Les nappes souterraines, un élément majeur du cycle de l'eau
Les eaux souterraines regroupent l’ensemble des ressources en eau qui se situent dans le sous-sol. On les trouve dans des formations rocheuses poreuses et/ou fissurées que l’on appelle « aquifères » pour désigner leur capacité à permettre l’écoulement et le stockage d’eau en leur sein [1].
Lorsqu'il pleut, l'eau pénètre le sol à travers ses pores et ses fissures. Si de la végétation est présente, elle prélève une partie de cette eau pour ses besoins de croissance. Sous l'effet de la gravité, l'eau non consommée s'infiltre dans le sous-sol par la zone non saturée jusqu'à ce qu'elle soit bloquée par une formation géologique imperméable (substratum). Elle s’accumule alors dans tous les espaces vides de l’aquifère et forme une nappe d’eau souterraine.
Un grand nombre de ces nappes sont dispersées sur notre territoire en fonction des caractéristiques des formations géologiques. À l’échelle nationale et européenne, on les décrit comme de grandes masses d’eau souterraines qui peuvent englober une ou plusieurs nappes (figure 1).
Cette ressource en eau est essentielle pour les usages humains (alimentation en eau potable principalement, mais aussi irrigation et usages industriels). Les nappes d’eau souterraine sont également indispensables à l’alimentation des milieux naturels superficiels (cours d’eau, zones humides, marais ou étangs), notamment lors des périodes d’étiage. À l’inverse, les cours d’eau peuvent également contribuer au remplissage des nappes, en plus de la pluie.
Anticiper les effets du changement climatique pour mieux s'adapter
La recharge des aquifères représente la part de la ressource en eau souterraine qui est renouvelée chaque année par l’infiltration des précipitations, des cours d’eau ou des nappes voisines. L’infiltration des eaux de pluie est le processus le plus directement affecté par le changement climatique en raison de l’augmentation des températures, de l’évapotranspiration et de l’évolution des précipitations.
La France, comme d’autres pays, a signé en 2015 le Pacte de Paris et s’est engagée à mettre en œuvre des Plans Nationaux d’Adaptation au Changement Climatique (PNACC). Dans ce cadre, le gouvernement a financé des projets de recherche pour mieux connaître les effets potentiels du changement climatique sur le cycle de l’eau et s’y préparer. Pour envisager les adaptations nécessaires, les gestionnaires d’eau souterraine ont besoin d’estimations du volume d’eau que représente la recharge, ainsi que de son évolution future.
Le Bureau de Recherches Géologiques et Minières (BRGM) a contribué à modéliser les aspects souterrains du cycle de l’eau face au changement climatique dans le cadre des projets Explore 2070 [3] puis Explore2 [4]. Ils avaient pour ambition d’étudier l’évolution de la ressource en eau en France métropolitaine, sur l’ensemble du XXIe siècle.
La modélisation numérique : quelles hypothèses ?
La modélisation de la recharge des nappes est complexe car elle dépend de nombreux facteurs tels que la météorologie, le type, l’épaisseur et la capacité de stockage en eau des sols, leur couverture végétale, leur pente et la nature des formations du sous-sol qui contrôlent la circulation des eaux souterraines. Différentes méthodes de modélisation existent, cependant, toutes ne sont pas applicables en fonction des aquifères considérés et les données ne sont pas toujours disponibles sur l’ensemble du territoire étudié.
La recharge des aquifères peut être apportée par les précipitations mais aussi par l’infiltration de l’eau des cours d’eau ou bien des apports venant d’autres aquifères. Elle est donc difficile à mesurer. De ce fait, le BRGM a opté pour un modèle (appelé « RECHARGE ») reposant sur une représentation simplifiée décrivant uniquement la recharge apportée par les précipitations. Elle s’appuie sur deux concepts différents (figure 2) :
• La pluie efficace : elle correspond à la part des précipitations qui n’est ni utilisée par la végétation pour sa croissance, ni évapotranspirée, ni stockée dans le sol et qui est donc disponible pour le ruissellement et l’infiltration. Trois méthodes de calcul décrivant la façon dont le sol génère cette pluie, à partir des données météorologiques mises à disposition par Météo France sur la grille SAFRAN (Système d'analyse fournissant des renseignements atmosphériques à la neige), ont ainsi été testées et combinées.
• La part de la pluie efficace qui s’infiltre : elle est simulée et répartie entre ruissellement et infiltration. On considère alors que cette dernière constitue la recharge potentielle, susceptible de rejoindre les nappes souterraines. Cette recharge est considérée comme potentielle car une partie de l’eau infiltrée peut revenir vers un cours d’eau sans alimenter la nappe. Afin de déterminer l'infiltration de la pluie efficace, une méthode d’estimation d’un coefficient appelé le « Ratio d’Infiltration de la Pluie Efficace (RIPE) » a été développée.
Une recharge potentielle déficitaire pour le sud de la France ?
Le BRGM a réalisé ses premières études sur la recharge potentielle des nappes sur le bassin Rhône-Méditerranée-Corse au sud-est de la France [5]. Il a ensuite consolidé ses recherches et reproduit l’exercice sur le bassin Adour-Garonne [6].
Enfin, le modèle RECHARGE a été étendu à l’échelle de toute la France [7] et soumis à des projections climatiques futures dans le cadre du projet Explore2 [4].
Il est important de comprendre qu’on ne dispose pas de mesures ni d’observations de terrain de la recharge des nappes à l’échelle de la France et qu’il n’est donc pas possible de comparer les résultats du modèle RECHARGE à d'autres valeurs. Cependant, une comparaison a été opérée avec la recharge simulée par le modèle SURFEX (Surface Externalisée) de Météo France, qui permet de décrire des processus similaires avec une approche plus complexe, qui nécessite la connaissance d’un grand nombre de paramètres. Cette comparaison a permis de vérifier que les hypothèses de RECHARGE ne conduisent pas à des résultats fondamentalement différents de ceux de SURFEX.
La mise en œuvre du modèle RECHARGE dans le cadre du projet Explore2 a donc permis de décrire l’évolution future de la recharge potentielle en utilisant des projections climatiques régionales.
Ces projections ont été construites dans le cadre du projet Explore2 et de la TRACC (Trajectoire de Réchauffement de référence pour l’Adaptation au Changement Climatique [8]), impulsés par le Ministère de la Transition écologique et de la cohésion des territoires (MTECT), pour le développement de stratégies d’adaptation au changement climatique. L’un des scénarios d’émission de gaz à effet de serre parmi les plus pessimistes nommé « RCP8.5 » par le GIEC a été exploré et plusieurs projections climatiques différentes ont été utilisées pour calculer l’évolution de la recharge potentielle. La situation future a été caractérisée en combinant ces projections et en les analysant pour différents niveaux de réchauffement (+ 2 °C, + 2,7 °C et + 4 °C par rapport à la période préindustrielle). Ces trois niveaux correspondent globalement à des horizons temporels de l’ordre de 20 ans, centrés sur les années 2030, 2050 et 2100. Pour chacun d’entre eux, les recharges potentielles moyennes ont été calculées sur des périodes de 20 ans pour le futur et de 30 ans pour la période de référence présente (1976-2005) [9]. Cette approche permet d’estimer l’impact du changement climatique, en intégrant la variabilité du climat d’une année sur l’autre sur une période suffisamment longue.
La figure 3 illustre un des résultats de ce travail et met en évidence un contraste notable entre une importante moitié nord du pays qui pourrait bénéficier d’une augmentation de la recharge potentielle, due à une augmentation des précipitations, et une moitié sud qui serait plutôt déficitaire. Ce contraste se retrouverait également dans le sud-ouest de la France où la Gironde, la Dordogne, les Charentes, les Deux-Sèvres et la Vienne bénéficieraient d’augmentations de la recharge potentielle allant de + 5 % au sud à + 15 % au nord. Le reste du territoire du sud-ouest serait soumis à des déficits de recharge potentielle de l’ordre de -5 % à -10 % qui seraient plus marqués encore dans la région pyrénéenne, où ils seraient compris entre -10 % et -15 % avec des valeurs maximales sur l’Ariège et la Haute-Garonne.
« Les déficits futurs que ces projections anticipent en termes de recharge potentiell e et qui apparaissent très probables, notamment dans la région pyrénéenne, doivent être pris en compte dès à présent par les gestionnaires des ressources en eau de ces territoires. »
Ces évolutions futures, divergentes sur le territoire national, fournissent des informations précieuses sur la tendance des transformations attendues en termes de recharge à l’horizon de la fin du siècle. Cependant, la confiance que l’on peut accorder à ces résultats est variable suivant les régions (figure 3). Le sud de la France est particulièrement affecté par ces incertitudes (liées au caractère chaotique du climat et à l'incapacité actuelle des modèles d’en simuler précisément la dynamique).
Les déficits futurs que ces projections anticipent en termes de recharge potentielle et qui apparaissent très probables, notamment dans la région pyrénéenne, doivent être pris en compte dès à présent par les gestionnaires des ressources en eau de ces territoires. Couplés à l’évolution des autres composantes du cycle de l’eau comme les débits des cours d’eau, eux aussi soumis à une diminution probable, ces résultats peuvent permettre d’anticiper des situations de tension et de questionner les usages futurs de l’eau.
Financeurs : AERMC, AEAG, OFB, MTE et les partenaires du projet Explore2.
POUR EN SAVOIR PLUS SUR LES MODÈLES CLIMATIQUES
Les scénarios d’émission du GIEC définissent l’évolution de la composition de l’atmosphère en gaz à effet de serre et en aérosols (dioxyde de carbone, méthane) au cours du xxie siècle et au-delà. Ces scénarios sont ensuite traduits en projections climatiques décrivant différents futurs possibles à une résolution de 100 à 200 km, grâce aux projections de Modèles de Circulation Globale du climat de la Terre (MCG). Des modèles climatiques régionaux, contraints par les modèles globaux à leurs extrémités, simulent ensuite le climat de manière plus détaillée sur des régions particulières du globe. Il existe plus d’une centaine de scénarios climatiques régionales qui couvrent l’Europe à une résolution de 12 km.
