Bassin de la Seine. Il s’agit d’une première étude exploratoire à l’échelle du bassin Seine-Normandie, ayant pour but de quantifier les échanges hydriques entre masses d’eau souterraines ( MESO ) et masses d’eau cours d’eau (MECE). Dans ce cadre, des indicateurs mensuels moyens ont été mis en place afin de caractériser l’incidence des échanges sur l’état des eaux du bassin .

Les résultats obtenus contribuent au rapportage de l’état des lieux de la Directive Cadre sur l’Eau ( DCE ) prévu fin 2013. Ils permettent, sous forme de données géographiques :

• par MECE, de quantifier mensuellement les débits spécifiques d’échanges entre MESO et MECE
• par MECE et sous l’hypothèse d’un transfert conservatif entre MESO et MECE, d’associer un indice de vulnérabilité à une contamination souterraine
• par MESO , de quantifier annuellement les débits d’échange entre MECE et MESO
• par MESO , d’associer un indice de vulnérabilité à une contamination provenant des MECE

NB : Si ces résultats donnent une estimation de la quantification des échanges nappes /rivières à l’échelle du bassin , ils sont en revanche à prendre avec précaution localement notamment dans les aquifères karstiques. En effet ce modèle part de l’hypothèse que le cas des nappes et rivières déconnectées est « quasiment absent du Bassin Parisien [et] correspond plutôt à des situations de climat aride où la nappe est alimentée par le réseau hydrographique ». Or ce cas est très fréquent notamment dans l’ aquifère de la craie de l’ouest du Bassin Parisien où de nombreux affluents de la Seine sont partiellement déconnectés de la nappe (cas des rivières du Commerce, de la Risle, de l’Iton, de la Charentonne, de l’Avre,…). Le fait de négliger ces déconnections sous-estime la vulnérabilité des masses d’eaux souterraines aux eaux de surface. C’est donc le cas notamment pour les masses d’eaux FRGH211, FRH212, FRH202, FRH203 où les indices de vulnérabilité sont probablement optimistes. Les résultats simulés et les indices de vulnérabilités calculés sur ces bassins versants et masses d’eaux sont donc à prendre avec précaution.

Quelques références bibliographiques :

• Gallois N., Flipo N. (2024) - Relations eaux souterraines – réseau hydrographique sur le territoire Seine-Normandie. Armines/Mines ParisTech, PSL Université (Pour l’EDL 2025)
• Fossa M., Massei N., Fournier M., Flipo N., Gallois N., Boé J., Dieppois B. (2021) - Réponses hydrologiques à des scénarisations climatiques sur le  bassin de la Seine : une approche par modification du contenu spectral des pluies sur le bassin versant en fonction des caractéristiques spectrales de la variabilité climatique à grande échelle. Normandie Univ. Mines Paris Tech : https://piren-seine.fr/rapports/rapports_annuels/rapports_dactivite_2021/reponses_hydrologiques_a_des_scenarisations
• Flipo N., Gallois N., Schuite J. (2021) - Recalibration du modèle CaWaQS-Seine pour l’analyse du fonctionnement hydrologique du bassin de la Seine. Armines/Mines ParisTech, PSL Université : https://piren-seine.fr/sites/default/files/piren_documents/rapports_dactivite_2021/a1b2_gallois_piren_2021_vf.pdf
• Labarthe B. (2016) - Quantification des échanges nappe -rivière au sein de l’hydrosystème Seine par modélisation multi-échelle. Rapport de thèse : https://pastel.hal.science/tel-01790909
• Pryet A., Labarthe F., Saleh F., Akopian M., Flipo N. (2015) - Reporting of Stream-Aquifer Flow Distribution at the Regional Scale with a Distributed Process Based Model - Modèle MECENa. Water Resour Manage (DOI 10.1007/s11269-014-0832-7). AESN – MINES ParisTech
• Flipo N., Labarthe B., Baratelli F., Pryet A. (2014) - Intégration de la dynamique des plaines alluviales. MINES ParisTech (Pour l’EDL 2013 ?)
• Flipo N., Labarthe B., Baratelli F. (2013) - Relations eaux souterraines – réseau hydrographique du bassin Seine-Normandie : Calcul des Anomalies de débit - Référence Géosciences : R141105NFLI ; Référence ARMINES : PFGING30823
• Vernoux J F., Lions J., Petelet-Giraud E., Seguin J.J., Stollsteiner P., Lalot E. (2011) – Contribution à la caractérisation des relations entre eau souterraine, eau de surface et écosystèmes terrestres associés en lien avec la DCE , rapport BRGM /RP-57044-FR, 207 p., 91 ill., 1 ann.