Analyse fonctionnelle par traitement du signal et approche ...

Analyse fonctionnelle par traitement du signal et approche hydrochimique des aquifères du

nord de la Réunion Rapport final

BRGMRP-57955-FR Mai 2010

Analyse fonctionnelle par traitement du signal et approche hydrochimique des aquifères du nord de la Réunion

Rapport final

BRGMRP-57955-FR Mai 2010

Étude réalisée dans le cadre des projets de Service public du BRGM 2008 PSP08REU07

B. AUNAY, M. GENEVIER, B. LADOUCHE, JC. MARECHAL

Vérificateur :

Nom : SEGUIN Jean-Jacques

Date : 16/02/2010

Original signé

Approbateur :

Nom : NEDELLEC Jean-Louis

Date : 16/04/2010

Original signé

Le système de management de la qualité du BRGM est certifié AFAQ ISO 9001:2000. I

M 003 - AVRIL 05

Mots clés : Réunion, hydrogéologie, ressource en eau, aquifère d'altitude, aquifère côtier, alimentation en eau potable, Irrigation du Littoral Ouest, marée, TEMPO, modélisation globale, hydrologie, volcanologie, Salazie, tunnel En bibliographie, ce rapport sera cité de la façon suivante : AUNAY B., GENEVIER M., LADOUCHE B., MARECHAL JC. (2010) - Analyse fonctionnelle par traitement du signal et approche hydrochimique des aquifères du nord de la Réunion. BRGMRP-57955-FR. 190 p. © BRGM, 2010, ce document ne peut être reproduit en totalité ou en partie sans l’autorisation expresse du BRGM.

Analyse fonctionnelle

BRGMRP-57955-FR– Rapport final 3

Synthèse

Dans le cadre d’une convention de Recherche et Développement, le BRGM est intervenu en partenariat avec l’Office de l’eau sur le fonctionnement des aquifères du Nord de la Réunion. Au-delà du fonctionnement hydrodynamique d’un aquifère côtier en milieu volcanique jeune, la problématique devait intégrer l’actuel creusement de la Galerie Salazie Amont (GSAM), dernier tronçon de l’ambitieux projet du transfert des eaux d’Est en Ouest de la Réunion. D’importantes venues d’eau souterraines ont été rencontrées au cours de la progression du tunnel, engendrant des problèmes techniques d’avancement du chantier et des questionnements d’ordre hydrogéologique.

Après avoir synthétisé les données géologiques et hydrogéologiques disponibles (Banque de Données du Sous-Sol, rapports d’étude, publication), la méthodologie d’étude retenue repose :

> sur le traitement du signal des données de l’Office de l’eau (projet ECSHY) : 19 points ont été traités dans le domaine temporel et fréquentiel (logiciel Tempo du BRGM). Cette approche permet d’identifier trois fonctionnements différents matérialisés par trois types de réponses des forages aux précipitations. La distinction entre transfert de masse et de pression (notamment mise en évidence de transferts par "effet piston" et confirmation de l'existence de milieux à double porosité) a pu aussi être étudiée à partir d’un point suivi en conductivité ;

> sur la modélisation globale réalisée pour trois chroniques piézométriques au comportement différent. Le fonctionnement des hydrosystèmes a été reproduit et il a été montré que la pluviométrie était le facteur principal à l’origine des variations de charges observées. L’impact du rejet des eaux d’exhaure du creusement de la galerie dans la Rivière des Pluies sur les aquifères du secteur ZEC / Chaudron (augmentation de charge hydraulique par phénomène de recharge artificielle a été démontrée ;

> sur l’analyse de données hydrochimiques. Cette dernière a conduit à distinguer différents faciès d’eau dont un faciès d’eau évoluée au sein de la GSAM et un faciès d’eau moins évoluée (aquifère littoraux, GSAM et certaines sources). La coexistence des ces eaux permet de proposer un premier modèle de fonctionnement des aquifères du Nord de la Réunion ;

> La modélisation analytique des venues d’eau dans la Galerie Salazie Amont conforte le modèle conceptuel hydrogéologique proposé.

Ce modèle conceptuel hydrogéologique en contexte volcanique récent repose sur la coexistence des modèles hawaïens et canariens en fonction de l’échelle d’observation. Il intègre les différentes approches utilisées dans le cadre de cette étude et permet de mieux appréhender l’impact du creusement de la Galerie Salazie Amont sur les aquifères littoraux.



Sommaire

1. Introduction ....................................... ................................................................... 13

1.1. PRESENTATION ............................................................................................ 13

1.2. OBJECTIFS .................................................................................................... 14

1.3. CONTEXTE SPECIFIQUE : LE PROJET DE BASCULEMENT DES EAUX.... 14 1.3.1. Intérêt régional ....................................................................................... 14 1.3.2. Galerie Salazie amont ............................................................................ 16

2. Synthèse géologique et hydrogéologique ............. ............................................ 19

2.1. PRESENTATION DE LA ZONE D’ETUDE ...................................................... 19

2.2. GEOLOGIE DE LA ZONE D’ETUDE............................................................... 22 2.2.1. Données disponibles .............................................................................. 22 2.2.2. Coupe géologique .................................................................................. 25

2.3. FACTEURS INFLUENÇANT LA PIEZOMETRIE DE LA ZONE D’ETUDE....... 29

3. Description qualitative des données disponibles.... .......................................... 31

3.1. PIEZOMETRIE................................................................................................ 31

3.2. PLUVIOMETRIE.............................................................................................. 36

3.3. NIVEAU MARIN .............................................................................................. 37 3.3.1. Données marégraphiques de l’étude...................................................... 37

3.4. DONNEES COMPLEMENTAIRES.................................................................. 40 3.4.1. Conductivité ........................................................................................... 40 3.4.2. Evapotranspiration (ETP) ....................................................................... 40 3.4.3. Précision des appareils de mesure......................................................... 41

4. Analyse fonctionnelle des aquifères du nord de la R éunion par traitement du signal ............................................. ....................................................................... 43

4.1. METHODES D’ANALYSE QUANTITATIVE..................................................... 43 4.1.1. Cadence pratique d’échantillonnage ...................................................... 43 4.1.2. Analyses par traitement du signal........................................................... 43


6 BRGMRP-57955-FR – Rapport final

4.1.3. Logiciel de traitement ............................................................................. 44

4.2. ANALYSES PAR TRAITEMENT DU SIGNAL : RESULTATS.......................... 45 4.2.1. Pondération des pluies ........................................................................... 45 4.2.2. Analyse corrélatoire simple (autocorrélation) .......................................... 47 4.2.3. Intercorrélation pluie – piézométrie......................................................... 53 4.2.4. Intercorrélation niveau marin – piézométrie ............................................ 58 4.2.5. Intercorrélation de la piézométrie et de la pluviométrie avec la conductivité

(approche du transfert de masse)........................................................... 66

4.3. INTERPRETATION GLOBALE DE L’ANALYSE PAR TRAITEMENT DU SIGNAL ........................................................................................................... 74

4.4. APPORT DU CONTEXTE DES OUVRAGES POUR LA COMPREHENSION DES PHENOMENES OBSERVES .................................................................. 76

5. Modélisation globale des aquifères du nord de la Ré union .............................. 81

5.1. PRINCIPE DE LA MODELISATION AVEC TEMPO ........................................ 81

5.2. MODELISATION DES SERIES TEMPORELLES ............................................ 83 5.2.1. Choix des chroniques piézométriques modélisées ................................. 83 5.2.2. Paramètres des modélisations ............................................................... 83 5.2.3. Modélisation de S1 ZEC (réponse rapide) .............................................. 84 5.2.4. Modélisation de Duparc (réponse hybride) ............................................. 85 5.2.5. Modélisation de Chèvres inférieure (réponse lente)................................ 86

5.3. INTERPRETATION DES RESULTATS DE LA MODELISATION .................... 87

5.4. CARACTERISATION DU FONCTIONNEMENT HYDROGEOLOGIQUE DU SECTEUR « PIEZOMETRE S1 PUITS DU CHAUDRON » ............................. 88 5.4.1. Contexte................................................................................................. 88 5.4.2. Traitement préparatoire à la modélisation globale .................................. 91 5.4.3. Caractérisation du fonctionnement hydrogéologique par modélisation

globale.................................................................................................... 93

6. Apport de l’approche géochimique................... .................................................. 99

6.1. CONTEXTE ET APPROCHE METHODOLOGIQUE........................................ 99

6.2. DONNEES DISPONIBLES. ........................................................................... 100

6.3. CARACTERISATION GEOCHIMIQUE DES EAUX DU SECTEUR D’ETUDE101 6.3.1. Informations apportées par le diagramme binaire Na vs Cl................... 101



6.3.2. Informations sur les phénomènes de pollution, de mélange et de dénitrification........................................................................................ 105

6.3.3. Informations sur les interactions eau-roche .......................................... 113 6.3.4. Apport des analyses isotopiques réalisées dans le cadre du projet ECSHY119

7. Analyses des venues d’eau dans la galerie Salazie-a mont............................. 125

7.1. DESCRIPTION DES VENUES D’EAU .......................................................... 125

7.2. VARIATIONS DES VENUES D’EAU ............................................................. 126

7.3. APPORT DU FORAGE SLP2........................................................................ 128

7.4. MODELISATION ANALYTIQUE DES VENUES D’EAU................................. 130 7.4.1. Théorie................................................................................................. 130 7.4.2. Application ........................................................................................... 133

7.5. TARISSEMENT DES VENUES D’EAU ......................................................... 136 7.5.1. Principe ................................................................................................ 136 7.5.2. Galerie de Salazie-Amont..................................................................... 137

7.6. IMPLUVIUM DE LA GALERIE....................................................................... 138

8. Discussion et caractérisation du fonctionnement des hydrosystèmes de la zone d’étude ....................................... ................................................................ 141

8.1. SYNTHESE GLOBALE DE L’ANALYSE FONCTIONNELLE......................... 141

8.2. CARACTERISATION DU FONCTIONNEMENT DES HYDROSYSTEMES DE LA ZONE D’ETUDE ...................................................................................... 145

8.3. INTEGRATION DES RESULTATS HYDROCHIMIQUES ET HYDRODYNAMIQUES SUR LA GSAM ........................................................ 147

8.4. IMPACT DU CREUSEMENT DE LA GSAM SUR LES AQUIFERES DU NORD DE LA REUNION .......................................................................................... 148

9. Conclusions ........................................ ............................................................... 153

9.1. PRINCIPAUX RESULTATS........................................................................... 153

9.2. PERSPECTIVES........................................................................................... 155

10. Bibliographie ...................................... ......................................................... 159



Liste des illustrations

Illustration 1 - Tracé des galeries du projet de transfert des eaux .............................................. 16

Illustration 2 – Profil topographique du secteur d’étude (carroyage 5km)................................... 20

Illustration 3 - Carte géologique au 1/100 000 de la zone d'étude (fond géologique : Europe, Région de la Réunion, Université de la Réunion et BRGM, 2006)................................ 21

Illustration 4 - Localisation des coupes géoélectriques (N, O, P, Q, R) et des coupes géoélectriques interprétatives (T1 et T2) de la campagne géophysique de 1988 ...................... 24

Illustration 5 - Coupes géoélectriques interprétatives de la campagne de géophysique de 1988........................................................................................................................................ 24

Illustration 6 - Tracé de la coupe géologique............................................................................... 26

Illustration 7 – Caractéristiques des ouvrages utilisés lors le traitement du signal ..................... 33

Illustration 8 - Description qualitative des chroniques piézométriques........................................ 34

Illustration 9 - Implantation des piézomètres et du marégraphe suivis par l'Office de l'Eau et des pluviomètres utilisés dans l'étude ............................................................................ 35

Illustration 10 - Description des chroniques pluviométriques ...................................................... 36

Illustration 11 - Marégraphe de Sainte-Marie (instrumentation Office de l’eau).......................... 37

Illustration 12 - Comparaison des chroniques de marée de Pointe des Galets et de Sainte-Marie ................................................................................................................................ 39

Illustration 13 - Mise en évidence des phénomènes périodiques caractérisant la marée........... 39

Illustration 14 - Précision des appareils de mesure des données exploitées.............................. 41

Illustration 15 - Résultats des pondérations des chroniques de pluie ......................................... 46

Illustration 16 - Autocorrélation de la chronique du marégraphe - Mise en évidence du phénomène d'étale ...................................................................................................................... 48

Illustration 17 - Exemple de deux analyses corrélatoires simples sur une chronique pluviométrique ............................................................................................................................. 49

Illustration 18 - Résultats des analyses corrélatoires simples sur les chroniques piézométriques. ........................................................................................................................... 50

Illustration 19 - Exemples d'analyses corrélatoires simples des piézomètres au pas de temps journalier et au pas de temps horaire. .............................................................................. 52

Illustration 20 – Schéma conceptuel réponse impulsionnelle issue des corrélogrammes croisés pluie-charge..................................................................................................................... 55

Illustration 21 - Synthèse des résultats de l'intercorrélation pluie/piézométrie........................... 56

Illustration 22 - Corrélogrammes croisés issus de l'intercorrélation pluie/piézométrie................ 57

Illustration 23 - Exemple de périodogramme : F2 Gillot .............................................................. 61



Illustration 24 - Densité spectrale de puissance relative de Grand-Prado (forage exploité)........................................................................................................................................61

Illustration 25 - Résultats de l'intercorrélation niveau marin – piézométrie. Apparaissent en gris les forages exploités et en vert les forages influencés par la marée ...............................62

Illustration 26 - Localisation des ouvrages dont la piézométrie est influencée par la marée. ..........................................................................................................................................63

Illustration 27 - Calcul de la diffusivité à partir des données de déphasage des signaux de marée ......................................................................................................................................64

Illustration 28 - Chronique de conductivité du forage P22 Les Cocos.........................................66

Illustration 29 - Comparaison des chroniques brutes de piézométrie et de conductivité du forage appoint ZEC. ................................................................................................................67

Illustration 30 - Corrélogramme croisé entre la piézométrie et la conductivité du forage appoint ZEC .................................................................................................................................68

Illustration 31 - Corrélogramme croisé entre la pluviométrie de Chaudron et la conductivité d'Appoint ZEC ..........................................................................................................68

Illustration 32 - Chroniques de débits, conductivité et température des sources du Chaudron......................................................................................................................................71

Illustration 33 – Schéma conceptuel des mécanismes de recharge observés à la cascade du Chaudron et sur le point Appoint ZEC......................................................................73

Illustration 34 - Synthèse des résultats des analyses par traitement du signal ...........................74

Illustration 35 - Mise en évidence du lien entre le comportement des ouvrages et la position de leurs crépines. ...........................................................................................................77

Illustration 36 – Relations entre les temps de réponse et la profondeur des crépines................78

Illustration 37 – Corrélations entre le temps de transfert et différentes caractéristiques des ouvrages................................................................................................................................79

Illustration 38 - Corrélations entre altitude des ouvrages et profondeur des crépines (toit, mur et moyenne) ..................................................................................................................80

Illustration 39 - Organigramme d’un modèle de transfert non-linéaire (Pinault, 2007). ...............82

Illustration 40 - Paramètres des modélisations ............................................................................83

Illustration 41 - Résultat de la modélisation de la piézométrie de S1 ZEC..................................84

Illustration 42 - Réponse impulsionnelle simulée pour S1 ZEC...................................................84

Illustration 43 - Résultat de la modélisation de Duparc ...............................................................85

Illustration 44 - Réponse impulsionnelle de Duparc ....................................................................85

Illustration 45 - Résultat de la modélisation de Chèvres inférieure..............................................86

Illustration 46 - Réponse impulsionnelle de Chèvres inféireure...................................................86

Illustration 47 - Evolution de la pluviométrie et du niveau piézométrique de l’ouvrage Chaudon (12264X0061/P) depuis le 15/10/1999.........................................................................89

Illustration 48 - Evolution du débit de la Rivière des Pluies à Domenjod (station ORE n°21101), Amont. ................................... ......................................................................................90



Illustration 49 - Evolution de la pluviométrie et de la piézométrie des sites Chaudron et Duparc depuis 1999..................................................................................................................... 91

Illustration 50 - Schéma de principe de l’outil « réponse impulsionnelle ».................................. 92

Illustration 51 - Evolution de la piézométrie de Chaudron (mesurée et reconstituée) ................ 92

Illustration 52 - Seuil de pluie efficace (Omega) et réponse à la pluie et à l’ETP. ...................... 94

Illustration 53 - Résultat du modèle de transfert de Chaudron en considérant la connection hydraulique « Débit d’infiltration » de la zone aval de la Rivière de Pluie. ............... 96

Illustration 54 - Résultat du modèle de transfert de Chaudron en considérant la connection hydraulique « Débit de rejet de la galerie de Salazie » dans la Rivière de Pluie. ............................................................................................................................................ 96

Illustration 55 - Evolution de la piézométrie moyenne de la nappe littorale à l'étiage (Office de l’eau, 2009) ................................................................................................................. 97

Illustration 56 - Carte de localisation des points d’eau considérés dans cette étude................ 100

Illustration 57 - Teneurs en Na et Cl des eaux du secteur d’étude ........................................... 104

Illustration 58 - Principaux fertilisants et amendements utilisés en agriculture à La Réunion...................................................................................................................................... 106

Illustration 59 - Evolution des teneurs en nitrate des eaux du secteur d’étude en fonction des concentrations en chlorure.................................................................................... 107

Illustration 60 - Evolution des teneurs en Cl et NO3 et de la piézométrie de l’ouvrage 12264X0016 sur la période 1999-2008 ..................................................................................... 108

Illustration 61 - Evolution des teneurs en sulfate des eaux du secteur d’étude en fonction des concentrations en chlorure.................................................................................... 110

Illustration 62 - Evolution des teneurs en sulfate des eaux du secteur d’étude en fonction des concentrations en nitrate....................................................................................... 111

Illustration 63 - Evolution des teneurs en nitrate des eaux du secteur d’étude en fonction des concentrations en potassium ................................................................................ 112

Illustration 64 - Evolution des teneurs en sodium des eaux du secteur d’étude en fonction des concentrations en silice......................................................................................... 115

Illustration 65 - Evolution des teneurs en magnésium des eaux du secteur d’étude en fonction des concentrations en silice......................................................................................... 117

Illustration 66 - Evolution des teneurs en Carbone Minéral Total dissous (CMTD) des eaux du secteur d’étude en fonction des concentrations en calcium........................................ 119

Illustration 67 - Evolution des rapports δ2H en des eaux du secteur d’étude en fonction des rapports en δ18O (données Office de l’eau – E. Nicolini).................................................... 121

Illustration 68 – Bassins versants de surface – secteur du forage les Cafés............................ 123

Illustration 69 – Altitudes de recharge (m NGR) selon le gradient Grünberger (1989) et selon les stations spécifiques à l’étude Office de l’eau (Etude ECSHY - Nicolini & Morgenstern, 2009) ................................................................................................................... 124

Illustration 70 - Evolution du débit total des venues d’eau dans la galerie Salazie-Amont en fonction du temps ................................................................................................................. 126

Illustration 71 - Evolution des venues d’eau, des précipitations à la station Plaine des Fougères et de l’avancement de la galerie................................................................................ 127



Illustration 72 - Corrélogramme croisé pluie – débit d’exhaure .................................................127

Illustration 73 - Coupe hydrogéologique schématique transverse à la galerie au PM 3000 ...........................................................................................................................................128

Illustration 74 - coupe hydrogéologique longitudinale simplifiée de la galerie au PM 2935 ...........................................................................................................................................130

Illustration 75 - Tunnel foré en zone homogène (a) flux spécifiques non-uniformes résultant du forage progressif (b) Débit transitoire Q(t) selon l’équation (3) avec un maximum à t = L/v......................................................................................................................131

Illustration 76 - Tunnel foré en milieu hétérogène. Paramètres des tronçons et coordonnées locales d’avancement (modifié d’après Perrochet et Dematteis 2008) ...............133

Illustration 77 - tableau des caractéristiques des tronçons........................................................133

Illustration 78 - Tableau des paramètres hydrodynnamiques utilisés dans la modélisation ...............................................................................................................................134

Illustration 79 - (a) Comparaison de l’avancement observé et de l’avancement pris en compte dans la modélisation (b) Comparaison des débits simulés et observés .......................135

Illustration 80 - Débits simulés dans le tunnel. Comparaison (modifié d’après Maréchal, 1998) ..........................................................................................................................................136

Illustration 81 - Calcul du temps tlim au-delà duquel la surface piézométrique est atteinte pas le cône de rabattement dans le cas de la galerie de Salazie-Amont .....................137

Illustration 82 - Valeurs annuelles des composantes du bilan hydrologiques mesurées et calculées entre 2001 et 2003 à la station météorologique de Plaine des Fougères (d’après Antea)...........................................................................................................................140

Illustration 83 - Résultats des bilans hydrologiques annuels sur le bassin versant expérimental de la ravine Mère Canal, Plaine des Fougères (Office, 2009) .............................140

Illustration 84 - Modèle conceptuel des aquifères volcaniques (Join et al., 2005) ....................150

Illustration 85 – Schéma conceptuel du secteur d’étude ...........................................................151



Liste des annexes

Annexe 1 Coupes géologique et hydrogéologique de la zone d’étude .................................... 163

Annexe 2 Synthèse des informations hydrogéologiques des forages suivis par l’Office de l’eau ...................................................................................................................................... 167

Annexe 3 Le phénomène de marée (d’après Lefèvre, 2000)................................................... 169

Annexe 4 Analyse des données par traitement du signal sous Tempo (Pinault, 2007)........... 171

Annexe 5 Détermination de la composante lente des chroniques piézométriques modélisées sous Tempo............................................................................................................ 179

Annexe 6 Données hydrochimiques......................................................................................... 181

Annexe 7 Courbes des chroniques piézométriques................................................................. 189

Informations relatives à la lecture du document

BSS Banque de Données du Sous-Sol du BRGM

ECSHY Etude des Circulations des Systèmes HYdriques (pilotée par l’Office de l’Eau Réunion)

ESO eau souterraine

ESU eau de surface

ILO irrigation du Littoral Ouest

GSAM galerie Salazie amont

GSAV galerie Salazie aval

ZNS zone non saturée

Les phases géologiques mentionnées dans le texte (phase I à IV) proviennent toutes de la nomenclature de la carte géologique de la Réunion (Billard, 1974).



1. Introduction

1.1. PRESENTATION

Depuis plusieurs dizaines d'années, des données hydrométriques sont acquises par l'Office de l'Eau sur les aquifères du Nord de la Réunion, entre les communes de Saint-Denis et de Sainte-Suzanne. Ce suivi a été optimisé dans le cadre du projet traitant de l'Etude des Circulations des Systèmes Hydriques (ECSHY) piloté par l'Office de l'Eau Réunion. Le projet ECSHY a pour objectif de quantifier les éventuels impacts du creusement de la galerie du transfert des eaux (Galerie Salazie amont) sur les aquifères localisés à proximité du littoral.

Cependant, l'ordre de grandeur de variations attendu en cas d'impact du creusement du tunnel est bruité par de nombreuses influences.

Les variations de charge hydraulique d'un aquifère côtier résultent d'une combinaison complexe de différents signaux d'entrée. Si les signaux "basse fréquence" sont souvent bien connus (prélèvement anthropique, recharge par les précipitations…), l'identification des signaux "haute fréquence" (marée terrestre ou marine, pression barométrique…) nécessite des données de qualité et un traitement numérique spécifique.

Ce traitement, de type analyse fonctionnelle, a pour objectif la "déconvolution » du signal piézométrique ; c'est-à-dire sa décomposition en signaux élémentaires significatifs, notamment pour les « hautes fréquences »; il s'inscrit dans un cadre théorique que l'on appelle en hydro(géo)logie : « analyse fonctionnelle des hydrosystèmes ou analyse systémique ».

Le traitement du signal peut aussi être appliqué aux données climatologiques, ainsi que sur les variations de conductivité. Le logiciel utilisé dans cette étude pour un tel objectif est le logiciel Tempo du BRGM, utilisé depuis de nombreuses années pour traiter des séries temporelles aussi bien hydrologiques (niveaux de nappe, débits de cours d'eau) qu'hydrochimiques.

Désormais, tant d’un point de vue quantitatif que d'un point de vue qualitatif, les données acquises sur cette zone permettent d'envisager une analyse fonctionnelle du système dont les objectifs seront définis ci-dessous.



1.2. OBJECTIFS

Les données acquises sur le secteur d’étude permettent désormais d'envisager une analyse fine de la piézométrie du système dans le cadre de la convention Recherche et Développement établie entre l’Office de l’eau Réunion et le BRGM (signature le 15/12/2008). Cette analyse sera conduite suivant les axes méthodologiques définis ci-dessous :

> Synthèse géologique et hydrogéologique des données du secteur d’étude ;

> Détermination de l'influence de la mer, de l'impact du creusement de la galerie et des autres signaux d'entrées (pression barométrique, prélèvements, apport à la nappe par l'amont, précipitations…) sur les différentes formations géologiques aquifères ;

> Compréhension des signaux contrôlant la distributio n et l’évolution des charges hydrauliques : étude des phénomènes hydrogéologiques observés au cours du creusement de la GSAM (chroniques de débit, tarissement, rabattement, évolution physico-chimique…) ;

> Différenciation et quantification relative des sign aux d'entrées du système (modélisation des séries temporelles pour les différents signaux d’entré du système).

> Développement méthodologique afin d’affiner la pertinence des résultats. Les axes de réflexion s’oriente vers (i) la relation transfert de pression / transfert de masse, (ii) l’intégration des récents résultats de datations d’eau et (iii) le déterminisme de l’information géologique fine au regard de la connaissance hydrogéologique.

1.3. CONTEXTE SPECIFIQUE : LE PROJET DE BASCULEMENT DES EAUX

1.3.1. Intérêt régional

La Réunion présente une pluviométrie importante et spatialement disparate. L’inégalité de cette répartition se retrouve principalement de part et d’autre d’un linéaire NNW-ESE divisant la côte au vent à l’Est (très arrosée : 2000 à 9000 mm/an) de la côte sous le vent à l’ouest (moins arrosée : < 1000 mm/an) et dans le temps (saison des pluies de décembre à avril et la saison sèche de mai à novembre).



Afin de pallier cette inégale répartition et pour soutenir les besoins croissants en eau, un projet de basculement des eaux d’est en ouest a été élaboré. Il a été initié en 1983 et a pour objectifs :

> l’irrigation des terres agricoles dans l’Ouest ;

> la réalimentation de la nappe de la Rivière des Galets ;

> l’amélioration de la desserte en eau potable des communes de l’Ouest.

Le transfert des eaux permettra ainsi de développer l’agriculture (notamment la culture de la canne à sucre) sur la côte ouest, celle-ci étant concentrée sur la côte au vent.

Ce projet est cofinancé par l’Union Européenne, l’Etat et le Conseil Général de la Réunion. Les travaux ont commencé en 1989 par le creusement de la galerie de Mafate qui est d’ores et déjà en service (Illustration 1).



Illustration 1 - Tracé des galeries du projet de transfert des eaux

L’eau issue du transfert et acheminée vers l’ouest est stockée dans le réservoir de Mont-Repos, situé dans les hauts de Saint Paul. D’une capacité de 50 000 m3, il fait office de « tampon » entre les ouvrages de transfert et ceux de distribution. Lorsque l’ensemble des galeries sera mis en service, 65 millions de m3 d’eau par an pourront être transférés de l’est vers l’ouest par les 30 km de galerie réalisés.

1.3.2. Galerie Salazie amont

Elle débute dans la partie amont de la Rivière des Pluies vers le cirque de Salazie et devrait rejoindre la prise des Fleurs Jaunes et celle de la Rivière du Mât. Elle traverse au droit de la partie haute de la Planèze de Sainte-Marie dans le secteur de la Plaine des Fougères.

La galerie Salazie amont, dont les travaux ont débuté en 1998, est en cours de creusement. D’importantes venues d’eau (environ 30-40 bars de pression avec des débits supérieurs à 600l/s – Rousseau et al., 2008) ont freiné les travaux et interrompu le creusement au tunnelier en octobre 2001. La galerie a par la suite été creusée de manière traditionnelle (explosif). Le tunnelier est de nouveau en service depuis-mi-



juillet 2009 et a progressé de plus de 2000 mètres environ depuis sa remise en service.

La géologie rencontrée au niveau des galeries Salazie amont et Salazie aval indique la prédominance des terrains de phase II d’édification du Piton des Neiges, caractérisée par des alternances classiques de laves, scories et grattons dont une partie est zéolitisée. Les terrains sont recoupés par de nombreux dykes et quelques paléovallées. Le pendage de ces formations correspond à la surface d’écoulement des laves : une dizaine de degrés vers le Nord.

Les venues d’eau principales sont interceptées au contact de ces dykes qui compartimentent les systèmes aquifères (SOGREAH et ANTEA, 2005). Ces intrusions plus ou moins verticales (50% sont perpendiculaires aux axes des galeries) présentent toujours les mêmes caractéristiques :

> une première face saine ;

> une face altérée, au contact de laquelle se font les venues d’eau, présentant une structure en grattons.

Les principales venues d’eau sont ponctuelles mais à fort débit. Des séries de mesures effectuées par le groupement BRL / SCP / SECMO de 2002 à 2004 ont montré que la diminution identifiée des débits suit une courbe asymptotique. Ce phénomène traduit une vidange assez lente du système aquifère.

L’alimentation des venues d’eau rencontrées dans la galerie se fait, entre autre, à partir de l’infiltration des précipitations de la partie haute de la Planèze de Sainte-Marie dans la zone de la Plaine des Fougères (SOGREAH et ANTEA, 2005). Les temps de circulation ne sont pas encore complètement définis (datations des eaux Office de l’eau, dans le cadre du projet ECSHY – Université de la Réunion en cours de réalisation).



2. Synthèse géologique et hydrogéologique

2.1. PRESENTATION DE LA ZONE D’ETUDE

La zone d’étude est comprise entre la rivière des Pluies à l’Ouest, la rivière Sainte-Suzanne à l’Est et se prolonge au Sud jusqu’au rempart du cirque de Salazie (Plaine des Fougères, Piton Bé Masoune, Piton Plaine des Fougères). La morphologie générale du secteur d’étude est celle des pentes externes d’un volcan bouclier. Deux zones peuvent être distinguées (Illustration 2) :

> La zone littorale entre la côte océanique et l’altitude 250m NGR environ ;

> La planèze amont qui correspond au flanc du volcan (Hauts de Ste-Marie et de Ste-Suzanne). Elle s’étend depuis la rupture de pente avec le littoral jusqu’au grand rempart nord du cirque de Salazie (l’altitude maximale de la crête du rempart varie entre 1400 et 1800 m NGR).

La distinction entre ces deux domaines est particulièrement manifeste dans certains secteurs marqués par une très nette rupture de pente dans le paysage (profil n°1 - Illustration 2). Cette rupture marque l’influence des incisions fluviatiles et du domaine offshore.

La géologie de la zone est relativement simple à l’échelle de la carte géologique au 1/100 000 : seules huit formations y figurent, parmi lesquelles des alluvions, des tufs en épandage et des coulées basaltiques. La zone d’étude se situe sur le massif du Piton des Neiges où l’on retrouve donc quelques unes des différentes phases définies par Billard (1974).


20 BRGM/RP-57185-FR – Rapport final

Illustration 2 – Profil topographique du secteur d’étude (carroyage 5km)

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Linéaire planimétrique (m)

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Profil n°1

Profil n°2

Profil n°3

Rivières des Pluies

Rivière Ste-Suzanne



Illustration 3 - Carte géologique au 1/100 000 de la zone d'étude (fond géologique : Europe, Région de la Réunion, Université de la Réunion et BRGM, 2006)



2.2. GEOLOGIE DE LA ZONE D’ETUDE

2.2.1. Données disponibles

La géologie de la zone d’étude a pu être définie dans son ensemble à l’aide de la carte géologique au 1/100 000 (Illustration 3). Cependant, cette échelle ne permet pas d’avoir accès aux détails. Pour aller plus loin dans la précision, une synthèse des données du sous-sol disponibles a été réalisée dans le cadre de ce projet.

Le BRGM gère la Banque des données du Sous-Sol (BSS) qui a pour objectif de répertorier tous les ouvrages souterrains existants dont la profondeur est supérieure à 10m. Cette base donne accès, aux logs géologiques, aux données hydrogéologiques et parfois aux données sur la qualité de l’eau.

Une première extraction des 315 forages situés dans la zone d’étude a été réalisée. L’analyse des données sur les ouvrages a ensuite été guidée par différents critères :

> Les premiers forages étudiés sont ceux disposant d’un suivi piézométrique réalisé par l’Office de l’Eau (18 ouvrages), ceux-ci étant exploités par la suite pour la caractérisation du signal piézométrique de la nappe de Sainte-Marie ;

> Huit autres forages sélectionnés par l’Office de l’eau mais dont la piézométrie n’a pas été suivie ont été étudiés ;

> Ensuite, parmi l’ensemble les ouvrages présents sur la zone, une sélection a été réalisée avec pour critères une profondeur supérieure à 60 m et la présence d’informations hydrogéologiques. Vingt-neuf ouvrages ont ainsi été extraits parmi lesquels 8 ont été retenus en plus des précédents ;

> Une dernière sélection a été effectuée avec pour critères une profondeur supérieure ou égale à 15 m et la présence, dans les documents disponibles, d’un log géologique. Sur les 87 forages répondant à ces critères, 9 nouveaux ouvrages ont été sélectionnés.



Ainsi, 43 forages ont été retenus, principalement répartis sur la bordure côtière (Illustration 3). Ils ont été sélectionnés pour les informations qu’ils apportent sur la géologie et l’hydrogéologie de la zone d’étude. Les informations recueillies concernent :

> les caractéristiques propres aux différents points (coordonnées, profondeur, désignation) ;

> les crépines, si elles existent, avec la géologie correspondantes ;

> les données piézométriques ;

> les données hydrogéologiques avec les résultats des interprétations des éventuels pompages d’essai.

Plusieurs campagnes de géophysique ont été réalisées par le BRGM sur Sainte-Marie dans le cadre d’une campagne de reconnaissance pour l’implantation de forages. Elles ont donné lieu à des rapports qui ont été consultés dans le cadre de ce projet (Illustration 4) :

> deux campagnes réalisées en 1987 (rapports 87REU47 et 87REU54) ;

> une campagne datant de 1988 (rapport 88REU46).

Le rapport de la campagne géophysique 1988 comporte 2 coupes géoélectriques interprétatives (Illustration 5) dont le tracé est situé à proximité de la coupe géologique réalisée au cours de la présente étude. Ces deux coupes synthétisent l’information recueillie par les coupes géoélectriques N, O, P, Q, R.

Ainsi les coupes T1 et T2 mettent en évidence la présence d’un horizon conducteur à environ -40 m NGR. Il a été interprété comme une coulée de basalte de la phase II avec des scories et présentant une altération importante (valeurs de résistivité de 65 à 130 ohm.m).

Au-dessus de ce niveau conducteur, se trouve un horizon plus résistant dont la résistivité varie entre 100 et 300 ohm.m environ. La légende des coupes T1 et T2 indique des basaltes des phases III et IV altérés et fissurés. Toutefois, cette gamme de résistivité peut également correspondre à des alluvions.

Enfin, la coupe T1 présente une zone dont les résistivités varient entre 700 et 900 ohm.m. Comme la légende de l’illustration 5 l’indique, cette gamme de résistivité correspond à des laves saines. Cette zone de forme ovoïdale pourrait correspondre au remplissage lavique d’une paléo-vallée, mais dont l’extension est inconnue car ne figurant pas sur T2.

L’ensemble des données recueillies a permis d’établir une coupe géologique.



Illustration 4 - Localisation des coupes géoélectriques (N, O, P, Q, R) et des coupes géoélectriques interprétatives (T1 et T2) de la campagne géophysique de 1988

Illustration 5 - Coupes géoélectriques interprétatives de la campagne de géophysique de 1988



2.2.2. Coupe géologique

a) Méthodologie

Le tracé de la coupe est principalement fonction de la répartition des ouvrages sur la zone d’étude et recoupe un maximum de forages suivis par l’Office de l’Eau (Illustration 6).

Le profil topographique de la coupe est défini à partir du modèle numérique de terrain (grille MNT - maille de 10x10m). Chaque forage a été reporté perpendiculairement au tracé de la coupe et les altitudes des têtes de puits prises en référence sont celles issues du MNT. Les profondeurs des crépines et des formations ont été reportées sur la coupe à partir de ces altitudes.

Au total, dix-sept forages ont été utilisés sur la coupe afin de caractériser la géologie de la façon la plus précise et pertinente possible. Un premier travail de synthèse a été nécessaire pour définir les faciès. Les formations identifiées à partir des logs de ces dix-sept forages sont les suivantes :

> Alluvions

> Paléosols et coulées boueuses (CB)

> Tufs et formations pyroclastiques (FP)

> Edifices stromboliens envisageables (alternance de scories et coulées basaltiques compactes)

> Basalte altéré, argileux

> Basalte fissuré

> Basalte scoriacé

> Basalte compact ou vacuolaire.



Illustration 6 - Tracé de la coupe géologique



b) Coupe géologique

Afin d’élaborer la coupe géologique, les logs des forages ont été replacés sur le transect et une comparaison avec les forages situés à proximité a été réalisée. Celle-ci a permis de mettre en évidence des correspondances entre les logs des puits du transect et les autres (Annexe 1). Cependant, les variations d’un ouvrage à l’autre sur la coupe sont relativement importantes et ne facilitent pas la mise en corrélation. Plusieurs hypothèses expliquent ce fait :

> Le milieu est hétérogène et discontinu : la géologie de la Réunion à l’échelle locale est très complexe, les produits volcaniques issus des différentes éruptions s’intersectent et les différentes phases d’érosion ont modifié les reliefs ;

> Les logs géologiques des forages sont déjà issus d’une interprétation et celle-ci peut varier d’un géologue à l’autre.

On retrouve sur la coupe les phases II, III et IV décrites par Billard (1974). La phase II, observée au niveau de plusieurs forages, est mise en évidence par la présence de roche zéolitisée sur le « forage S7 La Convenance », caractéristique que l’on ne peut observer dans les phases III et IV. La phase IV n’est présente que sur le « forage S7 La Convenance » où elle fait suite à la phase II par l’intermédiaire d’une série d’alluvions. Sur l’ensemble des forages où cette information est disponible, l’interface phase II / phase III se localise aux environs de -40m NGR. Ces observations correspondent aux résultats de la campagne géophysique de 1988 exposés précédemment.

L’horizon de résistivité moyenne (entre 100 et 300 ohm.m environ) identifié sur les coupes T1 et T2 de la campagne géophysique de 1988 (Illustration 5) se retrouve également sur la coupe réalisée dans le cadre de ce projet (Annexe 1). En effet, entre -40 m NGR et la surface, les faciès identifiés sur les logs géologiques des forages utilisés correspondent généralement à des laves altérées et fissurées et à des alluvions.

Sur la partie Est de la coupe, plusieurs horizons d’alluvions ont été identifiés et semblent former une paléo-vallée. Dans la partie ouest de la coupe, on retrouve un paléosol au niveau de deux forages. Ces deux horizons, qui constituent un niveau repère, semblent tout à fait corrélables.

Enfin, la zone en forme ovoïdale identifiée comme étant de la lave saine sur la coupe T1 (Illustration 5) se retrouve sur la coupe géologique de ce projet au niveau du forage Duparc entre les cotes 25 et 0 m NGR environ.



c) Coupe hydrogéologique

Diverses informations hydrogéologiques (Annexe 2) ont été ajoutées à la coupe (Annexe 1) :

> Les charges hydrauliques ponctuelles, permettant d’estimer la profondeur du niveau piézométrique de la nappe exploitée. Ces charges ont été mesurées lors de la réalisation des forages ;

> Le caractère captif ou libre de la nappe exploitée, d’après les informations que contiennent les rapports hydrogéologiques des forages ;

> Les horizons aquifères, cette information ayant été déduite des logs géologiques pour certains puits ;

> Les venues d’eau observées lors de la foration de l’ouvrage ;

> Les propriétés hydrodynamiques de l’aquifère capté, déterminées en interprétant les pompages d’essai réalisés suite à la mise en place du forage : transmissivité (T) et emmagasinement (S).

Les conditions hydrodynamiques varient significativement d’un puits à l’autre. Deux raisons principales expliquent ces variations :

> Les mesures effectuées (charges hydrauliques, transmissivités, emmagasinements) correspondent à un contexte géologique précis et ne sont donc pas directement comparables ;

> Comme vu précédemment, la géologie est variable à une échelle locale : des terrains perméables et imperméables peuvent ainsi se succéder latéralement sur une courte distance et induire d’importantes variations des conditions.

Sur plusieurs ouvrages une nappe captive, assimilée au complexe aquifère régional se distingue d’une nappe libre (superficielle) dans les alluvions.



2.3. FACTEURS INFLUENÇANT LA PIEZOMETRIE DE LA ZONE D’ETUDE

De manière pragmatique, plusieurs facteurs susceptibles d’influencer la piézométrie de la zone d’étude sont identifiés :

> Les précipitations ;

> La proximité de l’océan, qui induira des effets de la marée ;

> Les prélèvements anthropiques ;

> Les apports par les rivières ;

> La recharge régionale, correspondant au signal du complexe régional aquifère induisant une recharge en amont de la zone étudiée, en altitude ;

> Le creusement de la galerie Salazie amont.

A partir des différentes données mises à disposition, l’analyse fonctionnelle des aquifères du nord de la Réunion permettra d’identifier les facteurs ayant une influence significative sur la piézométrie de chacune des nappes étudiées et permettra de les quantifier de façon relative.



3. Description qualitative des données disponibles

3.1. PIEZOMETRIE

Cette étude est basée sur l’analyse de la piézométrie de 18 forages (Illustration 9) dont le forage Ravine des Chèvres qui est équipé à la fois pour le suivi de la nappe inférieure captive et celui de la nappe supérieure libre.

Les chroniques piézométriques ont été fournies par l’Office de l’Eau qui en a réalisé le suivi. Les données extraites sont automatiquement corrigées de la pression atmosphérique (les appareils de mesure sont équipés d’un tube avec une prise d’air). Les chroniques sont de longueurs variables et présentent des lacunes plus ou moins importantes à des périodes différentes.

Dans une première approche, l’analyse du signal piézométrique de la zone d’étude a débuté par une description qualitative des données (Illustration 8) afin d’identifier les nappes ayant des comportements similaires.

En première approximation les nappes de la Réunion ont un cycle annuel avec une recharge qui dépend de la saison cyclonique suivie d’une vidange. Ces hydrosystèmes présentent, en général, peu d’effet mémoire, les variations climatiques n’engendrent qu’un impact à court terme. Ainsi, il est possible de distinguer 3 périodes dans le cycle hydrologique annuel des nappes étudiées : la recharge de l’aquifère, sa vidange puis une période d’étiage. La recharge des nappes étudiées se fait généralement en début d’année, lors de la saison des pluies. Elle débute en janvier et se prolonge jusqu’en mars voire en mai pour les nappes les plus inertielles. La vidange fait généralement suite à la recharge et peut se prolonger jusqu’en septembre.

Trois types de comportement ont pu être identifiés lors de l’analyse visuelle des chroniques piézométriques :

> Inertiel : L’amplitude des variations du niveau piézométrique d’une saison à l’autre est faible (de quelques décimètres), le forage réagit lentement aux précipitations. Ce type de comportement est observé pour les forages de Convenance, Grand-Prado, Verger, Découverte, Domenjod, Quinquina, Rivière des Pluies, Gillot, Bel Air et Chèvres Inférieure ;

> Ouvrages très réactifs : L’amplitude des variations du niveau piézométrique d’une saison à l’autre est importante (plusieurs mètres), le forage réagit rapidement aux précipitations. Ce type de réponse est observé pour le puits S1 ZEC et le forage appoint ZEC ;



> Ouvrages à réponse hybride : le niveau piézométrique varie de plusieurs décimètres à quelques mètres d’une saison à l’autre. Le forage réagit aux précipitations relativement rapidement. Ce comportement se retrouve sur P22 Les Cocos, S1 Chaudron, Duparc, Belle Eau, Tomi, Grimm et Chèvres supérieure.

Outre le comportement des aquifères sur une période annuelle, les chroniques les plus longues permettent d’observer l’évolution tendancielle de la piézométrie sur plusieurs années. Ainsi, certaines nappes présentent une augmentation de leur niveau d’étiage et de l’amplitude inter-saison à partir de 2002. Deux explications peuvent être avancées a priori : soit une augmentation des apports par les précipitations, soit un changement du référentiel des mesures. Des synthèses sur les précipitations annuelles de la Réunion ont été réalisées par l’Office de l’eau (1999, 2000, 2001, 2002, 2005) et il a été observé un déficit de la pluviométrie par rapport à la médiane des pluies annuelles pour les années 1999 à 2001 avec une année 2001 déficitaire généralisée. L’année 2002 a par contre été largement excédentaire avec notamment 2 cyclones (Dina et Hary) et une saison sèche pluvieuse. En 2005, la situation pluviométrique est normale. Ces contrastes de pluviométrie semblent donc correspondre aux observations réalisées sur la piézométrie.



Profondeur

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X WGS84

Y WGS84

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(BSS) atteinte m NGR

du toit des

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du mur des

crépines m

Hauteur crépinée

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40 Ste-Marie La Découverte 80 39 80 41

12271X0061/FORAGE 348 133 7 687 662 70 Ste-Marie

La Réunion ou Les Cocos ou Le Verger

120 78 120 42

12271X0034/2-1-S7 350 403 7 687 883 58 Ste-Marie Forage S7

Convenance II 204 ? ? -

12271X0038/S1 343 863 7 688 843

31 St-Denis Piézomètre S1 Puits ZEC

90 27 32 5

12271X0060/FORAGE 343 868 7 688 977 26 St-Denis Forage

d'appoint ZEC 58 27 54 27

12271X0066/P22 347 878 7 688 467

35 Ste-Marie Forage P22 Les Cocos

100 35 99.5 64.5

12271X0064/F 350 969 7 688 544 53 Ste-Marie

Ravine des Chèvres les Bas - Nappe Inf.

150 130 150 20

12271X0049/F4 345 083 7 685 390 157 St-Denis Forage F4 -

Ilet Quinquina 185 167 185 18

12271X0059/F3 346 056 7 687 733

64 Ste-Marie Forage F3 - Duparc Sainte-Marie

114 81 113 32

12271X0063/CERF 346 957 7 687 659

72 Ste-Marie Forage Le Grand Prado ou CERF

113 82 112 30

12264X0113/S1 342 712 7 688 468

26 St-Denis Piézomètre S1 - Puits du Chaudron

60 24.5 44.5 20

12272X0095/P27 353 498 7 688 091

56 Ste-Suzanne

Forage Belle Eau Grand Hazier

120 67 118.5 51.5

12272X0096/F 353 488 7 687 308 85 Ste-

Suzanne

Forage Les Jacques Bel Air

161 138 160 22

12271X0058/F2 345 698 7 688 508 43 Ste-Marie Forage F2

Gillot 100 61 97 36

12271X0015/F6 345 327 7 685 540

114 Ste-Marie Forage Rivière Des Pluies

140 110 140 30

12272X0137/F 352 524 7 687 385

83 Ste-Suzanne

Forage Chemin Grimm

130 104.5 128.5 24

12271X0090/F 344 342 7 685 775 196 St-Denis

Forage Bretagne Domenjod

260 191 256 65

12271X0162/PIEZO 350 969 7 688 544 53 Ste-Marie

Ravine des Chèvres les Bas - Nappe Sup.

110 62 110 48

12264X0018/F 343 239 7 689 757

6 St-Denis Puits Tomi 16.4 6 15 9

Illustration 7 – Caractéristiques des ouvrages utilisés lors le traitement du signal



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Illustration 8 - Description qualitative des chroniques

piézométriques



Illustration 9 - Implantation des piézomètres et du marégraphe suivis par l'Office de l'Eau et des pluviomètres utilisés dans l'étude



3.2. PLUVIOMETRIE

Les données de pluviométrie (Météo France) utilisées sont issues de 6 pluviomètres différents (Illustration 10), sélectionnés selon leur emplacement sur la zone d’étude et selon la longueur des chroniques. Ils se répartissent d’Ouest en Est et des basses altitudes aux hautes altitudes.

Le calcul de la pluviométrie annuelle moyenne pour les 6 chroniques met en évidence deux gradients : Est-Ouest et selon l’altitude.

Désignation du pluviomètre Chaudron Gillot Gd Hazie r Trois Frères Beaufond Ste-Marie

Plaine des Fougères

Numéro de poste 974 11 132 974 18 110 974 20 110 974 20 120 974 18 150 974 18 170

Altitude du poste (m) 38 10 72 10 225 1062

Début des données 01/01/1992 01/01/1992 01/01/1992 02/01/1992 02/01/1992 01/01/1999

Fin des données 01/03/2009 01/03/2009 01/03/2009 08/01/2001 31/01/2009 06/05/2009

Longueur chronique 17 ans 17 ans 17 ans 9 ans 17 ans 17 ans

Longueur chronique sans lacune 1992 à 2008 1992 à 2008 1992 à 2004 1992 à 2000 1992 à 2006 2001 à 2008

Pluvio annuelle moy sur chronique ss lacune (mm) 1315 1550 1877 2083 2586 4715

Max jrs consécutifs ss pluie sur chronique ss lacune (jours) 42 (déc 02) 24 (sept 01) 39 (sept 04) 22 (nov 96) 31 (nov 04) 24 (sept et

juin 01) Pluviométrie

journalière max (mm) 318 (déc 95) 344 (janv 02) 320 (fév 93) 343 (déc 95) 382.5 (mars 93)

788.9 (fév 09)

Illustration 10 - Description des chroniques pluviométriques



3.3. NIVEAU MARIN

Le phénomène de marée est détaillé en annexe 3, sur la base des travaux de Lefèvre (2000).

3.3.1. Données marégraphiques de l’étude

Les données de niveau marin sont issues du marégraphe de Sainte-Marie, installé par l’Office de l’eau (Illustration 11) sur un des pontons du port.

La chronique s’étend du 23/04/2007 au 22/04/2009. Elle présente une lacune de plusieurs mois du 03/08/2007 au 07/04/2008 ainsi que des lacunes ponctuelles à partir de février 2009 dues au dysfonctionnement de l’appareil. La période utilisée pour le traitement du signal débute donc le 23/04/2007 et se termine le 31/01/2009. Le pas de temps des mesures est de 10 minutes.

Illustration 11 - Marégraphe de Sainte-Marie (instrumentation Office de l’eau)



La vérification de la cohérence des données fournies par l’Office de l’Eau avec les données du marégraphe de Pointe des Galets (situé dans le nord-ouest de l’île) géré par le SHOM (Service Hydrographique et Océanographique de la Marine) a mis en évidence le fait qu’elles étaient repérées en profondeur et non en altitude.

La conversion de la chronique (Illustration 12) a été réalisée avec l’équation suivante :

Chronique reconstituée = (Valeur de la chronique de l’Office de l’eau – la moyenne de toute cette chronique) x (-1)

L’utilisation de cette équation pour reconstituer la chronique engendre une moyenne de la chronique aux alentours de 0 ce qui permet d’avoir un « 0 relatif » de la zone d’étude.

La marée sur l’île de la Réunion est de type semi-diurne à inégalité diurne. Il y a ainsi deux cycles de marée par jour mais les hauteurs des pleines mers ou des basses mers consécutives peuvent être très différentes. La marée microtidale est de 0,7m de marnage en période de vives-eaux (De La Torre, 2004).

L’influence de la marée se manifeste notamment sur l’évolution des niveaux piézométriques des aquifères côtiers. Son impact, principalement identifié dans les forages proches du littoral, n’engendre généralement pas de variations d’amplitude supérieure au décimètre.

Le phénomène de marée se caractérise de plusieurs façons :

> Elle est de type semi-diurne à égalité diurne ce qui signifie qu’elle présente une période de douze heures . Cela implique qu’il y a deux pleines mers et deux basses mers par jour, dont les hauteurs peuvent être différentes ;

> Lorsque le marnage (amplitude de la marée) passe par un maximum, la marée est dite de vive-eau. Elle correspond aux phases de nouvelle et de pleine Lune appelées syzygie. Elle s’explique par les effets conjugués de la Lune et du Soleil. Ces phases ont une période de 15 jours environ.

Ces phénomènes périodiques sont visibles sur la chronique du marégraphe (Illustration 13).



Illustration 12 - Comparaison des chroniques de marée de Pointe des Galets et de Sainte-Marie

Illustration 13 - Mise en évidence des phénomènes périodiques caractérisant la marée

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3.4. DONNEES COMPLEMENTAIRES

3.4.1. Conductivité

L’Office de l’eau a fourni les chroniques de conductivité des points suivants :

> Forage appoint ZEC, sur la même période que les données piézométriques ;

> Forage P22 Les Cocos ;

> Puits Tomi ;

> Galerie Salazie amont, au point métrique PM1238.

Les pas de temps de mesure de ces chroniques varient entre dix minutes et une heure.

Ces chroniques pourront être utilisées pour préciser la nature des transferts qui s’opèrent au sein des hydrosystèmes étudiés.

3.4.2. Evapotranspiration (ETP)

Parmi les données mises à disposition pour cette étude figurent les deux chroniques d’évapotranspiration des stations suivantes :

> Gillot, au niveau du pluviomètre (Illustration 9)

> Mère-Canal située dans les hauts de Sainte-Marie à 1250m d’altitude et gérée par l’Office de l’eau

Ces données sont au pas de temps journalier et seront utilisées lors de la modélisation globale des hydrosystèmes identifiés.



3.4.3. Précision des appareils de mesure

Les précisions absolues des données (Illustration 14) fournies sont de l’ordre du centimètre excepté pour le forage Appoint ZEC qui est de dix centimètres. Ces précisions sont de 1‰ de la pleine plage de mesure qui dépend de l’appareillage.

Illustration 14 - Précision des appareils de mesure des données exploitées

Station Précision (cm) Station Précision

(cm) Puits Tomi 3 Grand Prado 2

S1 Puits du Chaudron 1 Forage Ravine des Chèvres (inf et sup) 1 Forage Riv des Pluies 2 P22 Les Cocos 1

Forage S7 La Convenance 2 Domenjod 2 S1 Puits ZEC 1 Forage P27 Belle Eau 2

Forage F4 Ilet Quinquina 2 Forage Bel Air 1 Forage La Découverte 2 Forage Chemin Grimm 2

F2 Gillot 1 Marégraphe 3 Forage F3 Duparc 1 Station hydrométrique Mère Canal 1

Forage d'appoint ZEC 10 Galerie Salazie amont PM 1238 1 Le Verger 1



4. Analyse fonctionnelle des aquifères du nord de la Réunion par traitement du signal

L’objectif de cette étude est la caractérisation du signal piézométrique du secteur. Plusieurs méthodes d’analyse sont ainsi employées en fonction du phénomène étudié pour réaliser une description quantitative. L’interprétation des résultats permet par la suite l’identification de différents hydrosystèmes.

4.1. METHODES D’ANALYSE QUANTITATIVE

4.1.1. Cadence pratique d’échantillonnage

Le pas d’échantillonnage employé doit être adapté à la périodicité du phénomène observé. D’après le théorème d’échantillonnage de Shannon (aussi appelé théorème de Nyquist : Nyquist, 1928 ; Shannon, 1949), pour mettre en évidence un phénomène de période T il faut un pas d’échantillonnage inférieur ou égal à T/2.

Ainsi, un pas de temps de 30 min sera adapté à l’étude du phénomène de marée (semi-diurne) et un pas de temps journalier sera suffisant à l’analyse d’un phénomène annuel.

4.1.2. Analyses par traitement du signal

Le principe de base de ces méthodes (Annexe 4) est d’assimiler le système aquifère à un filtre qui laisse plus ou moins passer l’information contenue dans un signal d’entrée (l'état du système ne dépend que des entrées plus ou moins récentes). Dans cette approche, l'aquifère est assimilé à une "boite noire" dont la pluie et la piézométrie, par exemple, représentent respectivement l’entrée et la sortie. La méthode consiste donc à analyser et comparer des signaux d’entrées (précipitations, marée maritime, pression atmosphérique) et de sortie (piézométrie).

Les chroniques des signaux d’entrée et de sortie peuvent être traitées séparément dans le domaine temporel (analyse corrélatoire simple), ou dans le domaine fréquentiel (analyse spectrale simple) ou bien l’un par rapport à l’autre (analyses corrélatoire et spectrale croisées).



4.1.3. Logiciel de traitement

Ces analyses seront réalisées avec le logiciel Tempo qui a été développé par le BRGM (voir Pinault, 2007, pour une vue générale du logiciel et l’ensemble des références et publications associées).

Ce logiciel est destiné au traitement et à la modélisation des séries temporelles en hydrogéologie ainsi qu’en hydrogéochimie.

De par sa conception, le logiciel Tempo est polyvalent et peut être appliqué à des données aussi diverses que les signaux radon mesurés dans les gaz des sols que la pression atmosphérique, les chroniques pluie/débit d’un bassin versant, les chroniques pluie/niveau piézométrique ou le monitoring d’espèces en solution, etc.

Outre ses fonctionnalités de traitement du signal (mentionnées ci-dessus), Tempo permet de modéliser un hydrosystème à l'aide de fonctions de transfert permettant de relier des "entrées" (pluies, ETP par exemple) à des "sorties" (niveaux de nappes et/ou débits de cours d'eau). La modélisation proprement dite, qui permet d'analyser le fonctionnement de l'hydrosystème, peut être suivie de simulations prévisionnelles sous différents scénarios climatiques. Dans certains cas, Tempo permet aussi de modéliser des phénomènes hydrochimiques. Ces fonctions de transfert (ou réponses impulsionnelles) peuvent avoir une forme analytique a priori, comportant des paramètres, ou bien peuvent être totalement numériques. Ces paramètres ou la forme numérique sont calculées par des techniques complexes d'inversion.

Le terme modélisation inverse1 recouvre ici les techniques visant à reproduire un débit, un niveau piézométrique ou un flux (transfert de masse) à partir d’une chronique de pluie et d’ETP (ou de température moyenne journalière), éventuellement de concentration d’un soluté, de paramètres physico-chimiques, etc.

1 Le terme modélisation inverse est assez général et désigne surtout une technique que beaucoup de logiciels utilisent (y compris Gardénia et Marthe). Il ne s’agit pas d’une spécificité de Tempo. Pour déduire les paramètres inconnus des fonctions de transferts utilisées, Tempo, comme d’autres logiciels, effectue une recherche par minimisation d'une "fonction objectif". Suivant les logiciels, la fonction objectif sera différente. Dans le cas de Tempo, le système est modélisé à l'aide de fonctions de transferts (soit numériques, soit analytiques). Ce dernier point constitue la spécificité de Tempo. La technique d'inversion permet de calculer les paramètres inconnus des fonctions de transfert quand elles sont analytiques ou bien leur "forme" numérique. Par extension, on parle effectivement de modélisation inverse.



4.2. ANALYSES PAR TRAITEMENT DU SIGNAL : RESULTATS

4.2.1. Pondération des pluies

a) Méthode

La pondération des chroniques de pluie a pour objectif d’identifier les chroniques ayant le plus d’influence sur la piézométrie d’un ouvrage. Lorsque plusieurs chroniques de pluie existent, plusieurs combinaisons linéaires peuvent être formées ; chacune d'elles est soumise au logiciel, qui calcule alors les coefficients de la combinaison de façon à ce que la corrélation croisée pluies-niveaux soit maximale. La combinaison linéaire fournissant la meilleure corrélation avec la chronique piézométrique est retenue.

Pour chacune des chroniques piézométriques, les deux pluviomètres qui semblent être les plus représentatifs sont identifiés. Ils sont choisis en fonction de la distance au forage mais également en fonction de l’altitude. Les précipitations variant selon l’altitude, les pluviomètres choisis doivent également se situer à une altitude proche de celle du forage. Le calcul de la pondération se fera donc sur ces deux chroniques pluviométriques sélectionnées.

Le pas d’échantillonnage choisi est journalier car les données pluviométriques présentent un pas de temps journalier. En outre, les phénomènes étudiés étant rapides, un pas d’échantillonnage plus grand ferait perdre de l’information.

b) Résultats et interprétation

La pondération des pluies a été réalisée pour chacune des chroniques piézométriques sur les périodes de données communes avec les chroniques pluviométriques identifiées. L’illustration 15 présente les résultats obtenus.

Pour la plupart des chroniques piézométriques le résultat de la pondération permet d’identifier une chronique pluviométrique ayant une influence plus marquée que l’autre, mais les équations obtenues pour les forages P22 Les Cocos, Rivière des Pluies et Quinquina ne le permettent pas : les coefficients des pluviomètres varient entre 0.60 et 0.40.

Le pluviomètre de Trois-Frères aurait pu être considéré pour les forages de Belle Eau et de Bel Air au vu de leur localisation mais la chronique qui débute en 1992 s’arrête le 08/01/2001. Les mesures de niveaux sur ces deux forages débutent à l’automne 1999, ce qui ne permet de faire l’analyse que sur une courte période. La chronique du pluviomètre de Trois-Frères ne sera donc pas utilisée dans cette étude.



Lors de l’analyse croisée pluie/piézométrie, les deux pluviomètres identifiés seront exploités afin de comparer leur influence sur la piézométrie.

Désignation forage Pluviomètres retenus Période Equati on pondération

Forage P27 Belle eau Grand-Hazier - Beaufond 06/10/99 au 05/03/09 1.0 GdHazier

P22 Les Cocos Gillot - Chaudron 05/01/96 au 05/03/09 0.60 Chaudron + 0.40 Gillot

Ravine des Chèvres Sup Grand-Hazier - Gillot 27/09/06 au 10/04/09 1.0 GdHazier

Ravine des Chèvres Inf 07/06/01 au 09/04/09 1.0 GdHazier

S1 Puits du Chaudron Chaudron - Gillot 15/10/99 au 12/01/09 0.90 Chaudron + 0.10 Gillot

Forage Rivière des Pluies Chaudron - Beaufond 11/06/07 au 04/06/08 0.48 Chaud+0.52 Beaufond

S1 Puits ZEC Chaudron - Gillot 05/10/99 au 20/11/07 0.68 Chaudron + 0.32 Gillot

F4 Ilet Quinquina Chaudron - Beaufond 11/04/07 au 28/11/08 0.51 Chaudron+0.49 Beaufond

La Découverte Gillot - Grand-Hazier 11/04/07 au 05/03/09 0.95 Gillot+0.05 GdHazier

F2 Gillot Gillot - Chaudron 29/08/07 au 12/01/09 1.0 Gillot

F3 Duparc Gillot - Chaudron 25/01/99 au 29/07/08 0.73 Chaudron + 0.27 Gillot

Forage Appoint ZEC Chaudron - Gillot 16/04/07 au 01/07/08 0.87 Chaudron + 0.13 Gillot

Le Verger Gillot - Grand-Hazier 05/04/07 au 07/05/08 1.0 GdHazier

Grand Prado Gillot - Chaudron 11/04/07 au 05/03/09 1.0 Gillot

Puits Tomi Chaudron - Gillot 16/04/07 au 02/09/08 1.0 Gillot

Forage Bel Air Grand-Hazier - Beaufond 23/12/99 au 07/04/09 0.37 GdHazier+0.63 Beaufond

Forage Chemin Grimm Grand-Hazier - Beaufond 11/04/07 au 12/01/09 1.0 GdHazier

Forage Domenjod Chaudron - Beaufond 11/04/07 au 05/03/09 1.0 Beaufond

S7 La Convenance Gillot - Grand-Hazier 25/05/07 au 05/03/09 1.0 GdHazier

Illustration 15 - Résultats des pondérations des chroniques de pluie



4.2.2. Analyse corrélatoire simple (autocorrélation )

a) Méthode

Dans une série temporelle, il peut exister une corrélation entre les valeurs successives de la série jusqu'à une certaine "portée" temporelle. C'est par exemple le cas des séries piézométriques, où la dépendance temporelle peut varier de quelques semaines à plusieurs mois (voire années) en fonction de l'inertie de la nappe.

Cette corrélation peut se mesurer par l'intermédiaire d'un coefficient d'autocorrélation qui représente la corrélation de la série avec elle-même, décalée d'un certain intervalle de temps. Les valeurs du coefficient d'autocorrélation en fonction du décalage temporel permettent d'établir un graphique appelé corrélogramme.

Pour des séries piézométriques, la lecture de ce graphique fournit, entre autres informations, des indications sur l'effet mémoire de la nappe. S'il y a aussi dans la série des cycles à certaines fréquences, le corrélogramme reproduit ces cycles à la même fréquence.

Le traitement a été effectué sur les différentes chroniques de données disponibles à divers pas de temps :

> Chronique de niveau marin : aux pas de temps journalier et horaire pour la mise en évidence des différents phénomènes périodiques et ainsi caractériser au mieux le signal d’entrée que constitue la marée dans les hydrosystèmes étudiés ;

> Chroniques pluviométriques : au pas de temps journalier et au pas de temps 15 jours pour tenter de voir la récurrence de la saison des pluies ;

> Chroniques de conductivité : au pas de temps horaire ;

> Chroniques piézométriques : au pas de temps journalier, permettant l’observation des phénomènes périodiques sur le long terme (basses fréquences) puis au pas de temps horaire, pour observer les phénomènes périodiques sur le court terme (hautes fréquences).



b) Résultats et interprétations

• Données de niveau marin

L’autocorrélation de la chronique du marégraphe met en évidence les phénomènes périodiques directement observés sur la chronique brute : les périodes de 12h et de 15 jours (Illustration 13 et Illustration 16).

Remarque : Sur le corrélogramme au pas de temps horaire le pic à 12 heures présente un replat pendant une heure (Illustration 16) qui caractérise le signal de la marée marine, il correspond à l’étale (intervalle de temps pendant lequel le niveau de la mer reste sensiblement stationnaire).

Illustration 16 - Autocorrélation de la chronique du marégraphe - Mise en évidence du phénomène d'étale

Corrélogramme du marégraphe de Sainte-Marie (pas d e temps horaire)

-0.40

-0.20

0.00

0.20

0.40

0.60

0.80

1.00

-36 -24 -12 0 12 24 36

décalage (h)

Indi

ce d

e co

rrél

atio

n

Etale



• La pluviométrie

Le corrélogramme au pas de temps journalier montre une périodicité d’environ 20 jours. Cette période n’est pas parfaitement reproduite mais elle est liée au fait que dans un contexte tropical tel que celui des secteurs au vent de la Réunion (Nord-Est), il pleut régulièrement. Il ne se passe pas 15 à 20 jours sans averse. Le corrélogramme au pas de temps 15 jours permet de voir un phénomène d’une période de 375 jours, soit environ une année. Ce phénomène peut être assimilé à la récurrence de la saison des pluies chaque année à la même période. Les pics ne sont pas parfaitement réguliers du fait de l’irrégularité du début de la saison des pluies ; celle-ci ne se produit pas exactement au même moment chaque année.

Illustration 17 - Exemple de deux analyses corrélatoires simples sur une chronique pluviométrique

Ces phénomènes sont aussi observés sur les autres pluviomètres.

Corrélogramme de Pluv_Chaudron au pas de temps 15 j

-0.20

0.00

0.20

0.40

0.60

0.80

1.00

-1500 -1125 -750 -375 0 375 750 1125 1500

décalage (j)

Indi

ce d

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n

Corrélogramme de Pluv_Chaudron au pas de temps jou rnalier

-0.20

0.00

0.20

0.40

0.60

0.80

1.00

-100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100

décalage (j)

Indi

ce d

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rrél

atio

n 375j



• La conductivité

L’analyse corrélatoire simple des chroniques de conductivité disponibles ne met en évidence aucun phénomène périodique.

• La piézométrie : le signal de sortie

L’illustration 17 récapitule les résultats obtenus avec les corrélogrammes simples des chroniques piézométriques.

Illustration 18 - Résultats des analyses corrélatoires simples sur les chroniques piézométriques.

En jaune apparaissent les chroniques trop courtes pour observer des phénomènes périodiques annuels

Longueur chronique

Nappe libre

Nappe captive

PompDécalage

(jours)Ampl Phénomène observé

Décalage (heures)

AmplPhén

observé6 ans x - - - - - -

13 ans x 398 0.30recharge annuelle,

effet mémoire faible12 0.98 Marée

Nappe sup 2.5 ans x 7 0.85 syzygie ? 11 0.98 Marée

15 0.84 syzygie357 0.54 recharge annuelle

9 ans x - - - - - -8 mois x x - - - 24 0.86 Pompages8 ans x - - - - - -

1.5 ans x x 7 0.66 ? 24 0.714 Pompages1 an x - - - 24 0.74 Pompages

~ 1.5 ans x 15 0.93 syzygie 12 0.97 Marée

9.5 ans x 365 0.63recharge annuelle,

effet mémoire faible- - -

~ 1 ans x - - - - - -<1an x x - - - 24 0.925 Pompages

~ 1.5 ans x x - - - 24 0.78 Pompages1 an x - - - - - -

15 0.84 syzygie372 0.37 recharge annuelle

1.5 ans x - - - - - -2 ans x x - - - 24 0.51 Pompages

~ 2 ans x - - - 12 0.999209 Marée~ 1.5 ans - - - - - -

Forage Domenjod S7 La Convenance

Cascade du Chaudron Hauteur d'eau

0.98 Marée

Forage Chemin Grimm

x Forage Bel Air 8 ans 12

Forage Appoint ZEC Le Verger

Grand Prado Puits Tomi

La Découverte ? Plutôt captive F2 Gillot

F3 Duparc

S1 Puits du Chaudron Forage Riv des Pluies

S1 Puits ZEC F4 Ilet Quinquina

12 0.97 Maréex

P22 Les Cocos

Forage Rav des Chèvres Nappe inf ~ 8 ans

Pas de temps journalier Pas de temps horaire

Désignation du forage

Forage P27 Belle eau



L’analyse corrélatoire simple au pas de temps journalier met en évidence différents phénomènes périodiques (Illustration 19) :

> La recharge annuelle, liée à la récurrence de la saison des pluies tous les ans (Illustration 17) : la période observée correspond environ à 365 jours et concerne quatre des nappes observées.

> La syzygie : la période est de 15 jours. Ce phénomène s’observe sur les nappes de Bel Air, Gillot et Ravine des chèvres Inférieure, toutes trois captives.

Il est à noter que les forages de Belle Eau, S1 Chaudron et S1 ZEC ne présentent pas de recharge annuelle. Ces chroniques, bien que suffisamment longues, présentent trop de lacunes pour que le phénomène apparaisse. Toutefois, en interpolant linéairement les plus petits hiatus, la recharge annuelle apparaît.

Les forages de Quinquina et de Ravine des Chèvres supérieure sont légèrement marqués par un phénomène dont la période est de 7 jours. Cela ne semble correspondre à aucun phénomène naturel. Néanmoins, il est possible d’identifier le phénomène de syzygie sur la chronique piézométrique de Ravine des Chèvres supérieure. La période de 15 jours correspondante n’apparaissant pas sur l’autocorrélation, cette période de 7 jours pourrait éventuellement correspondre à une harmonique2 de la syzygie.

Les corrélogrammes simples au pas de temps horaire ont permis d’identifier les phénomènes périodiques suivants :

> La marée : la période est de 12h et elle se retrouve sur six forages dont ceux étant marquées par la syzygie.

> Les pompages : la période observée est de 24h et se retrouve sur les corrélogrammes des forages exploités. En observant les périodes de pompage sur les chroniques piézométriques on remarque qu’elles ne sont pas régulières ; cependant, ces périodes débutent toujours à la même heure, engendrant la mise en évidence de la période de 24h.

Les résultats obtenus par l'étude des corrélogrammes ont permis de mieux mettre en évidence des phénomènes observables sur les chroniques et de les quantifier avec une meilleure précision.

2 Oscillations secondaires qui s’ajoutent à une oscillation principale en l’altérant et dont la fréquence est un multiple de la fréquence de l’oscillation principale



Illustration 19 - Exemples d'analyses corrélatoires simples des piézomètres au pas de temps journalier et au pas de temps horaire.

En ordonnées figure le coefficient d'autocorrélation. Le corrélogramme de Domenjod au pas de temps journalier présente une allure de Dirac.

Corrélogramme de BelleEau_journalier

-0.20

0.00

0.20

0.40

0.60

0.80

1.00

-336 -224 -112 0 112 224 336

décalage (j)

Corrélogramme de Duparc_journalier

-0.40

-0.20

0.00

0.20

0.40

0.60

0.80

1.00

-730 -365 0 365 730

décalage (j)

Corrélogramme de ChevresSup_journalier

-0.40

-0.20

0.00

0.20

0.40

0.60

0.80

1.00

-100 -50 0 50 100

décalage (j)

Corrélogramme de ChevresInférieure_journalier

-0.60

-0.40

-0.20

0.00

0.20

0.40

0.60

0.80

1.00

-730 -365 0 365 730

décalage (j)

Corrélogramme de Domenjod_journalier

-0.20

0.00

0.20

0.40

0.60

0.80

1.00

-150 -100 -50 0 50 100 150

décalage (j)

Corrélogramme de Cocos_horaire

-0.20

0.00

0.20

0.40

0.60

0.80

1.00

-400 -200 0 200 400

décalage (h)

Corrélogramme de Quinquina_horaire

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

-216 -144 -72 0 72 144 216décalage (h)

Corrélogramme de Convenance_horaire

0.90

0.95

1.00

1.05

1.10

-360 -240 -120 0 120 240 360décalage (h)

15j 7j

12h 15j

24h 12h



4.2.3. Intercorrélation pluie – piézométrie

a) Méthode

L’intercorrélation entre la pluie et la piézométrie est mise en évidence à partir de corrélogrammes croisés. Le corrélogramme croisé permet d’analyser les relations de causalité entre les deux séries et fournit une indication de la réponse impulsionnelle3 du système. Cette analyse permet d’obtenir une estimation du temps de réponse moyen de la nappe suite à un épisode pluvieux.

L’intercorrélation a été réalisée pour chacun des forages avec le ou les pluviomètres identifiés lors de la pondération des pluies (§ 4.2.1 – p. 45). Le pas de temps employé est journalier.


Les résultats de cette analyse corrélatoire croisée sont synthétisés sous forme de tableau (Illustration 21).

Globalement, pour chacun des forages, les résultats obtenus sont identiques pour les deux chroniques pluviométriques utilisées. Seuls les forages de Ravine des Chèvres supérieure et inférieure présentent des temps de transfert notablement différents d’une chronique pluviométrique à l’autre.

Les coefficients de corrélation observés pour les temps de réponse identifiés sont faibles, variant entre 0.17 et 0.33. Cela signifie que le signal de la pluviométrie est filtré.

Mis à part le forage de Verger, l’analyse croisée des forages exploités n’a donné aucun résultat (voir corrélogramme croisé du forage La Découverte - Illustration 22), le signal piézométrique étant perturbé par les pompages. Cette observation peut remettre en cause le résultat obtenu pour le forage Verger.

Concernant les réponses de Ravine des Chèvres aux précipitations, les différences de résultats obtenus par l'analyse des corrélogrammes entre les deux pluviomètres ont conduit aux choix suivants :

> Nappe supérieure : la piézométrie présentant des variations semblables aux forages de Cocos et Duparc, la réponse obtenue avec le pluviomètre de Gillot sera retenue, celle-ci correspondant davantage au comportement attendu ;

3 Les réponses impulsionnelles expriment une variable de sortie d’un système (débit, niveau piézométrique…) en fonction d’une ou plusieurs variables d’entrées (la pluie efficace, le débit d’un cours d’eau mesuré en amont…)



> Nappe inférieure : les variations de sa piézométrie indiquent une nappe très peu réactive avec un comportement inertiel, donc la réponse aux précipitations considérée sera celle de Grand-Hazier.

Ainsi, selon les temps de réponse, il est possible de retrouver les différents types de comportements du système en réaction aux précipitations (Illustration 20 - Illustration 21 - Illustration 22) définis lors de l’analyse qualitative des données (§ 3.1 – p. 31) :

> Réponse rapide : la recharge se fait majoritairement par transfert de pression rapide (ou la nappe pourrait être proche de la surface du sol). Les temps de transfert de pression sont de quelques jours et n’excèdent pas une semaine. Ce type de réponse se retrouve sur les nappes des forages S1 ZEC et S1 Chaudron. Les variations de charges hydrauliques présentent des similitudes avec les fluctuations d’un débit de rivière ;

> Réponse hybride : la recharge est multiple (se traduit par différents pics sur le corrélogramme croisé) et se fait par transfert de pression rapide (quelques jours). Les forages concernés sont Belle Eau, Cocos, Chèvres supérieure, Duparc et Appoint ZEC.

> Réponse lente : les temps de transfert obtenus varient entre un et deux mois. Les forages concernés sont les suivants : de Chèvres inférieure, Gillot, Tomi, Bel Air, Grimm, Convenance et Verger.

En outre, il est possible d’identifier une recharge annuelle sur les corrélogrammes de Chèvres inférieure et Duparc (Illustration 21).

Le forage de Gillot semble présenter une double réponse aux précipitations : un premier pic est identifiable à environ 4 jours suivi d’un autre pic à plus d’un mois. Cependant, la forme du corrélogramme correspond à celles des hydrosystèmes inertiels (étalée) et l’allure de la chronique piézométrique indique une amplitude intersaisons faible caractérisant les systèmes inertiels. La réponse de ce forage aux précipitations est donc considérée comme lente.

Les résultats de la description qualitative des chroniques piézométriques qui avaient conduit à la différenciation du comportement des nappes en trois catégories ((§ 3.1 – p. 31) sont semblables aux résultats obtenus avec l’analyse quantitative. Seules 4 forages présentent des temps de réponse qui différent du comportement attendu : Grimm, Tomi, Appoint ZEC et S1 Chaudron. Cette différence provient du caractère subjectif de la description qualitative des chroniques.

Trois forages (Illustration 21) présentent des réponses aux précipitations non cohérentes avec la nature de la nappe. Les forages de Tomi, Chemin Grimm et S7 La Convenance, qui sont censés capter des nappes libres, présentent des réponses lentes aux précipitations. Ces phénomènes seront abordés par la suite.



Illustration 20 – Schéma conceptuel réponse impulsionnelle issue des corrélogrammes croisés pluie-charge



Illustration 21 - Synthèse des résultats de

l'intercorrélation pluie/piézométrie.

En rouge figurent les forages à

réponse rapide, en orange les

réponses hybrides et en

vert les réponses lentes

Long

ueur

ch

roni

que

Nap

pe

libre

Nap

pe

capt

ive

Pom

pag

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204

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248

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266

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Illustration 22 - Corrélogrammes croisés issus de l'intercorrélation pluie/piézométrie

Réponses rapides

-0.2

-0.1

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

-100 -50 0 50 100

Décalage (jours)In

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Réponses hybrides

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ChevresInf_GdHazier F2Gillot_Gillot Tomi_GillotGrimm_GdHazier Convenance_GdHazier Verger_GdHazier

Exemple de Recharge annuelle

-0.10

-0.05

0.00

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

0.30

-784 -392 0 392 784

décalage (jours)

Indi

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atio

n

Duparc_Chaudron



4.2.4. Intercorrélation niveau marin – piézométrie

a) Méthode

La mise en évidence de l’influence de la marée sur les chroniques piézométriques de la zone d’étude se fait par le calcul du périodogramme, ce qui correspond à une analyse spectrale croisée. Le périodogramme est aussi appelé Densité Spectrale de Puissance relative (DSP) car il représente, pour une fréquence donnée, la puissance d'un signal périodique (Annexe 4).

L’étude du spectre croisé se fait au moyen de plusieurs fonctions qui isolent l’information. Trois fonctions seront ainsi utilisées en plus de la DSP relative :

> L’amplitude du carré de la cohérence ;

> La fonction de phase ;

> La fonction de gain.

Dans un premier temps la DSP relative de la chronique piézométrique est analysée. Les phénomènes périodiques (de période T) affectant la chronique étant marqués par des pics, les fréquences (f) associées à ces pics sont identifiées. Par la relation (T=1/f), il est possible de déterminer la période du phénomène observé. Les marées maritime et terrestre sont caractérisées par des périodes de 12h et 24h. Si le signal est très marqué, on peut également observer des pics à 8h, 6h, etc. Ces périodes correspondent aux harmoniques de la période de 24h (oscillations secondaires qui s’ajoutent à une oscillation principale en l’altérant et dont la fréquence est un multiple de la fréquence de l’oscillation principale).

Une fois les fréquences définies, l’analyse du graphique de l’amplitude du carré de la cohérence (|CMP|²) permet de savoir si les deux signaux étudiés (la piézométrie P et le niveau marin M) sont cohérents (la sortie du système est expliquée, au moins en partie, par l’entrée). Pour la fréquence f définie, |CMP|² doit être proche de 1. L’influence de la marée maritime s’exprime par un double pic sur les périodes de 12h et 24h. Si cette influence est confirmée, cela signifie que l’océan constitue une condition aux limites du système étudié.

Si les deux signaux étudiés sont cohérents il est possible de calculer le déphasage entre l’un et l’autre par la fonction de phase. Pour chacune des fréquences f correspond une phase (OMP) exprimée en degrés. La relation ci-dessous permet de définir le déphasage entre la piézométrie et le niveau marin :

360MPOf

retard×=



S’il est positif, cela signifie que le phénomène périodique affectant le système présente un retard sur la sortie (piézométrie).

Enfin, la fonction de gain permettra de quantifier la transformation de l’information entre l’entrée et la sortie du système (|GMP|) afin de savoir si le signal d’entrée est atténué (valeur de la fonction gain inférieure à 1) ou amplifié.

L’analyse spectrale croisée a été réalisée au pas de temps 30 min, sauf pour les chroniques de Duparc, Appoint ZEC et Bel Air qui ne permettaient qu’une analyse au pas de temps horaire.


Les résultats de l’analyse spectrale croisée niveau marin/piézométrie sont synthétisés dans l’illustration 25.

Cette analyse a permis de quantifier l’influence de la marée sur la piézométrie.

Les périodogrammes des forages exploités sont totalement perturbés par les pompages (Illustration 24). Les périodes de 12h et 24h ont été identifiées mais correspondent aux pompages. Ces ouvrages sont donc exclus de l’interprétation.

Les périodes de 12h et 24h apparaissent sur les DSP relatives de l’ensemble des forages. Pour neuf d’entre eux, ces périodes correspondent au signal de marée, comme l’indiquent les résultats de la fonction d’amplitude du carré de la cohérence (double pic et amplitude élevée) (Illustration 23). Donc cela signifie que l’océan constitue une condition aux limites pour ces neufs ouvrages. En outre, la mise en évidence des périodes de 12h et 24h sur l’ensemble des forages (exceptés les ouvrages exploités) révèle l’existence d’un caractère captif pour tous, ce qui est fréquent en domaine volcanique. En effet, les périodes de 12h et 24h correspondent à l’influence de la marée terrestre.

La période analysée est de neuf mois au maximum. Cela ne permet pas d’obtenir des résultats pertinents sur la période de 12h (qui doit être plus irrégulière car marquant aussi la période de 24h) ; ainsi, seuls les résultats obtenus pour la période de 24h seront considérés pour l’interprétation.

D’après les résultats de la fonction de gain les nappes de Gillot, Bel Air et Cocos sont les plus influencées tandis que celles de Belle Eau et de Chemin Grimm sont les moins influencées. Le déphasage entre le marégraphe et la piézométrie des nappes influencées pour la période de 24h varie entre 1h pour Gillot et 8h pour Belle Eau (Illustration 26).



Les résultats de cette analyse concernant le puits Tomi ne semblent pas conformes à ses caractéristiques. En effet, Il est situé à environ 100m de l’océan, il est profond de 17m et les formations géologiques rencontrées sur toute sa hauteur sont des alluvions perméables. La chronique de conductivité mise à disposition pour cet ouvrage est de trop mauvaise qualité pour être exploitée, elle ne permettra pas une meilleure compréhension de la piézométrie.

Le piézomètre le plus éloigné enregistrant le signal de la marée est Duparc, situé à environ 1800m de l’océan. Comme l’indique l’illustration 26, le déphasage observé ne semble pas lié à l’éloignement du forage de l’océan. Le temps de transfert du signal de la marée au sein d’un aquifère dépend de ses propriétés hydrodynamiques elles-mêmes largement influencées par la géologie de l’aquifère. Le calcul de la diffusivité4 permettra de préciser les conditions hydrodynamiques de ce transfert.

4 La diffusivité caractérise la vitesse de réaction d'un aquifère lors d'une perturbation. On la calcule par le rapport T/S, unité de m2/s. Plus la valeur est élevée, plus la nappe est dite "nerveuse".



Illustration 23 - Exemple de périodogramme : F2 Gillot

Illustration 24 - Densité spectrale de puissance relative de Grand-Prado (forage exploité)

Densité spectrale de puissance relative (DSP) - Gillot

1.E-07

1.E-05

1.E-03

1.E-01

0.00 0.10 0.20 0.30

f r é que nc e ( h - 1)

Amplitude du carré de la cohérence

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30fréquence (h-1)

Fonction de phase (degrés)

-180

-120

-60

0

60

120

180

0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60

fréquence (h-1)

Fonction de gain

0.00

0.25

0.50

0.75

1.00

0.00 0.05 0.10 0.15 0.20fréquence (h-1)

24h 12h 8h

24h 12h

8h

DSP relative - Grand Prado

1.E-04

1.E-03

1.E-02

1.E-01

1.E+00

0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50

fréquence (h-1)



Illustration 25 - Résultats de l'intercorrélation niveau marin – piézométrie. Apparaissent en gris les forages exploités et en vert les forages influencés par la marée

Nap

pe

libre

Nap

pe

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Pom

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069

0.96

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340.

0082

23.8

14.

10.

982.

380.

063

12.4

917

0.99

91.

300.

131

23.8

11.

30.

965

4.13

0.03

612

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0.99

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800.

066

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780.

984.

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098

12.3

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994

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315

12.3

419

.90.

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523

.81

258

0.57

912

.05

326

0.25

425

.60

0.37

0.14

312

.49

0.07

10.

578

23.8

157

0.20

012

.05

570.

244

24.3

820

.30.

1412

.05

140.

227

23.8

114

.80.

993

0.82

0.12

112

.34

86.4

0.99

70.

410.

294

24.3

80.

30.

907

6.60

0.01

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0.96

94.

230.

028

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40.

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10.

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80.

026

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50.

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24.0

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40.

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0

12.4

111

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0.10

7

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10.

005

0.80

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960.

002

12.0

50.

025

0.96

61.

610.

005

23.8

184

0.01

512

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210.

546

23.8

10.

520.

459

1.76

0.01

5

12.4

93

0.97

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370.

054

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1/09

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P27

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Illustration 26 - Localisation des ouvrages dont la piézométrie est influencée par la marée.

Sous les déphasages figurent les gains calculés. Pour une fréquence donnée, si l’amplitude du signal n’est pas modifiée le gain est de 1, s’il est atténué il est inférieur à 1



c) Estimation de la diffusivité

La diffusivité D (rapport de la transmissivité T de l'aquifère à l'emmagasinement S) permet de caractériser la réactivité de la nappe suite à une perturbation. Plus la valeur de D est élevée, plus la nappe est dite « nerveuse ».

Elle peut être calculée à partir de la distance de l’ouvrage à l’océan (x) et du temps de transfert (tτ) obtenu pour la période de 24h (t0) par l’équation suivante (Jacob, 1950) :

T

Sx tt πτ 4

0= soit πτ 40

2

ttx

D

=

La diffusivité a pu être calculée pour les neufs ouvrages influencés ; les résultats sont synthétisés dans le tableau ci-dessous.

Désignation ouvrage Distance à l'océan x

(m)

Déphasage t t pour 24h

(h)

Diffusivité D (m²/s)

T/S (D) – Pompage d’essai

P27 Belle Eau 600 8.2 2.84 4.10

P22 Les Cocos 500 2.4 23.03 10.00

Rav des Chèvres sup 500 4.1 7.89 10.60

Rav des Chèvres inf 500 4 8.29

F2 Gillot 1150 0.8 1096.26 82.76

F3 Duparc 1800 6.6 39.46 22.00

Bel Air 1450 4.1 66.35

Chemin Grimm 1180 5 29.55

S7 La Convenance 1200 1.8 235.79

Illustration 27 - Calcul de la diffusivité à partir des données de déphasage des signaux de marée

Les données de diffusivité obtenues à partir des déphasages des signaux de marée ont été comparées au rapport T/S. Ces données de transmissivité (T) et d’emmagasinement (S) sont issues des interprétations des pompages d’essai décrites dans les rapports hydrogéologiques des ouvrages. Le coefficient d’emmagasinement S déduit de pompages d’essais sans piézomètre constitue un paramètre de calage de l’interprétation du rabattement et dont la signification physique doit être prise avec prudence.



La comparaison met en évidence le fait que les données sont cohérentes pour Belle Eau, P22 Les Cocos et les nappes de Ravine des Chèvres (valeurs soulignées dans le tableau). En outre, les cinq autres forages présentent des valeurs de diffusivité qui semblent trop élevées.

Les calculs ont également été réalisés pour la période de 12h, mais les résultats ne sont pas probants. Comme évoqués précédemment, cette période ne permet pas d’obtenir des résultats pertinents du fait d’une période d’analyse trop courte (neuf mois).

Les forages pour lesquels la diffusivité semble cohérente sont les plus proches de l’océan. Il est donc probable que les déphasages observés pour les cinq autres ouvrages soient décalés d’une ou plusieurs périodes (modulo 12h).

Ainsi, il est possible d’envisager un déphasage de plus en plus important avec l’éloignement du forage de l’océan.

Ces résultats divergent des investigations menées par Antea (2008) sur les forages F3 Duparc D = 76 m2/s et F2 Gillot = 282 m2/s. Les approches de calcul et les valeurs de référence sont différentes et il n’est pas envisageable, dans le cadre de la présente étude, de comparer la pertinence relative de l’une ou de l’autre approche.



4.2.5. Intercorrélation de la piézométrie et de la pluviométrie avec la conductivité (approche du transfert de masse)

a) Méthode

Les études de corrélation entre la piézométrie et la conductivité et entre la pluviométrie et la conductivité se font par l’intermédiaire de corrélogrammes croisés entre les deux variables.

L’entrée du système est la piézométrie ou la pluviométrie et la sortie est la conductivité.

Parmi les données de conductivité de forages disponibles (Appoint ZEC, Tomi et P22 Les Cocos), seule la chronique d’appoint ZEC est exploitable, la qualité, la longueur ou les contrastes des autres chroniques ne permet pas d’exploitation (probablement dû à une dérive ou à un mauvais fonctionnement des appareils) (Illustration 28).

Illustration 28 - Chronique de conductivité du forage P22 Les Cocos

Conductivité de P22 Les Cocos

0

300

600

900

1200

1500

1800

4/2007 7/2007 9/2007 11/2007 1/2008 3/2008 6/2008

µS/cm



b) Résultats et interprétations

• Intercorrélation piézométrie – conductivité

Les chroniques de conductivité et de piézométrie du forage appoint ZEC s’étendent du 16/04/2007 au 01/07/2008 (Illustration 29). Le début de la chronique de conductivité présente des incohérences, la période analysée s’étendra donc du 10/12/2007 au 01/07/2008. Le pas de temps utilisé est horaire.

La corrélation supposée entre la conductivité et la piézométrie de la nappe d’appoint ZEC est visible sur les chroniques brutes : les deux variables sont proportionnelles. Dans un premier temps, la conductivité chute dès l’augmentation de la charge hydraulique, puis la conductivité augmente assez rapidement tandis que la « crue souterraine » se poursuit. Ce type de phénomène est assimilable aux effets piston caractéristiques de nombreux systèmes karstiques. Cette observation (identique à ce qui peut-être observé sur la cascade du Chaudron) induit des circulations complexes caractérisées par la sollicitation de lignes de courant différentes en fonction de la charge du système. Dans le cas d’analyses chimiques ou de datations d’eau, ce régime de circulation d’eau plus ou moins profonde en fonction de la charge devra être considéré, surtout en période de hautes eaux (mélange d’eau).

Illustration 29 - Comparaison des chroniques brutes de piézométrie et de conductivité du forage appoint ZEC.

En noir figure la moyenne mobile (période de 2 jours) de la chronique de conductivité.

L’illustration 30 représente le corrélogramme croisé entre les deux chroniques.

L’intercorrélation met en évidence un décalage d’environ 3 jours entre les deux variables.

Forage appoint ZEC

3

4

5

6

7

8

9

10

11

10/12/2007 13/1/2008 16/2/2008 21/3/2008 24/4/2008 28/5/2008 1/7/2008

mNGR

100

110

120

130

140

150

160

170

180µS/cm

Piézométrie Conductivité



Illustration 30 - Corrélogramme croisé entre la piézométrie et la conductivité du forage appoint ZEC

• Intercorrélation pluviométrie – conductivité

L’intercorrélation pluviométrie/conductivité a été étudiée sur la période définie précédemment : du 10/12/2007 au 01/07/2008. Le pas de temps utilisé est journalier. Le corrélogramme croisé est représenté sur l’Illustration 31.

Le décalage observé entre la pluviométrie de la station Chaudron et la conductivité du forage Appoint ZEC est de 6 jours. Cette période correspond à la première réaction de l’aquifère, suivie par plusieurs pics qui traduisent une recharge polyphasée de l’aquifère.

Illustration 31 - Corrélogramme croisé entre la pluviométrie de Chaudron et la

conductivité d'Appoint ZEC

Corrélogramme croisé de AppointZEC_hor et Conducti vité

-0.3

-0.1

0.1

0.3

0.5

0.7

-900 -600 -300 0 300 600 900

décalage (h)

3 jours

Corrélogramme croisé de Pluv_Chaudron,CondAppointZ EC

-0.15

-0.05

0.05

0.15

0.25

0.35

-68 -51 -34 -17 0 17 34 51 68

décalage (j)

6j



c) Comparaison avec les résultats de l’intercorréla tion pluie – piézométrie

L’intercorrélation croisée effectuée entre la pluviométrie et la piézométrie d’Appoint ZEC sur la période du 16/04/2007 au 01/07/2008 a mis en évidence un décalage entre les deux variables d’environ 27 jours. Cependant, le graphique du corrélogramme obtenu permet d’observer un premier pic à 3 jours (Illustration 22, p. 57).

La comparaison des résultats obtenus pour les analyses croisées de la piézométrie d’appoint ZEC avec la pluviométrie et sa conductivité met en évidence le fait que la conductivité réagit avec 6 jours de retard sur la pluviométrie tandis que la piézométrie réagit avec 3 jours de retard (Illustration 30- Illustration 31).

Ces observations permettent de préciser la réponse de la piézométrie d’appoint ZEC aux précipitations : elle est caractérisée par une première réponse rapide aux précipitations par transfert de pression rapide qui est suivie par une recharge polyphasée. Le forage d’appoint ZEC présente donc une réponse hybride aux précipitations, comme cela avait déjà été mentionné pour ce piézomètre (intercorrélation pluie – piézométrie § 4.2.3 – p. 53).

d) Fonctionnement hydrogéologique

Les chroniques charges / conductivité / précipitations du point d’observation Appoint ZEC permettent de mieux comprendre (déconvoluer) le fonctionnement hydrodynamique des systèmes étudiés. Chaque augmentation de charge peut-être décomposée selon les étapes suivantes :

1. Modification de l’équilibre de l’hydrosystème suite à des précipitations significatives (≥ 100 mm5) ;

2. Crue : Augmentation de la charge hydraulique et baisse de manière quasiment synchrone de la conductivité ;

3. Pic piézométrique : environ 3 jours après la sollicitation du système, la charge hydraulique est maximale. A l’inverse, la conductivité atteint son minimum. Ce phénomène est expliqué par la contribution d’eau de surface dont la conductivité est inférieure à celle des eaux souterraines. Ainsi, les eaux souterraines subissent une dilution ;

5 Cette valeur empirique est donnée à titre indicatif. Aucune approche statistique ne repose sur ce seuil de 100 mm, il s’agit uniquement d’un ordre de grandeur. Cette valeur pourrait être précisée à partir de chroniques plus longues (eg : au moins 3 cycles hydrologiques).



4. Décrue ou vidange du système : Inversion quasiment synchrones des tendances, baisse de la charge et augmentation de la conductivité. Tandis que la charge tend vers son niveau initial, la conductivité dépasse largement la valeur antérieure à la crue du système. L’arrivée d’eau plus minéralisée s’explique par un phénomène hydraulique de type « effet piston » : en raison de l’augmentation de charge, les lignes de courant sont perturbées et des eaux plus évoluées et / ou plus profondes sont sollicitées ;

5. Retour à un pseudo-équilibre : la charge hydraulique tend vers son point d’étiage. Le signal conductivité s’inverse environ 3 jours après le début le pic piézométrique afin de rejoindre aussi vers la conductivité initiale.

Cette réponse plurielle est très similaire au fonctionnement de la Cascade du Chaudron décrit par l’Office de l’eau (Illustration 32). Hormis des temps de transfert de pression et de masse différents, la succession des phénomènes est similaire.

De plus, la chronique du Chaudron est caractérisée par un phénomène de non-linéarité de la relation charge / conductivité (ou précipitation / conductivité). Plus concrètement, un même événement de précipitations ne produit pas les mêmes effets en termes d’augmentation de conductivité. La première crue de la saison humide entraine une augmentation de conductivités significativement plus élevée que les crues suivantes même si elles sont plus importantes.

De ces observations, il est possible de déduire les points suivants (Illustration 33) :

> Le système sol / zone non-saturée présente localement une perméabilité élevé expliquant un transfert de masse rapide entre les eaux de surface et les eaux souterraine (phénomène de dilution observé lors de la crue souterraine) ;

> L’ouvrage recoupe probablement plusieurs horizons perméables : les variations de charge hydraulique lors de la recharge influencent plus l'un que l'autre ;

> Les lignes de courant sont modifiables en fonction de la charge. Cela signifie que des flux obliques (transverses aux structures volcaniques subhorizontales) influencent les hydrosystèmes souterrains ;

> Que cela soit sur la cascade du Chaudron ou sur Appoint ZEC, la non-linéarité de la relation charge / conductivité (ou précipitation / conductivité) implique une double porosité du système. Physiquement, cette double porosité pourrait s’illustrer par la présence de fractures à forte perméabilité connectées à une matrice moins perméable. Suite à une crue, des eaux plus minéralisées sont mobilisées par des lignes de courant plus profondes. Lors de la première crue de la saison humide, les systèmes plus profonds sont « lessivés » et leurs eaux plus minéralisées se dirigent vers des systèmes plus superficiels. Par approche



purement naturaliste, cette double porosité se déduit tout simplement de la nature du milieu ;

> Au cours de l’étiage, le système à double porosité n’est plus sollicité durant quelques mois. Cette matrice moins perméable et imprégnée d’eaux plus minéralisées (temps de résidence plus long) diffuse par le jeu de gradient de minéralisation des eaux plus minéralisées vers les fractures plus perméables. En fin d’étiage, ces fractures perméables, abritant désormais des eaux issues d’un mélange entre celles de la matrice et celles de la dernière crue de la saison humide, pourront de nouveau être sollicitées.

Ces interprétations sont confortées par certains processus hydrochimiques (§ 6.3.2 – p. 105) de type dénitrification partiel et ponctuel sur l’ouvrage du Chaudron. Ainsi, les teneurs en nitrates diminuent alors que les teneurs en chlorures restent stables ce qui dénote la contribution d’eau ayant subi des conditions réductrices en milieu anaérobie.

Ainsi, quelques concepts d’hydrogéologie en milieu volcanique (double porosité, aquifères complexes hétérogènes, similarités avec le milieu karstique…) sont observées et démontrées sur la base d’un suivi charge / conductivité.

Ces concepts rejoignent les observations réalisées par Antea (2008) sur le forage F3 Duparc. Cet ouvrage est caractérisé par une stratification des zones de production ayant chacune leur propre qualité hydrochimique. De même, dans un autre contexte, le forage Petit Prado (Daessle, 2005) recoupe deux horizons aquifères distincts caractérisés par une drainance ascendante (∆H ≈ 4 m)

Illustration 32 - Chroniques de débits, conductivité et température des sources du Chaudron



Saison humide 2007-2008 (Office de l’eau 2009)



Illustration 33 – Schéma conceptuel des mécanismes de recharge observés à la cascade du Chaudron et sur le point Appoint ZEC



4.3. INTERPRETATION GLOBALE DE L’ANALYSE PAR TRAITE MENT DU SIGNAL

Un tableau récapitulatif des éléments issus des analyses faites par traitement du signal est proposé ci-dessous (Illustration 34).

Les forages pompés ne seront pas intégrés à l’interprétation globale car les analyses n’ont donné aucun résultat dans leur cas.

Illustration 34 - Synthèse des résultats des analyses par traitement du signal

Les résultats déduits de l’analyse des données par traitement du signal permettent de faire plusieurs remarques et suppositions quant au fonctionnement global de ces aquifères :

> L’ensemble des nappes étudiées (par l’intermédiaire des ouvrages) présentent un caractère captif ;

> Les neuf forages influencés par la marée sont en équilibre avec l’océan . Ils captent probablement la nappe d’extension régionale en connexion avec l’océan décrite au début de ce rapport et appelée « complexe aquifère

Journalier HoraireDéphasage à 24h

Dist à océan (m)

Diffusivité (m²/s)

x - - 8h 600 2.84 Hybridex Recharge annuelle Marée 2h30 500 23.03 Hybride

Nappe sup x Phénomène à 7 jours Marée 4h 7.89 HybrideNappe inf x Syzygie, recharge annuelle Marée 4h 8.29 Lente

x - - - - - Rapidex x - Pompages - - - -

x - - - - - Rapidex x Phénomène à 7 jours Pompages - - - -

x - Pompages - - - -x Syzygie Marée 1h 1150 - Lentex Recharge annuelle - 6h30 1800 - Hybride

x - - - - - Hybridex x - Pompages - - - Hybride (?)

x x - Pompages - - - -x - - - - - Lente

x Syzygie, recharge annuelle Marée 4h 1450 - Lentex - - 5h 1180 - Lentex x - Pompages - - - -x - Marée 1h45 1200 - Lente

Nappe libre

Nappe captive

Pompages

P27 Belle eau P22 Les Cocos

Rav des Chèvres

Désignation du forage

F3 DuparcAppoint ZEC

S1 Puits du ChaudronRiv des Pluies S1 Puits ZEC

F4 Ilet Quinquina

Chemin GrimmDomenjod

S7 La Convenance

? Plutôt captive

Le Verger Grand Prado Puits Tomi

Bel Air

La Découverte F2 Gillot

Réponse aux précipitations

Autocorrélation

500

Traitement avec marée



régional ». Le caractère captif est plus ou moins marqué. Ces ouvrages présentent des réponses hybride ou lente aux précipitations ;

> Les forages présentant une réponse lente aux précipitations sont vraisemblablement isolés de la surface par des horizons peu perméables (mis à part Tomi, qui semble présenter un fonctionnement particulier). Ils sont probablement alimentés par des flux percolant lentement au travers des horizons peu perméables sus-jacents ou des infiltra tions se produisant en amont , contribuant ainsi à la recharge de la nappe un à deux mois après l’épisode pluvieux ;

> Les ouvrages présentant une réponse rapide sont « rechargés » par un transfert de pression. Il est probable que des transferts puissent s’opérer entre les rivières – pérennes ou non – situées à proximité (Ravine du Chaudron, Ravine Patates à Durand) et les nappes approvisionnant ces ouvrages venant ainsi les recharger par transfert de pression rapide (relations eaux de surface / eaux souterraines) ;

> Quant aux forages dont la réponse est hybride , leurs corrélogrammes croisés avec les précipitations sont caractérisés par plusieurs pics mettant en évidence la pluralité des contributions . Ces ouvrages sont probablement alimentés à la fois par des apports provenant des interactions eaux de surface/eaux souterraines et par des infiltrations se produisant en amont contribuant par la suite.

Afin de mieux contraindre le fonctionnement des hydrosystèmes étudiés, une analyse par modélisation globale est réalisée avec le logiciel Tempo.



4.4. APPORT DU CONTEXTE DES OUVRAGES POUR LA COMPREHENSION DES PHENOMENES OBSERVES

L’analyse du contexte général a permis de préciser l’origine de l’eau contribuant à la recharge des nappes et d’expliquer les différences de réaction des ouvrages face aux précipitations.

La mise en évidence de corrélations entre la géologie et le comportement d’un ouvrage n’est pas systématiquement possible. Cependant, la lithologie peut apporter des éléments de compréhension dans le fonctionnement global.

En outre, l’hydrologie de la zone semble expliquer une part du comportement des forages. La proximité des rivières peut induire des transferts rapides vers les nappes, contribuant ainsi à leur recharge.

Enfin, la position des crépines semble expliquer6 une large part du comportement des ouvrages vis-à-vis des précipitations. La profondeur du toit des crépines a été triée par ordre croissant (Illustration 35 - Illustration 36) et met en évidence l’évolution continue du comportement des ouvrages avec la profondeur du toit des crépines : globalement, plus les crépines sont proches de la surface et plus la piézométrie de l’ouvrage est réactive. Cette observation permet d’envisager un temps de transfert, lié au temps d’infiltration, de plus en plus long en fonction de la profondeur du toit des crépines.

Il est aussi intéressant d’établir des corrélations entre le temps de transfert et avec d’autres caractéristiques telles qu’altitude de l’ouvrage, profondeur moyenne des crépines7, altitude moyenne des crépines, altitude du mur des crépines, hauteur des crépines (Illustration 37). Au-delà de l’épaisseur de zone non-saturée (qui correspond au facteur « profondeur du toit des crépines »), l’altitude des ouvrages constitue aussi un facteur présentant une relation avec le temps de transfert de pression.

A partir de ces observations, il parait pertinent de vérifier que la profondeur des crépines (mur, toit et moyenne) se corrèle bien avec l’altitude des ouvrages (Illustration 38). Cette dernière constatation rejoint, à l’échelle du terrain d’étude, le concept de continuité hydraulique et du « complexe aquifère régional continu ou nappe de base » proposé par Join (1991).

6 Les corrélations proposées ici reposent sur un faible échantillon de données. L’exercice reste ici anecdotique, toutefois, les observations et interprétations effectuées mériteraient de mener cet exercice à l’échelle de la Réunion.

7 Profondeur moyenne = (Mur de la crépine – toit de la crépine) / 2



En conclusion, à l’échelle du terrain d’étude, le temps de transfert de pression se corrèle relativement bien avec la profondeur des crépines (qui correspond à une approximation de la zone non saturée). Cette observation sous-entend que la recharge des aquifères se fait, d’une part en amont (notion de bassin versant souterrain), mais aussi au droit des ouvrages via des circulations rapides en milieu fracturé.

Illustration 35 - Mise en évidence du lien entre le comportement des ouvrages et la position de leurs crépines.

Les ouvrages sont triés par ordre croissant de la profondeur du toit de leurs crépines. En rouge apparaissent les ouvrages à réponse rapide, en orange les réponses hybrides et en vert les

réponses lentes. En noir italique figurent les réponses aux précipitations des ouvrages exploités (détermination visuelle).

Réponse aux précipitations

Temps de transfert (1er pic) (j)

Profondeur toit crépines (m)

Profondeur mur crépines (m)

Hauteur crépines (m)

Lente 47 6.00 15.00 9.00

Rapide 4 24.50 44.50 20.00

Rapide 2 27.00 32.00 5.00Hybride 3 27.00 54.00 27.00Hybride 18 35.00 99.50 64.50

? 39.00 80.00 41.00Lente 32 61.00 97.00 36.00

Hybride 8 62.00 110.00 48.00Hybride 11 67.00 118.50 51.50Hybride 78.00 120.00 42.00Hybride 7 81.00 113.00 32.00Hybride 82.00 112.00 30.00Lente 59 104.50 128.50 24.00

? 110.00 140.00 30.00Lente 26 130.00 150.00 20.00Lente 52 138.00 160.00 22.00Lente 167.00 185.00 18.00Lente 191.00 256.00 65.00Lente 57 ? ? ?

Chèvres inférieure

S1 Puits du Chaudron

Puits Tomi

Le Verger F3 Duparc

S1 Puits ZEC

Forage Appoint ZEC P22 Les Cocos La Découverte

Chèvres supérieure

F4 Ilet Quinquina Forage Domenjod S7 La Convenance

Désignation de l'ouvrage

Grand Prado Forage Chemin Grimm Forage Riv des Pluies

Forage Bel Air

F2 Gillot

Forage P27 Belle eau



Illustration 36 – Relations entre les temps de réponse et la profondeur des crépines

Le point entouré en rouge correspond au Puits Tomi, pour lequel le fonctionnement est mal caractérisé. Sans ce point, le coefficient de corrélation R2 passe de 0.22 à 0.55.

R2 = 0.216

0

50

100

150

200

250

0.00 10.00 20.00 30.00 40.00 50.00 60.00 70.00

Temps de transfert de la pluvio à la piézo (j)

Pro

fond

eur

du to

it de

s cr

épin

es (m

)

Réponse rapide Réponse hybride Réponse lente

R2 = 0.5518

0

50

100

150

200

250

0.00 10.00 20.00 30.00 40.00 50.00 60.00 70.00


Pro

fond

eur

du to

it de

s cr

épin

es (m

)

Réponse rapide Réponse hybride Réponse lente

Puits Tomi exclu



Illustration 37 – Corrélations entre le temps de transfert et différentes caractéristiques des ouvrages

En raison de son fonctionnement particulier, le puits Tomi n’est pas représenté sur les graphiques ci-dessus.

R2 = 0.535

0

50

100

150

200

250

0.00 10.00 20.00 30.00 40.00 50.00 60.00 70.00


Pro

fond

eur

moy

enne

des

cré

pine

s (m

) R2 = 0.0091

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

0.00 10.00 20.00 30.00 40.00 50.00 60.00 70.00


Alti

tude

moy

enne

des

cré

pine

s (m

NG

R)

R2 = 0.0091

0

10

20

30

40

50

60

70

0.00 10.00 20.00 30.00 40.00 50.00 60.00 70.00


Hau

teur

des

cré

pine

s (m

)

R2 = 0.0465

-120

-100

-80

-60

-40

-20

0

0.00 10.00 20.00 30.00 40.00 50.00 60.00 70.00


Alti

tude

du

mur

des

cré

pine

s (m

NG

R)

R2 = 0.3165

-90

-80

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

0.00 10.00 20.00 30.00 40.00 50.00 60.00 70.00


Alti

tude

du

toit

des

crép

ines

(m

NG

R)

R2 = 0.6018

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0.00 10.00 20.00 30.00 40.00 50.00 60.00 70.00


Alti

tude

du

fora

ge (

m N

GR

)



Illustration 38 - Corrélations entre altitude des ouvrages et profondeur des crépines (toit, mur et moyenne)

R2 = 0.8337

0

50

100

150

200

250

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

Altitude de l'ouvrage (m NGR)

Pro

fond

eur

du to

it de

s cr

épin

es (

m)

R2 = 0.8337

0

50

100

150

200

250

300

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200


Pro

fond

eur

du m

ur d

es c

répi

nes

(m)

R2 = 0.8522

0

50

100

150

200

250

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200


Pro

fond

eur

moy

enne

des

cré

pine

s (m

)



5. Modélisation globale des aquifères du nord de la Réunion

La modélisation globale des aquifères du nord de la Réunion a pour objectif :

> l’identification des composantes hydrologiques régissant le fonctionnement des hydrosystèmes de la zone d’étude

> la recherche des réponses impulsionnelles des différentes composantes des écoulements dans l'hydrosystème; ces réponses impulsionnelles permettront de bien caractériser la réactivité de l'hydrosystème suite à un épisode pluvieux.

La réponse impulsionnelle d'un système dont le fonctionnement est décrit par une relation (qui peut être complexe) entre une entrée (par exemple des pluies) et une sortie (par exemple des niveaux de nappe) est la sortie de ce système quand l'entrée est une impulsion très brève.

Une réponse impulsionnelle associée à une composante d'un écoulement (par exemple un écoulement "lent" dans une porosité matricielle et un écoulement "rapide" dans un réseau de fissures) permet d'obtenir un temps de réponse pour cette composante.

Les temps de réponse sont des temps moyens, calculés comme moyenne des temps (sur la durée de réaction du système) pondérée par les valeurs de la réponse impulsionnelle.

Le logiciel utilisé est Tempo.

5.1. PRINCIPE DE LA MODELISATION AVEC TEMPO

Le type d’approche utilisée apporte, à partir du suivi en continu d’un niveau piézométrique ou d’un débit et de paramètres physico-chimiques tels que la conductivité et la température de l’eau, des renseignements sur les processus de transfert responsables des variations observées et, ce faisant, sur les mécanismes régissant le fonctionnement d’un hydrosystème.

Les modèles construits avec Tempo appartiennent à la catégorie des modèles de type "boîte noire" (selon la classification courante) des types de modèles. Contrairement à la modélisation déterministe et directe qui consiste à simuler le fonctionnement d'un hydrosystème à partir de concepts reposant à la fois sur la description géométriques de l'hydrosystème et l'application de lois physiques (Darcy), la modélisation inverse



décrit le fonctionnement d'un hydrosystème à partir de réponses impulsionnelles (ruissellement, écoulement souterrain, transfert de masse). Ces réponses impulsionnelles (appelées également fonctions de transfert) reliant variables d'entrée (pluies, ETP) et variables de sortie (niveaux de nappes et/ou débits à l'exutoire du bassin, concentration de solutés…) sont obtenues par des techniques complexes d'inversion (Pinault, 2007).

Les processus de transfert (Illustration 39) intervenant à l'échelle de bassins font généralement intervenir plusieurs réponses impulsionnelles (ou fonctions de transfert).

Deux réponses impulsionnelles peuvent être utilisées simultanément :

> une réponse impulsionnelle dite rapide, destinée à caractériser le ruissellement de surface d'un bassin versant ou la vidange gravitaire d’une nappe par « effet de chasse », c’est à dire après que se soit établie une continuité hydraulique entre la zone non saturée et la nappe (ce phénomène intervient principalement dans certains aquifères karstiques et dans des milieux à double porosité tels que la craie ou les milieux volcaniques fissurés).

> une réponse impulsionnelle lente, nécessairement plus longue que la précédente, décrivant à la fois les processus de transfert rapides et différés : infiltration, etc.

Dans le cas de la modélisation d’un niveau piézométrique, la fonction de transfert rapide permet de discriminer l’effet de piston de l’infiltration lente. Dans certains cas, la prise en compte d’une composante rapide améliore l’ajustement bien que la réponse impulsionnelle soit nulle (il n’y a pas de transfert rapide). La non-linéarité du système provient du fait que l’eau infiltrée n’est pas proportionnelle à la pluie efficace car le ruissellement est favorisé par un état de saturation en eau des sols élevé.

Ci-dessous, les 2 réponses impulsionnelles du modèle de transfert. Si les processus de transfert peuvent être décrits au moyen d’une seule et unique réponse impulsionnelle, alors ils sont linéaires. En rouge, apparaissent les variables observées

Illustration 39 - Organigramme d’un modèle de transfert non-linéaire (Pinault, 2007).

Variable (1) Pluie

Variable (2) ETP, T

Variable (3) connexion

(débit, niveau)Réponse

impulsionnelle lenteRéponse

impulsionnelle rapide

MéthodeModèle de transfert

non-linéaire sortie

Répertoire Débit

Pluie efficace



5.2. MODELISATION DES SERIES TEMPORELLES

5.2.1. Choix des chroniques piézométriques modélisé es

Afin de contraindre au mieux le fonctionnement des hydrosystèmes étudiés, un ouvrage par type de réponse aux précipitations a été sélectionné. Ces ouvrages ne doivent pas être exploités et doivent présenter une chronique piézométrique suffisamment longue. Ainsi le choix a porté sur les forages suivants :

> S1 ZEC pour la réponse rapide

> Duparc pour la réponse hybride

> Ravine des Chèvres inférieure pour la réponse lente.

5.2.2. Paramètres des modélisations

La modélisation des chroniques a été réalisée au pas de temps journalier. Pour chacune d’entre elles un niveau de référence a été défini manuellement, correspondant approximativement au niveau d’étiage moyen. Aucune connexion (interactions entre différents hydrosystèmes) n’a été insérée.

Le type de modèle utilisé est non paramétrique. Pour modéliser une chronique piézométrique, il est généralement employé un modèle paramétrique de type convolution de fonction exponentielle et gaussienne. Ce dernier type de modèle est fréquemment utilisé pour des aquifères sédimentaires et certains aquifères de socle. Le modèle non-paramétrique est plus appliqué au contexte karstique ou aux milieux très particuliers. Dans le cas présent, les facteurs influençant la piézométrie présentent des dynamiques différentes en fonction de la charge. Le modèle non paramétrique, caractérisé par un grand degré de liberté, est donc plus adapté au contexte volcanique jeune.

Illustration 40 - Paramètres des modélisations

OuvragePériode

modéliséeVariables d'entrée

Niveau de référence (mNGR)

Contribution de la pluie à la pluie efficace (%)

Composante rapide (j)

Composante lente (j)

S1 ZEC04/10/01 au

19/11/07ETP GillotPluvio du Chaudron

2.56 80 - 228

Duparc27/01/99 au

31/12/07ETP GillotPluvio de Gillot

1.19 75 - 230

Chèvres inférieure

13/06/01 au 31/12/07

ETP GillotPluvio de Grand Hazier

3.99 70 17 230



Les composantes lente et rapide de la réponse impulsionnelle sont fixées à partir des résultats des corrélogrammes croisés pluie/piézométrie. Si une composante rapide est définie, elle correspond au premier pic du corrélogramme tandis que la composante lente correspond au plus bas niveau de la réponse : c’est-à-dire lorsque les précipitations n’ont plus aucune influence sur la piézométrie (Annexe 5).

5.2.3. Modélisation de S1 ZEC (réponse rapide)

Le modèle obtenu est présenté sur l’illustration 41. Le coefficient de Nash obtenu (paramètre qui permet de rendre compte de la qualité des simulations) est de 0.84 (la valeur 1 est atteinte lorsque le modèle reproduit à 100% les observations). Visuellement, le modèle reproduit de façon satisfaisante la chronique à partir de 2004 ; cependant les pics de crue et les tarissements sont surestimés en 2002 et 2003.

Illustration 41 - Résultat de la modélisation de la piézométrie de S1 ZEC

La réponse impulsionnelle de la recharge par précipitations (Illustration 42) présente un maximum à 2 jours. Ce résultat est cohérent avec ceux obtenus par le corrélogramme croisé. Bien que le critère de Nash8 ne valle que 0.84, le modèle indique un transfert de l’eau rapide.

Illustration 42 - Réponse impulsionnelle simulée pour S1 ZEC

8 Le critère de Nash est un paramètre sans dimension : Nash=1-Z, où Z est égal au rapport de la somme des carrés du résidu sur la variance de la série observée (moment centré d'ordre 2).

Nash=0.8440

0

2

4

6

8

10

12

01/2001 01/2002 01/2003 01/2004 01/2005 01/2006 01/2007

mNGR0

50

100

150

200

250

300

mm

Modèle Chronique de S1 ZEC Pluie_Chaudron

Réponse impulsionnelle

0.000

0.005

0.010

0.015

0.020

0 10 20 30 40 50décalage (j)



5.2.4. Modélisation de Duparc (réponse hybride)

Le modèle obtenu est présenté sur l’illustration 43. Visuellement, la modélisation est acceptable. Le coefficient de Nash est de 0.82, ce qui reste acceptable comme résultat. La simulation de l’année 2002 est de mauvaise qualité : le pic de crue de Dina est surestimé.

La réponse impulsionnelle (Illustration 44) présente un maximum à 7 jours, ce qui correspond au résultat obtenu avec le corrélogramme croisé.

Illustration 43 - Résultat de la modélisation de Duparc

Illustration 44 - Réponse impulsionnelle de Duparc

Réponse impulsionnelle

0.000

0.005

0.010

0.015

0.020

0.025

0.030

0 20 40 60 80 100 120décalage (j)

Nash=0.8169

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007

mNGR0

50

100

150

200

250

300

350

400

mm

Modèle Chronique de Duparc Pluie_Gillot



5.2.5. Modélisation de Chèvres inférieure (réponse lente)

La chronique de la nappe inférieure de Ravine des Chèvres a été préalablement filtrée pour effacer le phénomène périodique dont la période est de 15 jours et correspondant à la syzygie. Le filtre utilisé est la dérivée d’une gaussienne.

Le coefficient de Nash obtenu pour la modélisation de Chèvres inférieure (Illustration 45) est de 0.78, ce qui reste mitigé. Le pic de crue de 2002 est une fois de plus surestimé par le modèle tandis que les pics de 2004 à 2007 sont sous-estimés.

La réponse impulsionnelle (Illustration 46) présente un maximum à 13 jours. Ce résultat est plus faible que celui obtenu avec le corrélogramme croisé mais la courbe décroit lentement jusqu’à atteindre environ 75 jours, caractérisant ainsi un transfert lent de l’eau.

Illustration 45 - Résultat de la modélisation de Chèvres inférieure

Illustration 46 - Réponse impulsionnelle de Chèvres inféireure

Nash=0.7839

3.0

3.5

4.0

4.5

5.0

5.5

6.0

6.5

7.0

2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007

mNGR0

50

100

150

200

250

300

mm

Modèle chevresInf_fil Pluie_GdHazier

Réponse impulsionnelle de Chèvres inférieure

0.000

0.005

0.010

0.015

0.020

0 20 40 60 80 100 120décalage (j)



5.3. INTERPRETATION DES RESULTATS DE LA MODELISATIO N

Les coefficients de Nash obtenus, sans être excellents, indiquent néanmoins des modélisations satisfaisantes, bien que le pic de crue de 2002, accompagné d’une forte intensité de précipitations, soit systématiquement surestimé par les modèles et semble en dégrader la qualité. Les raisons peuvent en être :

> le type de modèle utilisé, qui n’est pas basé sur des lois physiques et donc ne permet pas de contrôler directement les paramètres d’infiltration et de ruissellement de l’eau lors des précipitations ;

> l’intensité des précipitations (jusqu’à 350mm le 22/01/02 à Gillot) a engendré un ruissellement intense et des phénomènes de transport solides. Bien que le milieu soit perméable, les capacités d'infiltration ont été saturées ;e ne permettant pas une recharge des aquifères en adéquation avec les précipitations sur le secteur ZEC.

La modélisation des trois chroniques piézométriques met en évidence le fait qu’elles sont principalement influencées par la pluviométrie . Cette conclusion est étayée par le résultat suivant : l’ajout de piézomètres en alimentation (données en entrée) ne permet pas une meilleure simulation des charges en sortie. L’emploi d’un modèle non paramétrique indique que les hydrosystèmes étudiés présentent plusieurs dynamiques d’infiltration de l’eau dans un milieu particulier.



5.4. CARACTERISATION DU FONCTIONNEMENT HYDROGEOLOGI QUE DU SECTEUR « PIEZOMETRE S1 PUITS DU CHAUDRON »

5.4.1. Contexte

De toutes les chroniques piézométriques disponibles dans le secteur d’étude, la chronique de Chaudron (12264X0113/S1) présente une évolution atypique depuis 2001 qui se traduit par une tendance à l’augmentation du niveau piézométrique de base (piézométrie des périodes de basses eaux - Illustration 47). Entre 2001 et 2008, le niveau piézométrique en période de basses eaux a ainsi augmenté de près de 0.7 m

En condition naturelle de fonctionnement, l’aquifère du secteur Chaudron est en partie rechargé par les échanges nappe-rivière qui existent en aval de la station de jaugeage Domenjod sur la Rivière des Pluies (Office de l’eau, 2009). Plus concrètement, les jaugeages différentiels réalisés par l’Office de l’eau tendent à démontrer le rôle de la configuration du lit aval de la Rivière des Pluies :

> Entre 2002 et 2007, les infiltrations sont plus faibles qu’auparavant pour un débit identique (delta Qinfiltration ≈ 250 l/s - Illustration 48). Un colmatage du lit de la Rivière des Pluies, à confronter notamment avec une importante coulée boueuse relative à la rupture du barrage naturel de l'effondrement de mars 2002 (site du Grand Eboulis) semble justifier la baisse des débits d’infiltration. Ce genre de colmatage est aussi observé sur le site du Bras de la Plaine dans un contexte d’éboulement similaire ;

> Suite au passage du cyclone Gamède (Février 2007), le lit de la Rivière des Pluies a vraisemblablement été remobilisé et les échanges d’eau entre la nappe et la rivière ont pu augmenter au profit de la nappe (infiltration de 500 à 1300 l/s).

Le phénomène naturel d’infiltration d’eau dans la partie aval a également été probablement augmenté en raison des apports d’eau supplémentaires issue de la galerie de Salazie Amont. Au sein de la présente étude, différentes hypothèses ont été testées à l’aide de l’approche par modélisation globale Tempo dans le but d’une meilleure compréhension du fonctionnement hydrogéologique de l’aquifère.

Il s’agissait aussi d’analyser la variabilité et l’influence des phénomènes périodiques naturels (alternance d’années sèches et humides) : 2001 correspond à une année particulièrement sèche. Ces conditions naturelles sont bien sûr intégrées dans les modélisations via les chroniques de précipitations qui sont des entrées des différents modèles.



Illustration 47 - Evolution de la pluviométrie et du niveau piézométrique de l’ouvrage Chaudon (12264X0061/P) depuis le 15/10/1999.

1

2

3

4

5

6

7

1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009

m NGR

0

200

400

600

800

mm

Chaudron_1j Pl_Opt(Chaudron)



Illustration 48 - Evolution du débit de la Rivière des Pluies à Domenjod (station ORE n°21101), Amont.

0.01

0.1

1

10

100

01/01/99 01/01/00 01/01/01 01/01/02 02/01/03 02/01/04 02/01/05 02/01/06 03/01/07 03/01/08 03/01/09

Déb

it (m

3/s)

Suivi Q Riv Des Pluies à Domenjo-n°21101 Jaugeage au Pont Domenjod

Débit d'infiltration vers l'aquifère (Aval Domenjo) Rejet Galerie Salazie



5.4.2. Traitement préparatoire à la modélisation gl obale

L’utilisation de l’option de pondération des chroniques de pluie permet de calculer la chronique de pluie suivante :

Pl_Opt_Chaudron = 0.19*Pluv_Chaudron+0.81*Pluv_Fougeres + 0.00*Pluv_Gilot

La chronique piézométrique de l’ouvrage Chaudron (12264X0016/P) présente de nombreuses lacunes qui sont préjudiciables lors de la mise en œuvre de la modélisation globale. Ces lacunes ont du être reconstituées. L’approche adoptée repose dans un premier temps, sur l’identification d’un analogue en termes de réponse piézométrique à la pluviométrie (Illustration 49). Puis dans un second temps, l’outil « réponse impulsionnelle » du logiciel Tempo est utilisé dans le but de calculer les réponses impulsionnelles qui lient les entrées (Pluie, chronique de Duparc) à la sortie considérée (chronique de Chaudron - Illustration 50). Les réponses impulsionnelles sont ensuite utilisées pour reconstituer les lacunes de la chronique piézométrique de Chaudron (Illustration 51). Les résultats indiquent que la piézométrie de Chaudron est très largement expliquée (poids 0.92 - Illustration 50) par les variations piézométries de Duparc, ce qui dénote que la chronique Duparc constitue un « bon analogue » pour décrire les variations de Chaudron. Pour reproduire les évolutions observées à Chaudron, il est nécessaire de prendre en compte une tendance linéaire à l’augmentation de la piézométrie (+ 0.1 m/an).

Illustration 49 - Evolution de la pluviométrie et de la piézométrie des sites Chaudron et Duparc depuis 1999.

1.0

2.0

3.0

4.0

5.0

6.0

1997 2001 2005 2009

m NGR0

200

400

600

800

mm

Duparc (1j) Chaudron (1j) Pl_Opt_Chaudron



Illustration 50 - Schéma de principe de l’outil « réponse

impulsionnelle »

Illustration 51 - Evolution de la piézométrie de Chaudron (mesurée et reconstituée)

R.I.

Pluie

PiézoPiézoDuparc R.I.

Pluie

PiézoPiézoDuparc

RI_chaudron\REP. IMPULS. (sans dimension). Var %=0.9228\0.0772\

-0.10

-0.05

0.00

0.05

0.10

0.15

0 50 100

décalage (j)

Duparc_journ

Pl_Chaudron_c

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

4.5

5.0

5.5

6.0

1999 2003 2007

mNGR0

100

200

300

400

500

600

700

800

mm

Chaudron_1j Duparc_1j RI_Chaudron Pl_Opt(Chaudron)



5.4.3. Caractérisation du fonctionnement hydrogéolo gique par modélisation globale

a) Paramètres de modélisation

La chronique de pluies utilisée pour étudier le fonctionnement du piézomètre est celle obtenue par combinaison linéaire. Les postes pluviométriques considérées et les poids relatifs des différents postes pluviométriques ont été présentés précédemment. La chronique d’ETP considérée est celle de la station Météo-France de Gillot.

Les modélisations de la chronique Chaudron ont été réalisées au pas de temps journalier. Pour chacune d’entre elles, un niveau de référence a été défini manuellement, correspondant au niveau piézométrique d’étiage minimum observé sur la période (1.2 m NGR). Les connexions hydrauliques testées sont les suivantes : (1) débit d’infiltration de la zone aval estimé (Office de l’eau, 2009) ; (2) débit de rejet à la Rivière des Pluies des eaux de la galerie Salazie amont.

La technique d’inversion par l’approche Tempo consiste à calculer les hydrogrammes unitaires (réponses impulsionnelles) et le seuil Oméga de pluie efficace de telle sorte que le niveau d’eau simulé par le modèle soit le plus proche possible des observations. Ce seuil Oméga est estimé à partir de la pluie et de l’ETP (ou ETR) de telle façon que seule la hauteur de pluie située au-dessus de ce seuil génère une réponse du système. Il est calculé à partir de la réponse impulsionnelle du système à la pluie et à l’ETP, également obtenues par inversion (Illustration 52).



Illustration 52 - Seuil de pluie efficace (Omega) et réponse à la pluie et à l’ETP.

Chaudron\Seuil de pluie efficace: Omega

0

100

200

300

400

500

600

700

1997 1999 2001 2003 2005 2007

mm

Pl_Opt_Chaudron Omega

Chaudron REP. IMP. de Omega à Pl_Chaudron_c\ETP_Gil lot_e Cst

-0.02

0.00

0.02

0.04

0.06

0.08

0 10 20 30 40 50 60

décalage (j)

Pl_Chaudron_c ETP_Gillot_e



b) Résultats

Les résultats de la modélisation obtenus en considérant la chronique de débit d’infiltration de la zone aval sont présentés sur l’illustration 53. Ceux obtenus en considérant la chronique de débit de rejet de la galerie Salazie Amont sont présentés illustration 54.

Le premier modèle (débit d’infiltration - Illustration 53.) permet de reproduire de manière satisfaisante la première partie de la chronique (jusqu’en 2002). Pour la deuxième partie de la chronique (2002-2008), le modèle à tendance à surestimer ou sous-estimer les périodes de hautes eaux. L’étiage 2002 apparaît surestimé tandis que les étiages 2006 et 2007 sont sous-estimés.

Le second modèle (débit de rejet de la GSAM - Illustration 54) permet également de reproduire de manière satisfaisante la première partie de la chronique (jusqu’en 2002). Pour la deuxième partie de la chronique (2002-2008), le modèle à tendance à mieux reproduire les périodes d’étiage en comparaison au premier. Le modèle ne reproduit pas l’évolution de la piézométrie mesurée en 2008 contrairement au modèle précédent.

Les critères de Nash obtenus par ces deux modèles sont respectivement de 0.69 et 0.71 ce qui témoigne de résultats globalement acceptables. Ces résultats semblent donc indiquer que l’élévation de la piézométrie de base du piézomètre Chaudron est à relier aux échanges nappe-rivière et plus particulièrement aux apports d’eaux supplémentaires apportées par le rejet de la galerie Salazie Amont (par rapport au fonctionnement naturel et à l’alternance d’années sèches et humides).

Ce comportement hydrodynamique particulier, c'est-à-dire marqué par une recharge amplifiée par l’augmentation anthropique du débit de la Rivière des Pluies pourrait vraisemblablement être aussi attribué au secteur ZEC (piézomètre S1 Puits Zec - 12271X0038 ; forage d'appoint ZEC - 12271X0060 ; puits ZEC Chaudron - 12271X0037). En effet, ce secteur est marqué par une augmentation du niveau de la piézométrie moyenne à l'étiage (Illustration 55). Ces conclusions convergent vers celles du modèle déterministe de l’Office de l’eau sur le secteur (Stoll, 2005) : l’augmentation des infiltrations de la Rivière des Pluies conduit à une augmentation de la charge hydraulique de S1 Puits ZEC du Chaudron.

A l’inverse, bien que situé dans l’emprise du cône alluvial de la Rivière des Pluies, le forage Duparc ne semble pas être influencé par cette recharge accrue. En ce qui concerne F2-Gillot, la chronique piézométrique n’est pas suffisamment longue (29/08/07 au 12/01/09) afin de suivre une évolution sur le moyen terme.



Illustration 53 - Résultat du modèle de transfert de Chaudron en considérant la connection hydraulique « Débit d’infiltration » de la zone aval de la Rivière de Pluie.

Illustration 54 - Résultat du modèle de transfert de Chaudron en considérant la connection hydraulique « Débit de rejet de la galerie de Salazie » dans la Rivière de Pluie.

ChaudronQinfil\Modèle et observations S= 0.297 m NGR R2= 0.873 Nash=0.696

1.0

2.0

3.0

4.0

5.0

6.0

01/01/99 01/01/01 02/01/03 02/01/05 03/01/07 03/01/09

m NGR

-0.1

0.1

0.3

0.5

0.7

0.9

1.1

1.3

1.5Modèle

Chaudron1j_Estimé

Chaudron (mesure)

Débit d'infiltration

Chaudron\Modèle et observations S= 0.287 m R2= 0.851 Nash=0.716

1.0

2.0

3.0

4.0

5.0

6.0

7.0

01/01/99 01/01/01 02/01/03 02/01/05 03/01/07 03/01/09

m

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

Q m

3/s

Modèle

Chaudron1j_Estimé

Chaudron (mesure)

Qrejet_RdP



Illustration 55 - Evolution de la piézométrie moyenne de la nappe littorale à l'étiage (Office de l’eau, 2009)



6. Apport de l’approche géochimique

6.1. CONTEXTE ET APPROCHE METHODOLOGIQUE

L’objectif de l’approche géochimique est d’identifier le contexte géochimique des eaux souterraines du nord de la Réunion sur la base des analyses chimiques existantes :

> aquifères (forages AEP et sources) ;

> galerie Salazie Aval et Amont ;

> eaux de surface (Rivière des Pluies et de St-Denis) ;

> les eaux des sources thermales ou non du cirque de Salazie).

De nombreux travaux se sont intéressés aux caractéristiques hydrochimiques des eaux de surface de la Réunion comme marqueurs de la lithologie des formations rencontrées à l’affleurement où comme marqueur des circulations souterraines des aquifères de l’ile, notamment dans le massif du Piton des Neiges (Grünberger, 1989 ; Join, 1991 ; Louvat, 1997 ; Join et al, 1997 ; Louvat et Allègre, 1997 ; Hoarau, 2001). Ces travaux, qui serviront de point de départ à notre démarche n’abordent pas ou peu la caractérisation des autres processus (mélange, pollution) qui peuvent modifier les signatures géochimiques des eaux.

La caractérisation hydrogéochimique a été principalement réalisée par l’interprétation des diagrammes binaires qui permet la comparaison d’information apportées par deux éléments (ou des rapports entre éléments). L’approche méthodologique repose dans un premier temps sur l’identification et la caractérisation de la signature de l’eau de recharge qui contribue à alimenter les aquifères, puis dans un second temps par la caractérisation de la « référence naturelle » qui n’a pas subi l’influence d’apports anthropiques afin de qualifier les processus de minéralisation de l’eau uniquement due à l’interaction eau-roche. Les informations apportées par chaque traceur sont ensuite confrontées les unes aux autres dans le but de conceptualiser le fonctionnement hydrogéochimique des hydrosystèmes étudiés et d’identifier les principaux processus chimiques qui contribuent à expliquer les minéralisations observées.

Dans un second temps, une attention particulière a été accordée aux eaux de la galerie de Salazie dans la mesure où le creusement de la galerie Salazie Amont (GSAM) pourrait éventuellement impacter la recharge des aquifères localisés à proximité du littoral dans le secteur nord de la Réunion.



La synthèse des principaux phénomènes mis en évidence permet d’apporter des éléments d’informations pour l’élaboration du schéma conceptuel de fonctionnement hydrogéologique de la zone d’étude.

6.2. DONNEES DISPONIBLES.

Les données géochimiques utilisées dans cette étude sont celles extraites de la banque ADES (extraction du 05/11/09 – tout réseaux publics), du réseau « 1000000003 RBESOURCESREU - Réseau de suivi de la qualité des eaux d'émergences de la Réunion » (non publié dans ADES), des données géochimiques et isotopiques de l’étude en cours sur les datations des eaux dans le cadre du projet ECSHY (E. Nicolini - Université de la Réunion) et l’Office de l’Eau de la Réunion.

Les données géochimiques utilisées dans cette étude sont rassemblées en annexe (Annexe 6). La localisation des points d’eau est reportée dans la carte de localisation (Illustration 56). Les données aberrantes ont été corrigées ou éliminées.

Illustration 56 - Carte de localisation des points d’eau considérés dans cette étude



6.3. CARACTERISATION GEOCHIMIQUE DES EAUX DU SECTEU R D’ETUDE

6.3.1. Informations apportées par le diagramme bina ire Na vs Cl

Nous avons reporté dans le diagramme binaire Na vs Cl (Illustration 57) tous les points d’eau du secteur d’étude pour lesquels des données chimiques sont disponibles. Une distinction géochimique peut être opérée selon l’importance relative des teneurs en Na et Cl (Join et al, 1997). Les eaux de pluie présentent des teneurs en Cl variables comprises entre quelques mg/l et moins de 1 mg/l (moyenne estimée à 4.3 mg/l par Grunberger, 1989) et décroissent suivant un gradient altitudinal. Les eaux de pluies se positionnent sur la droite de dilution de l’eau de mer, ce qui témoigne que les teneurs en Na et Cl de l’eau de pluie sont exclusivement d’origine marine. Dans le diagramme Na vs Cl toutes les eaux (surface et souterraine) apparaissent plus ou moins enrichies en Na par rapport à la droite de dilution de l’eau de mer à l’exception notable de l’ouvrage F2 Gillot dont les teneurs en Na et Cl s’alignent globalement suivant la droite de l’eau de mer. Dans le diagramme binaire Na vs Cl, les eaux de l’ouvrage F2 Gillot apparaissent donc contrôlées par l’origine marine ce qui suggère que l’aquifère dans le secteur de Gillot est impacté par une intrusion marine (hypothèse corroborée par la teneur en sulfates - Illustration 61 – p. 110). Pour les autres points d’eau, on distingue :

> Un groupe d’eau (groupe n°1) présentant de faible s teneurs en chlorure (Cl < 4 mg/l) et sodium (Na < 10 mg/l) ;

> Un groupe d’eau (groupe n°2) présentant de faible s teneurs en chlorure (Cl < 4 mg/l) et des teneurs en sodium compris entre 15 mg/l et 40 mg/l ;

> Un groupe d’eau (groupe n°3) présentant de faible s teneurs en chlorure (Cl < 4 mg/l) et des teneurs en sodium supérieures à 40 mg/l ;

> Un groupe d’eau (groupe n°4) présentant des teneu rs en chlorure variables (4 mg/l < Cl < 30 mg/l) et des teneurs en sodium également variables (5 mg/l < Na < 15 mg/l).

Le groupe d’eau n°1 (Cl < 4 mg/l, Na < 10 mg/l) est représenté à la fois par les eaux de surface (Rivière des Pluies) et par des eaux souterraines (sources Voile de la Marié, Ravine Blanche Rempart, Ravine Fenêtre, Grand Fond, Cassabois, Pupille, Janny Bellier, Casemare, Payet) de la commune de Salazie ; ainsi que par les points suivants : Cascade Chaudron ; ouvrages 12271X0037/F (Puits Zec Chaudron) ; 12271X0015/F6 (Forage Rivière des pluies) ; Galerie Salazie Aval (12264X0487/HY8751, 12264X0485/HY763) ; Galerie Salazie Amont (PM750, PM1075, PM1238).



Le groupe d’eau n°2 (Cl < 4 mg/l, Na compris entre 15 mg/l et 40 mg/l) est représenté par les eaux souterraines de certaines sources de la commune de Salazie (sources Pupille, Casabois, Pétrifiante de la Ravine Grand Sable), par certaines eaux de la galerie Salazie Amont (12271X0208/HY2935, 12271X209/HY3000 ; PM3000, PM2692-Forage SLP1), la source Algues.

Le groupe d’eau n°3 (Cl < 4 mg/l, Na > 40 mg/l) est représenté par les eaux souterraines de certaines sources de la commune de Salazie (Ravine Olivet, Aval des anciens Thermes de Salazie, Ravine Fouquet, Pétrifiante de la Ravine Bachelier, Rivière du Mat) et les sources thermales de la commune de Cilaos (Thermale Véronique, Thermes de Cilaos-source Irénée, Des Thermes)

Le groupe d’eau n°4 (4 mg/l < Cl < 30 mg/l et Na compris entre 5 mg/l et 15 mg/l) est représenté par les eaux souterraines de certaines sources de la commune de Salazie (Bachot, Mare à Goyave, Bois Pomme) par la source Apollon, et les eaux des ouvrages situées dans les aquifères situées au nord de l’étude (ensemble « aquifère » sur l’illustration 57).

Les eaux des groupes 1, 2 et 3 s’individualisent donc par leurs teneurs en sodium, les eaux des sources thermales (Cilaos et Salazie) étant les plus chargées en sodium. Cette différentiation par les teneurs en sodium traduit des degrés d’évolution différents des eaux vis-à-vis des interactions eau-roche (dissolution minéraux primaires – précipitation de minéraux secondaires) et donc du phénomène d’altération. Cette différentiation peut également traduire une lithologie initiale différente des basaltes avec lesquels l’eau interagit et peut également s’expliquer par des temps de résidence différents. Dans cette étude, dans un souci de simplification volontaire, on parlera d’eau peu évoluée (peu chargée en Na<15 mg/l) ou d’eau évoluée (Na>15 mg/l) vis-à-vis des interactions eaux-roches. Cette dénomination nous apparaît plus adaptée que celle utilisée par Join et al, (1997) [domaine profond, intermédiaire et superficiel] dans la mesure où l’on rencontre des eaux peu chargées en Na et Cl dans les eaux profondes des galeries de Salazie (aval et amont) situées sous près de 1000 m de basalte.

Les eaux du groupe 4 s’individualisent des autres eaux (groupe 1, 2 et 3) par des teneurs en Cl plus élevées comprises entre (4 et 30 mg/l). Plusieurs origines peuvent être invoquées pour expliquer les teneurs en Cl des aquifères du nord de la Réunion:

> L’eau d’infiltration qui contribue à la recharge des aquifères dans la partie basse du système peut être enrichie en Cl par rapport à l’eau qui recharge l’hydrosystème en altitude en raison d’une part, du gradient altitudinal des teneurs en Cl des pluies et d’autre part, du facteur d’enrichissement lié à l’évapotranspiration. Dans la partie aval de l’hydrosystème, pour un cumul pluviométrique de l’ordre de 1800 mm une ETP de l’ordre de 1000 mm, le facteur d’enrichissement serait de l’ordre de 1.8. En considérant la teneur moyenne en Cl de la pluie (Cl = 4.3 mg/l, Grunberger, 1989), la signature en Cl de l’eau d’infiltration serait de l’ordre de 7.7 mg/l. En conséquence, pour les



ouvrages qui présentent des teneurs en Cl supérieures à 8 mg/l, une autre origine des teneurs en Cl doit être recherchée.

> Une contribution très faible d’eau d’origine marine. Les eaux de l’ouvrage F2 Gillot étant impacté par le phénomène d’intrusion marine, ce phénomène peut être invoqué pour expliquer les teneurs en Cl des ouvrages les plus proches de l’océan mais ne convient pas pour expliquer les teneurs en Cl des points d’eau situés plus en altitude (12271X0049, 12271X0090, 1271X0050 par exemple)

> Une contribution d’eau impactée par les activités anthropiques (eaux usées et/ou pollution agricole) peut contribuer à enrichir les eaux souterraines en Cl.

L’enrichissement en Na des eaux du groupe 4 par rapport à la droite de dilution de l’eau de mer peut s’expliquer par le phénomène d’interaction eau-roche. Pour les teneurs en Cl, nous avons souligné ci-dessus que l’origine des teneurs en Cl pouvait être multiple. Le diagramme Na vs Cl ne permet pas, à lui seul, d’identifier le phénomène qui contrôle l’origine des teneurs en Cl des eaux des aquifères du nord de la Réunion. La confrontation des paramètres de pollution (NO3, SO4, K) aux teneurs en Cl des eaux pourra apporter des éléments d’informations complémentaires.



Illustration 57 - Teneurs en Na et Cl des eaux du secteur d’étude

Sce DE L ILET DE LA M ARE D AFFOUCHES

Sce RIVIERE DU M AT

Sce M ANHOVILSce PETRIFIANTE DE LA RAVINE BACHELIER

Sce RAVINE FOUQUETSce RAVINE OLIVETSce AVAL DES ANCIENS

THERM ESDE SALAZIE

Sce PUPILLESce PETRIFIANTE DE LA RAVINE GRAND SABLE

Sce CASABOIS

Sce BACHOT

Sce VOILE M ARIEESce RAVINE FENETRE

Sce RAVINE BLANCHE REM PART

THERM ES DE CILAOS - Sce IRENEE

Sce DES THERM ESSce THERM ALE VERONIQUE

Sce AVAL BRAS ROUGE

Sce THERM ALE DU BRAS DE BENJOIN

0.1

1

10

100

1000

0.1 1 10 100 1000

Cl (mg/l)

Na

(mg/

l)

DOMENJOD CHAUDRON CAREAU COTON

LES CAFES PM750 PM1238

12271X0207/HY2692 PM2693-Forage SLP1 PM1075

PM3000 12264X0487/HY8751 12264X0485/HY763

APOLLON Source Algues RIV. St Denis

RIV Pluies RAV Blanche (sce Salazie) pluies plaine Fougères

12264X0018/F 12271X0015/F6 12271X0030/F

12271X0037/F 12271X0044/F3 12271X0049/F4

12271X0052/F2 12271X0057/F5 12271X0058/F2

12271X0060/FORAGE 12271X0061/FORAGE 12271X0063/CERF

12271X0066/P22 12264X0265/FORAGE Galerie Salazie Aval (étude 34738-A)

Sce commune Salaisie Cascades Chaudron Cialaos Thermal

F2 Gillot

Droite de dillution (théorique) de l'eau de mer

Galerie

Aquifères

Altération hydrothermale

Pluie


Sce RIVIERE DU M AT

Sce M ANHOVILSce PETRIFIANTE DE LA RAVINE BACHELIER

Sce RAVINE FOUQUETSce RAVINE OLIVETSce AVAL DES ANCIENS

THERM ESDE SALAZIE

Sce PUPILLESce PETRIFIANTE DE LA RAVINE GRAND SABLE

Sce CASABOIS

Sce BACHOT

Sce VOILE M ARIEESce RAVINE FENETRE



Sce DES THERM ESSce THERM ALE VERONIQUE

Sce AVAL BRAS ROUGE


0.1

1

10

100

1000

0.1 1 10 100 1000

Cl (mg/l)

Na

(mg/

l)




PM3000 12264X0487/HY8751 12264X0485/HY763



12264X0018/F 12271X0015/F6 12271X0030/F

12271X0037/F 12271X0044/F3 12271X0049/F4

12271X0052/F2 12271X0057/F5 12271X0058/F2


12271X0066/P22 12264X0265/FORAGE Galerie Salazie Aval (étude 34738-A)

Sce commune Salaisie Cascades Chaudron Cialaos Thermal

F2 Gillot

Droite de dillution (théorique) de l'eau de mer

Galerie

Aquifères


Pluie

Gr 1

Gr 2

Gr 4

Gr 3



6.3.2. Informations sur les phénomènes de pollution , de mélange et de dénitrification

a) Diagramme NO3 vs Cl

La relation entre le nitrate et le chlorure permet de qualifier les eaux des hydrosystèmes vis-à-vis des phénomènes de pollutions anthropiques. L’utilisation conjointe et/ou séparée d’amendement organique et de fertilisant minéral de type (NPK, sulfate d'ammonium, chlorure de potassium) peuvent conduire à augmenter les teneurs en nitrate, en chlorure et en bore des eaux dans l’hydrosystème (Chery et al, 2000 ; Widory et al, 2001, 2005). Nous présentons sur l’illustration 58 les principaux fertilisant et amendement utilisées en agriculture à la Réunion. L’apport d’eau usée aux hydrosystèmes conduit également à une augmentation des teneurs en Cl, NO3 et bore. Lorsque le milieu est réducteur, le phénomène de dénitrification se traduit par une diminution des teneurs en nitrate (Mariotti, 1986). Ce milieu réducteur contribue aussi à l’augmentation des teneurs en Fe et Mn. L’examen des informations apportées par le bore ne pourra pas être mené dans cette étude faute de données disponibles.

Nous avons reporté dans le diagramme binaire NO3 vs Cl (Illustration 59) tous les points d’eau du secteur d’étude pour lesquels des données chimiques sont disponibles. Nous avons également reporté les principaux processus susceptibles d’expliquer les évolutions observées. Toutefois, l’absence de données de NH4 et NO2 ne permet pas de conclure de manière péremptoire.

Une distinction géochimique peut être opérée selon l’importance relative des teneurs en NO3 (Illustration 59). Les eaux des galeries de Salazie (Aval et Amont appartenant aux groupe 1 et 2) ainsi que les eaux du groupe 3 présentent de très faible teneurs en NO3 (<1 mg/l) voire des teneurs nulles. Les eaux des aquifères nord de la Réunion (groupe 4) présentent des teneurs en NO3 variables comprises entre 1 et 41 mg/l. Les eaux présentant des teneurs en NO3 comprises entre 1 et 3 mg/l seront considérées comme naturelles, ces teneurs en nitrate correspondant au bruit de fond naturel lié à la minéralisation de la matière organique des sols (Fustec et al., 1991 ; Sebilo et al., 2005). Les teneurs en NO3 les plus élevées (jusqu’à 41 mg/l) sont observées dans l’ouvrage 12271X0057/F5 (Forage Est St-Denis-F5 Est), les teneurs en Cl étant de l’ordre de 15 mg/l. Les teneurs en NO3 les plus faibles (valeur comprise entre 1 et 3 mg/l) sont observées au ouvrages 12271X0049/F4 (forage Ilet Quinquina), 12271X0015/F6 (forage Rivière des pluies) ; 122271X0049/F4 (12271X0050/F5 (Careau Coton) et 12271X0090/F (Domenjod). Les teneurs en Cl de ces ouvrages sont également faible (<8 mg/l). Ces ouvrages permettent de définir la référence naturelle pas ou très peu impactée par les activités anthropiques.

A l’exception des eaux de l’ouvrage F2 Gillot qui se distingue par des teneurs en Cl élevées (>30 mg/l), tous les autres points d’eau du groupe 4 présentent des teneurs en NO3 qui augmentent proportionnellement avec les chlorures (Illustration 59). Ces résultats suggèrent donc que le phénomène de pollution anthropique semble contrôler de manière prépondérante les teneurs en Cl des eaux, ce qui n’exclut pas une très



faible contamination marine (intrusion) notamment en période de basses eaux pour les ouvrages situés dans la partie basse de l’hydrosystème. Les eaux de la source Apollon apparaissent significativement enrichies en NO3 par rapport à la référence naturelle, ce qui témoigne du problème de pollution lié vraisemblablement à des activités anthropiques (présence de nombreuses serres situées en amont de l’émergence et/ou assainissement autonome non conforme). Pour rappel, la teneur en chlorure peut se corréler avec l’utilisation de fertilisants de type NPK.

Notons qu’un phénomène de dénitrification partiel et ponctuel pourrait se produire localement au sein des aquifères en périodes de hautes eaux. Le phénomène est observé à l’ouvrage Chaudron (Illustration 60), les teneurs en nitrate diminuent alors que les teneurs en chlorure restent stables (phénomène observé notamment depuis 2004). Le phénomène de dénitrification apparaît pour les eaux des groupes 1, 2 et 3 ce qui dénote des conditions réductrices en milieu anaérobie. Des analyses chimiques des éléments Fe et Mn permettraient de confirmer l’hypothèse de dénitrification.

Illustration 58 - Principaux fertilisants et amendements utilisés en agriculture à La Réunion

(Source de la donnée : Chambre d’Agriculture de la Réunion, 2009)



Illustration 59 - Evolution des teneurs en nitrate des eaux du secteur d’étude en fonction des concentrations en chlorure

0.01

0.1

1

10

100

1 10 100 1000 10000 100000

Cl (mg/l)

NO

3 (m

g/l)

DOMENJOD CHAUDRON CAREAU COTON LES CAFES

APOLLON Source Algues PM1075 PM750

PM3000 PM2693-Forage SLP1 PM1238 RIV. St Denis

RIV Pluies RAV Blanche (sce Salazie) pluies plaine Fougères 12264X0018/F

12264X0485/HY763 12264X0487/HY8751 12271X0015/F6 12271X0030/F

12271X0037/F 12271X0044/F3 12271X0049/F4 12271X0052/F2

12271X0057/F5 12271X0058/F2 12271X0060/FORAGE 12271X0061/FORAGE

12271X0063/CERF 12271X0066/P22 12271X0207/HY2692 12272X0072/F

12264X0265/FORAGE 12264X0485/HY763 12264X0487/HY8751 12271X0015/F6

Sce Salaizie Sce Cilaos

Phénomène de dénitrification

Pollutions anthropiques

Intrusion Marine

«Référence »naturelle

0.01

0.1

1

10

100

1 10 100 1000 10000 100000

Cl (mg/l)

NO

3 (m

g/l)




RIV Pluies RAV Blanche (sce Salazie) pluies plaine Fougères 12264X0018/F

12264X0485/HY763 12264X0487/HY8751 12271X0015/F6 12271X0030/F

12271X0037/F 12271X0044/F3 12271X0049/F4 12271X0052/F2


12271X0063/CERF 12271X0066/P22 12271X0207/HY2692 12272X0072/F

12264X0265/FORAGE 12264X0485/HY763 12264X0487/HY8751 12271X0015/F6

Sce Salaizie Sce Cilaos



Intrusion Marine

«Référence »naturelle



Illustration 60 - Evolution des teneurs en Cl et NO3 et de la piézométrie de l’ouvrage 12264X0016 sur la période 1999-2008

b) Diagrammes SO4 vs Cl, SO4 vs NO3, NO3 vs K

La relation entre le sulfate et le chlorure permet d’apporter des informations vis-à-vis des phénomènes de pollutions anthropiques et de mélange. Nous avons reporté dans le diagramme binaire SO4 vs Cl (Illustration 61) tous les points d’eau du secteur d’étude pour lesquels des données chimiques sont disponibles. Nous avons également reporté les principaux processus susceptibles d’expliquer les évolutions observées.

Une distinction géochimique peut être opérée selon l’importance relative des teneurs en SO4 (Illustration 61). Les eaux des galeries de Salazie (Aval et Amont appartenant aux groupe 1 et 2) présentent de très faible teneurs en SO4 (<3 mg/l). La signature de la pluie apparaît comparable à celle mesurée dans les eaux de surface. Les eaux thermales du groupe 3 sont caractérisées par d’importantes teneurs en SO4 (jusqu’à près de 200 mg/l), les teneurs élevées étant vraisemblablement reliées à la présence de gaz volcanique (CO2, H2S…) dans la composante profonde du système thermal.

Puits du Chaudron (12264X0016/P)

0

5

10

15

20

25

30

01/01/99 15/05/00 27/09/01 09/02/03 23/06/04 05/11/05 20/03/07 01/08/08

Con

cent

ratio

n (m

g/l)

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

4.5

5.0

5.5

6.0

Pié

zom

étrie

(m

, N

GR

)

Cl NO3 Mesure Estimée, cf modèle transfert



Les eaux des aquifères nord de la Réunion (groupe 4) présentent des teneurs en SO4 variables comprises entre 1 et 12 mg/l, à l’exception des eaux de l’ouvrage F2 Gillot qui présentent des teneurs en SO4 globalement supérieures à 12 mg/l. La position des points de F2 Gillot, qui se répartissent le long de la droite de dilution de l’eau de mer, permet de nouveau de montrer que les eaux de l’ouvrage se sont mélangées avec une part d’eau marine. Les teneurs en SO4 les plus élevées sont observées dans les eaux de Chaudron (12264X0016/P) qui présentent également de fortes teneurs en NO3 (comprises entre 20 et 25 mg/l). Ces résultats permettent de suggérer que les teneurs en SO4 supérieures à 3 mg/l observées dans les eaux du groupe 4 sont principalement contrôlées par les apports anthropiques. Le diagramme binaire SO4 vs NO3 permet d’illustrer la relation qui lie les paramètres de pollutions anthropiques (Illustration 62) et de définir le domaine des eaux naturelles non impactées par les activités anthropiques.

La relation entre le nitrate et le potassium (Illustration 63) permet d’apporter des informations vis-à-vis des phénomènes de pollutions anthropiques, de mélange et d’interaction eau-roche. Une distinction géochimique peut être opérée selon l’importance des teneurs en K et selon que les eaux présentent ou non des nitrates.

Les eaux thermales (groupe 3) sont caractérisées par d’importantes teneurs en K (K compris entre 0.6 et 11 mg/l) et par une absence de nitrate en raison de processus de dénitrification en milieu réducteur. Au sein des groupes 1 et 2, les teneurs les plus élevées sont observées dans les eaux de la galerie de Salazie Amont (jusqu’à 5.3 mg/l, au front de taille du PM 3000 ; 12271X0209/HY3000). Les teneurs élevées en K sont globalement bien corrélées aux teneurs élevées en Na et sont vraisemblablement le témoin d’interactions eau-roche importantes. Les eaux qualifiées précédemment de référence naturelle sur la base des teneurs en Cl, NO3 et SO4 présentent de faibles teneurs en K (globalement inférieures à 1 mg/l).

Les eaux des aquifères nord de la Réunion (groupe 4) présentent des teneurs en K variables comprises entre 1 et 3 mg/l environ, à l’exception de F2 Gillot qui présente des teneurs plus fortes. La position des points de F2 Gillot dans ce diagramme peut s’expliquer par le phénomène de mélange avec une part d’eau marine. Les teneurs en K les plus élevées sont observées dans les eaux de Chaudron (12264X0016/P), les eaux des ouvrages Est Saint Denis (12271X0057/F5), d’appoint ZEC (12271X0060) et dans une moindre mesure les Cafés (12271X0065/F), ces ouvrages présentant de fortes teneurs en NO3 (comprises entre 10 et 40 mg/l). La bonne relation qui lie les teneurs en nitrate aux teneurs en potassium dans ces ouvrages permet de suggérer que l’origine de la pollution anthropique est de type agricole (fertilisants de type NPK). Pour le site de Chaudron, les valeurs élevées en K observées ponctuellement lors des étiages de 1999 et 2001 n’apparaissent pas corrélées à des augmentations de Cl, ce qui permet a priori d’exclure le phénomène d’intrusion marine.



Illustration 61 - Evolution des teneurs en sulfate des eaux du secteur d’étude en fonction des concentrations en chlorure

La flèche bleu « intrusion marine » représente la droite de dilution théorique de l’eau de mer.


Sce RIVIERE DU M AT

Sce M ANHOVIL

Sce PETRIFIANTE DE LA RAVINE BACHELIER

Sce RAVINE FOUQUET

Sce RAVINE OLIVET

Sce AVAL DES ANCIENS THERM ES,DE SALAZIE

Sce PUPILLE

Sce PETRIFIANTE DE LA RAVINE GRAND SABLE

Sce CASABOISSce BACHOT

Sce CASEM ARE PAYET

Sce M ARE A GOYAVESce BOISPOM M ES

Sce JANNY RAVINE BELIER

Sce VOILE M ARIEE

Sce GRAND FOND

Sce SOLESSE

Sce RAVINE FENETRE



Sce DES THERM ES

Sce THERM ALE VERONIQUE

Sce AVAL BRAS ROUGE


Sce BRAS ROUGE

Sce TETE DE LION

0.1

1

10

100

1000

0.1 1 10 100 1000

Cl (mg/l)

SO

4 (m

g/l)




12271X0207/HY2692 12264X0487/HY8751 12264X0485/HY763 RIV Pluies

RAV Blanche (sce Salazie) pluies plaine Fougères 12264X0018/F 12271X0015/F6

12271X0030/F 12271X0037/F 12271X0044/F3 12271X0049/F4

12271X0052/F2 12271X0057/F5 12271X0058/F2 12271X0060/FORAGE

12271X0061/FORAGE 12271X0063/CERF 12271X0066/P22 12272X0072/F

12264X0265/FORAGE 12271X0015/F6 Sce Salazie Sce Cilaos


Intrusion Marine



Sce RIVIERE DU M AT

Sce M ANHOVIL


Sce RAVINE FOUQUET

Sce RAVINE OLIVET


Sce PUPILLE


Sce CASABOISSce BACHOT

Sce CASEM ARE PAYET

Sce M ARE A GOYAVESce BOISPOM M ES


Sce VOILE M ARIEE

Sce GRAND FOND

Sce SOLESSE

Sce RAVINE FENETRE



Sce DES THERM ES


Sce AVAL BRAS ROUGE


Sce BRAS ROUGE

Sce TETE DE LION

0.1

1

10

100

1000

0.1 1 10 100 1000

Cl (mg/l)

SO

4 (m

g/l)






12271X0030/F 12271X0037/F 12271X0044/F3 12271X0049/F4

12271X0052/F2 12271X0057/F5 12271X0058/F2 12271X0060/FORAGE




Intrusion Marine



Intrusion Marine




Illustration 62 - Evolution des teneurs en sulfate des eaux du secteur d’étude en fonction des concentrations en nitrate


Sce RIVIERE DU M AT

Sce M ANHOVIL


Sce RAVINE FOUQUET

Sce RAVINE OLIVET


Sce PUPILLE


Sce CASABOIS Sce BACHOT

Sce CASEM ARE PAYET

Sce M ARE A GOYAVE

Sce BOISPOM M ES


Sce VOILE M ARIEE

Sce GRAND FOND

Sce SOLESSE

Sce RAVINE FENETRE



Sce DES THERM ES


Sce AVAL BRAS ROUGE


Sce BRAS ROUGE

Sce TETE DE LION

0.1

1

10

100

1000

0.01 0.1 1 10 100

NO3 (mg/l)

SO

4 (m

g/l)






12271X0030/F 12271X0037/F 12271X0044/F3 12271X0049/F4

12271X0052/F2 12271X0057/F5 12271X0058/F2 12271X0060/FORAGE



«Référence »naturellePluie

Galerie



Intrusion Marine


Sce RIVIERE DU M AT

Sce M ANHOVIL


Sce RAVINE FOUQUET

Sce RAVINE OLIVET


Sce PUPILLE


Sce CASABOIS Sce BACHOT

Sce CASEM ARE PAYET

Sce M ARE A GOYAVE

Sce BOISPOM M ES


Sce VOILE M ARIEE

Sce GRAND FOND

Sce SOLESSE

Sce RAVINE FENETRE



Sce DES THERM ES


Sce AVAL BRAS ROUGE


Sce BRAS ROUGE

Sce TETE DE LION

0.1

1

10

100

1000

0.01 0.1 1 10 100

NO3 (mg/l)

SO

4 (m

g/l)






12271X0030/F 12271X0037/F 12271X0044/F3 12271X0049/F4

12271X0052/F2 12271X0057/F5 12271X0058/F2 12271X0060/FORAGE



«Référence »naturellePluie

Galerie



Intrusion Marine



Illustration 63 - Evolution des teneurs en nitrate des eaux du secteur d’étude en fonction des concentrations en potassium

La flèche rose représente le ratio fréquemment observé entre NO3 et K dans le cas de pollutions anthropiques.

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

0 5 10 15

K (mg/l)

NO

3 (m

g/l)




PM3000 12264X0487/HY8751 12264X0485/HY763



12264X0018/F 12271X0015/F6 12271X0030/F

12271X0037/F 12271X0044/F3 12271X0049/F4

12271X0052/F2 12271X0057/F5 12271X0058/F2


12271X0066/P22 12264X0265/FORAGE Sce commune Salaisie

Cascades Chaudron Sce Commune Cilaos



Intrusion saline

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

0 5 10 15

K (mg/l)

NO

3 (m

g/l)




PM3000 12264X0487/HY8751 12264X0485/HY763



12264X0018/F 12271X0015/F6 12271X0030/F

12271X0037/F 12271X0044/F3 12271X0049/F4

12271X0052/F2 12271X0057/F5 12271X0058/F2


12271X0066/P22 12264X0265/FORAGE Sce commune Salaisie

Cascades Chaudron Sce Commune Cilaos



Intrusion saline



6.3.3. Informations sur les interactions eau-roche

Les relations entre le sodium et la silice, le magnésium et la silice, le sodium et la silice permettent de qualifier les eaux vis-à-vis des interactions eaux-roches. D’une manière générale, plus les teneurs en magnésium, sodium et silice sont importantes, plus l’eau a été en contact longtemps et de manière « intensive » avec les formations géologiques. Ces traceurs apportent ainsi des informations qualitatives vis-à-vis des interactions eau-roche et également sur le temps de résidence de l’eau dans l’hydrosystème. Les travaux de modélisation des interactions entrepris par Hoareau (2001) ont apporté un éclairage intéressant quant à l’évolution des teneurs en silice lors de la dissolution des laves. Il a été notamment montré que les teneurs en silice augmentent de manière exponentielle lors des dissolutions puis tendent asymptotiquement vers une valeur finie de concentration et ce quelque soit la teneur initiale en silice de la roche initiale considérée. Ce type d’évolution a été considéré dans cette étude pour décrypter les informations apportées par les différents diagrammes binaire utilisant la silice.

a) Diagramme Na vs Si (H 4SiO4 ou SiO 2)

Nous avons reporté dans le diagramme binaire Na vs Si9 (Illustration 64) tous les points d’eau du secteur d’étude pour lesquels des données chimiques sont disponibles.

Les eaux thermales (groupe 3) présentent les teneurs en Na et Si les plus élevées, les teneurs en sodium étant comprise entre 40 et 300 mg/l pour des teneurs en silice de l’ordre de 100 mg/l en moyenne. La gamme importante de variations des teneurs en Na peut s’interpréter comme le résultat d’interactions eau roche différentes et/ou par une nature différente des basaltes avec lesquels l’eau interagit. En effet, il a été montré que les verres basaltiques non différenciés, les augites et salites, les forsterites et fayalites ont un potentiel de libération de sodium plus grand lors de l’altération en comparaison des verres basaltiques différenciés et des feldspaths (Hoareau, 2001).

Les teneurs en Na et Si eaux des groupes 1, 4 et 3 présentent une corrélation positive (si l’on considère la population dans son ensemble) et pourraient être décrite par une fonction mathématique de type exponentielle bornée par un pole peu évolué vis-à-vis des interactions eaux roche (groupe 1) et un pole évolué (eaux thermales du groupe 3). Si l’on accepte l’hypothèse qui consiste à dire que les teneurs en Na et Si des eaux sont contrôlées par les interactions eau-roche et que l’intensité de la réaction est fonction du temps de résidence de l’eau dans le système, les eaux du groupe 1

9 Par mesure de simplicité au cours de la lecture, le terme « Si » sera employé à la place de l’appellation plus rigoureuse « H4SiO4 ou SiO2 » correspondant à la nature réel des composés.



seraient plus jeunes (faible temps de résidence) que les eaux du groupe 3 (temps de résidence important), et les eaux du groupe 4 seraient intermédiaires (temps de résidence moyen). Des éléments d’informations plus quantitatives pourront être apportés par l’étude de datation en cours menée par l’Office de l’Eau et E. Nicolini.

Les eaux du groupe 2 (12271X0208/HY2935, 12271X209/HY3000 ; PM3000, PM2692-Forage SLP1, la source Algues) se différencient nettement du schéma d’évolution décrit précédemment et apparaissent très appauvries en silice. L’appauvrissement en silice des eaux du groupe 2 comparé aux eaux du groupe 3 et 4 pourrait s’interpréter si l’on considère le phénomène de précipitation secondaire du type précipitation de phyllosilicates et/ou précipitation de silice (silice amorphe ?, calcédoine ?, montmorillonite ?). Du point de vue numérique, Hoareau (2001) a montré que la silice dissoute dans les eaux naturelles de la Réunion pouvait être contrôlée par la précipitation de phases argileuses. La précipitation de phases minérales du type « chlorite » (clinochlore) ou « smectite » (Saponite-Mg) devrait s’accompagner par une diminution des teneurs en Mg. Ce phénomène peut être discuté à l’aide du diagramme binaire Mg vs Si. La teneur élevée en Na confirme le fait que les eaux ne peuvent être issues d’écoulements rapides.

Des minéraux de montmorillonite ont été identifiés dans la GSAM par spectrographie de masse (communication orale de JL. Join – analyses effectuées par B. Fritz du Centre de Géochimie de la Surface à Strasbourg), ce qui confirme la précipitation de minéraux afin de justifier l’appauvrissement en silice.



Illustration 64 - Evolution des teneurs en sodium des eaux du secteur d’étude en fonction des concentrations en silice

1227

1X02

08/H

Y29

35

1227

1X02

09/H

Y30

00

1

10

100

1000

1 10 100 1000

Si (mg/l)

Na

(mg/

l)


PM750 PM1238 12271X0207/HY2692 PM2693-Forage SLP1

PM1075 PM3000 12264X0487/HY8751 12264X0485/HY763

APOLLON Source Algues RIV. St Denis RIV Pluies


12271X0030/F 12271X0037/F 12271X0044/F3 12271X0049/F4


12271X0063/CERF 12271X0066/P22 12264X0265/FORAGE Sce commune Salaisie

Cascades Chaudron Hydrothermal Cialos

Interaction Eau-Roche (fct° tps résidence)

eaux hydrothermales(Salazie, Cilaos)

Pertes de silice=> précipitation de phyllosilicates(chlorite…?) => silice amorphe?

Pluie



b) Diagramme Mg vs Si

Nous avons reporté dans le diagramme binaire Mg vs Si (Illustration 65) tous les points d’eau du secteur d’étude pour lesquels des données chimiques sont disponibles. Dans cette représentation, les eaux du groupe 1 et 4 ne sont pas différenciables contrairement aux eaux du groupe 2 et 3. Les eaux thermales du groupe 3 présentent des teneurs en Mg élevées (comprises en 40 et 100 mg/l) tandis que les eaux du groupe 2 de la galerie Salazie amont (12271X0208/HY2935, 12271X209/HY3000 ; PM3000, PM2692-Forage SLP1) présentent de très faibles teneurs en Mg (<3 mg/l). Ces résultats suggèrent qu’un phénomène de précipitation secondaire contrôle les teneurs en Mg et Si des eaux échantillonnées dans la galerie Salazie Amont à partir du PM2935. La caractérisation de la nature minéralogique de la phase minérale précipitée (« chlorite » ou «smectite ») pourrait à l’avenir être abordée par l’examen des échantillons excavés et/ou à partir des échantillons carottés du forage SLP2.



Illustration 65 - Evolution des teneurs en magnésium des eaux du secteur d’étude en fonction des concentrations en silice

1227

1X02

09/H

Y30

00

1227

1X02

08/H

Y29

35

0.01

0.1

1

10

100

1000

1 10 100 1000

Si (mg/l)

Mg

(mg/

l)


PM750 PM1238 12271X0207/HY2692 PM2693-Forage SLP1

PM1075 PM3000 12264X0487/HY8751 12264X0485/HY763

APOLLON Source Algues RIV. St Denis RIV Pluies


12271X0030/F 12271X0037/F 12271X0044/F3 12271X0049/F4


12271X0063/CERF 12271X0066/P22 12264X0265/FORAGE Sce commune Salaisie

Cascades Chaudron Hydrothermal Cilaos

Interaction Eau-Roche (fct° tps résidence)

eaux hydrothermales(Salazie, Cilaos)

Pertes de silice et magnésium=> précipitation de phyllosilicates(chlorite…)=> silice amorphe?

Pluie



c) Diagramme CMTD vs Ca

L’examen de l’évolution du carbone minéral total dissous (CMTD) en fonction des teneurs en Ca permet d’apporter des éléments d’informations complémentaires quant aux processus géochimiques subis par les eaux échantillonnées dans la galerie à partir du PM 2935 (Illustration 66).

Les eaux des groupes 1, 4 et 3 s’alignent globalement sur une courbe de pente positive ce qui s’interprète comme le résultat d’interactions eau-roche qui augmentent en fonction du temps de résidence de l’eau dans le système, les eaux les moins évoluées du point de vu des interactions eaux-roches, étant les moins minéralisées en Ca et HCO3. Pour les eaux hydrothermales, la présence de CO2 d’origine profonde peut accentuer le processus d’altération hydrothermale, ce qui conduit à de fortes minéralisations en HCO3 et en Ca, Mg, Na et K dans les eaux.

Les eaux du groupe 2 présentent globalement de faibles teneurs en Ca et en CMTD, les valeurs les plus faibles étant mesurées à l’ouvrage 12271X0207/HY2692 – SLP1. Les eaux de la source Algues apparaissent appauvries en Ca par rapport aux eaux du groupe 4. Les faibles teneurs en Ca pourraient s’expliquer comme le résultat d’un phénomène de précipitation secondaire mobilisant du calcium (zéolitisation ? du type Laumontite ? et/ou Clinoptilolite ?). Là encore, la caractérisation de la nature minéralogique de la phase minérale qui précipite pourrait à l’avenir être abordée par l’examen des échantillons excavés et/ou à partir des échantillons carottés du forage SLP2. Actuellement, trop peu de données sont disponibles à l’échelle du terrain d’étude, notamment ETM et pH, afin d’effectuer des calculs précis de sur/sous-saturation, dégazage, précipitation et de contrôle d’équilibre.

Les très faibles valeurs en bicarbonate et en Ca mesurées dans les eaux suggèrent qu’un dégazage se produit suite à la réapparition à l’air libre de eaux de l’aquifère. Cette réapparition à l’air libre des eaux souterraines initialement confinées (système fermé � pas d’échange avec l’atmosphère et/ou le CO2 biogénique des sols) provoque alors un réajustement des équilibres au sein du système calco-carbonique, sous la forme d’un précipité de CaCO3, et si les conditions sont réunies d’un dépôt (i.e. IS CaCO3 > 0.7 ; on entend ici par dépôt, la fixation des cristaux de CaCO3 sur des supports naturels ou non). Ce dégazage s’accompagne d’une augmentation du pH des eaux. Les eaux de la galerie de Salazie appartenant au groupe 2 présentent des pH très élevées (pH > 9.7). La position des points de l’ouvrage 12271X0207/HY2692 – SLP1 dans le diagramme binaire CMTD vs Ca (Illustration 66) suggère que le calcium était initialement contrôlé par la précipitation de minéraux secondaire avant la réapparition à l’air libre des eaux dans la galerie (dégazage => précipitation de CaCO3).



Illustration 66 - Evolution des teneurs en Carbone Minéral Total dissous (CMTD) des eaux du secteur d’étude en fonction des concentrations en calcium

6.3.4. Apport des analyses isotopiques réalisées da ns le cadre du projet ECSHY

Dans le cadre du présent rapport, les résultats provisoires des âges des différents points échantillonnés en vue de la datation des eaux dans le cadre du projet ECSHY (réalisation par E. Nicolini pour l’Office de l’eau) ne seront pas abordés. Toutefois, sans

SOURCE AVAL DES ANCIENS THERM ES,DE SALAZIE

SOURCE GRAND FOND

SOURCE RAVINE OLIVET

0.1

1.0

10.0

100.0

0.01 0.10 1.00 10.00

Ca (mmol/l)

CM

TD

(m

mol

/l)

Sce Commune Cilaos Sce Commune Salaizie Aquifères Nord (groupe 4)

sce Apollon Cascade Chaudron Riv des pluies

Riv St Denis Rav Blanche Sce Algues

Salazie Amont PM2692-SLP1 Salazie Amont PM2935 Salazie Amont PM3000

Salazie Aval PM763 Salazie Aval PM1077 Salazie Amont PM1075

Salazie Amont PM750 Salazie Amont PM1238

Mer

Intrusion marineF2 Gillot

Précipitation de zéolites

(Clinoptilolite?)

Dégazage => précipitation de CaCO3=> augmentation du pH

Eaux hydrothermales(Salazie, Cilaos)



présenter ces résultats provisoires, il apparaît que les eaux distinguées par le concept « peu évoluées à évoluées » correspondent bien à des âges croissants.

a) Fonctionnement hydrogéologique

L’apport des informations relatives aux altitudes de recharge permet de compléter la connaissance sur le fonctionnement hydrogéologique du secteur. Les eaux des PM 750 et 1075 (GSAM) sont très appauvries en isotopes stables de l’eau (δ18O, δ2H). Leur altitude de recharge est comparable aux eaux des sources de la Rivière des Pluies et de la source Ravine Blanche à Salazie (Illustration 67).

En ce qui concerne les eaux du PM 1238 (GSAM) , les résultats restent complexes à interpréter car les eaux enrichies en isotopes lourds, présentent un excès significatif en deutérium par rapport à la droite mondiale des pluies : de l’ordre de 15 contre 12 pour les autres points de la GSAM (incertitude +/- 2). Cet enrichissement leur confère théoriquement une altitude de recharge plus faible (Craig, 1961), toutefois différentes hypothèses peuvent être formulées (pour mémoire, les eaux du PM 1238 sont peu évoluées) :

> Cette différence pourrait s’expliquer par la topographie de surface au droit de la GSAM. En effet, le PM 1238 se localise au droit de la Ravine Tanan, dont l’altitude est environ 300-400 m inférieure à celle des terrains sus-jacents à la GSAM. Dans le cas d’une connexion directe entre la surface topographique et la GSAM, l’altitude de recharge des eaux du PM 1238 serait inférieure à celle des autres venues d’eau échantillonnées ;

> Cette différence pourrait aussi s’expliquer par un mélange d’eau en provenance de la partie Nord de Salazie (altitude de la GSAM ≈ 350m / altitude du secteur Mare à Martin et Bé Cabot ≈ 1000 m). Cette hypothèse à l’encontre des concepts actuels de l’hydrogéologie réunionnaise (formations bréchiques de Salazie, réputées peu perméables) mérite toutefois d’être citée en raison de la méconnaissance de l’auréole de drainage de la GSAM. De plus, d’un point de vue chimique, une contribution de Salazie pourrait expliquer la nature évoluée des eaux et la nature plus profonde de certaines des eaux de la galerie (T=27°C contre 22° en moyenne) ;

> Dans le cas où il existerait des eaux particulièrement anciennes, un effet paléoclimatique pourrait justifier l’excès en δ2H. La relation entre isotopes et altitude établie pour les échantillons actuels ne serait plus valable dans une configuration paléoclimatique différente, notamment marquée par une atmosphère plus chaude (l’actuel signal isotopique de la pluie n’est plus adapté). L’altitude de recharge ne pourrait donc pas être déduite des observations actuelles.

Enfin, la dynamique actuelle du secteur GSAM et de la Plaine des Fougères est déséquilibrée en raison d’une réorganisation des écoulements suite au percement de



la Galerie. Les mélanges d’eau observés tendent à complexifier le signal isotopique. Plus concrètement, des eaux de faciès hydrochimiques (et température) très différents sont observées à des distances proches (métriques). Cette remarquable différentiation est relative aux contrastes de perméabilités et donc de vitesses d’écoulement au sein des formations volcaniques.

.

Illustration 67 - Evolution des rapports δ2H en des eaux du secteur d’étude en fonction des rapports en δ18O (données Office de l’eau – E. Nicolini)

Enrichissement

196.5 m

26.1 m

79.4 m

73.83 m

427 m

74 m

616 m

1135m

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

20

-8 -6 -4 -2 0

δδδδ 18O (‰)

δδ δδ2 H (‰

)

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

Alti

tude

Rec

harg

e (m

)


LES CAFES APOLLON Source Algues

PM1075 PM750 PM3000

PM2693-Forage SLP1 PM1238 RIV. St Denis


Gradient altitudinal des pluies

Droite mondiale des pluies

δδδδ2H=8δδδδ18O+10

Riche

Pauvre



b) Altitude de recharge

A titre indicatif, les altitudes de recharge estimées à partir du gradient altitudinal sont comparées à l’altitude moyenne du bassin versant de surface dans lequel s’inscrit le point d’eau. Cette valeur est obtenue en moyennant le point haut du bassin versant et le point d’échantillonnage (Illustration 69). Sur la base d’une approche naturaliste, le bassin versant de surface est étendu vers l’amont lorsque le forage est inscrit dans un bassin dont la taille parait restreinte par rapport au bassin versant souterrain hypothétique.

Cette approche empirique permet d’approcher les contributions du bassin versant de surface. En outre, bien que les processus de recharge des eaux souterraines littorales paraissent complexes et pluriels, il apparaît que cette altitude moyenne est souvent proche de l’altitude de recharge déduite des analyses isotopiques.

Deux hypothèses résultent de cette constatation : (i) la recharge est homogène à l’échelle du bassin versant de surface ou (ii) la recharge est prépondérante sur une bande localisée à l’altitude moyenne du bassin versant. Toutefois, cette seconde hypothèse peut être rapidement écartée dans le cadre de ce travail du fait que les altitudes minimum et maximum de chaque bassin versant de surface sont variables. En conséquence, cette altitude moyenne ne correspond ni à un secteur à pluviométrie importante, ni à une formation géologique particulière, ni à un horizon pédologique remarquable.

Au-delà de la constatation d’une recharge homogène, la correspondance entre bassin versant de surface et bassin versant souterrain mérite d’être soulignée (voir ci-dessous pour le Forage les Cafés).

Pour les points échantillonnés suivants, l’altitude de recharge et l’altitude moyenne du bassin versant de surface sont du même ordre de grandeur : Forage Domenjod, piézomètre S1/Chaudon, Forage les Cafés, Ravine Blanche (surlignés en gris - Illustration 69).

Il est intéressant de noter que le bassin versant souterrain du Forage les Cafés semble correspondre aux bassins versants de surface qui se développent de manières prépondérantes vers l’Ouest (Illustration 68).

Pour ce qui est de la source Apollon, une certaine logique apparaît du fait que l’altitude moyenne du bassin versant de surface (1050 m) soit supérieure à l’altitude de recharge déduite des isotopes (≈ 700 m). En effet, la source Apollon, en raison de son faciès chimique peu évolué et influencé par une composante anthropique, s’inscrit dans le système des aquifères perchés de la Réunion. Ces aquifères sont souvent de taille modeste et leur bassin versant souterrain ne rejoint pas forcément les bordures du rempart amont. Ces aquifères sont qualifiés de perchés car au-dessous de la charge théorique du complexe aquifère régional.



En ce qui concerne le forage Carreau Coton, la cascade du Chaudron et les eaux de surface (Rivière St-Denis et Rivière des Pluies), en se basant sur le postulat évoqué ci-dessus, il semblerait que la contribution des Hauts soit moindre.

Remarque : il ne s’agit ici que d’une approche empirique (voire anecdotique), permettant de souligner diverses hypothèses sur les processus hydrogéologiques réunionnais. Les données à notre disposition et le cadre de l’étude ne permettent pas d’aboutir à une argumentation péremptoire. De plus, la profondeur des forages n’a pas été considérée bien que cette propriété constitue aussi un facteur notable dans l’estimation de l’impluvium.

Illustration 68 – Bassins versants de surface – secteur du forage les Cafés

Les bassins versants ne rejoignent pas le rempart et leur géométrie tend vers l’Ouest.



Points analysés

Altitude du

point

Indice BSS

Altitude selon le gradient

altitudinal des pluies

(Grunberger)

Altitude selon le gradient

altitudinal déduit des

stations spécifiques

ECSHY

Altitude moyenne du

BV de surface

(approche empirique expliquée ci-dessus)

Forage Domenjod 196 12271x0090 1089 1036 1020

Piézomètre S1 – Puits du Chaudron

26 12264X0113 1089 1012 1015

Source Apollon 427 12271X0006 806 679 1050

Forage - Carreau Coton (F5)

80 12271X0050

(?) 729 614 870

Forage Les Cafés 74 12271X0065 470 304 510

GSAM - PM 1075 350 - 1612 1655 -

GSAM - PM 750 350 - 1516 1560 -

GSAM - PM 2692 – Forage SLP1

350 - 1415 1375 -

GSAM - PM 1238 350 12271X0198 1310 1310 -

Rivière St-Denis 74 12264X0360

(?) 1454 1453 1000

Cascade du Chaudron

413 12264X0013

(?) 1507 1530 1200

Rivière des Pluies 616 - 1439 1435 1150

Ravine Blanche (Salazie)

1135 12268X0106

(?) 1665 1720 1617

Illustration 69 – Altitudes de recharge (m NGR) selon le gradient Grünberger (1989) et selon les stations spécifiques à l’étude Office de l’eau (Etude ECSHY - Nicolini & Morgenstern, 2009)

Le point d’interrogation signale un doute sur l’indice BSS en raison du manque d’information sur le prélèvement.



7. Analyses des venues d’eau dans la galerie Salazie-amont

7.1. DESCRIPTION DES VENUES D’EAU

Lors du creusement de la galerie hydraulique de Salazie-Amont, d’importantes venues d’eau ont été rencontrées. Du fait de la géologie difficile et des conditions climatiques à la Réunion (cyclone Dina…) le creusement s’est déroulé en plusieurs phases depuis l’année 2000 (Rousseau et al. 2008 – communication personnelle de Marc Eurly10) :

> Une première section (de la tête Nord-Ouest du tunnel au PM 773) s’est faite à l’explosif, avec rencontre de plusieurs venues d’eau, retardant la mise en œuvre du tunnelier ;

> Du PM 773 au PM 1238, creusement au tunnelier. Après avoir rencontré quelques venues d’eau rapidement taries, le tunnelier est resté bloqué au PM1238 en octobre 2001 par une venue d’eau importante (> 400 l/s avec 18 bars de pression) dont le débit ne tarissait pas ;

> Du PM 773 au PM 1280, réalisation d’une galerie de contournement du tunnelier ;

> A partir du PM 1280 poursuite du creusement de la galerie à l’explosif. Le creusement a atteint le PM 3700 en août 2009. Le débit total de la galerie était alors de 900 l/s ;

> A partir du PM 3700, reprise du creusement au tunnelier.

L’évolution du débit total drainé par la galerie est présentée à l’illustration 70.

10 EULRY Marc Direction Travaux - Maîtrise d'Oeuvre Transfert Salazie - BRL/SCP/SECMO



Illustration 70 - Evolution du débit total des venues d’eau dans la galerie Salazie-Amont en fonction du temps

7.2. VARIATIONS DES VENUES D’EAU

En règle générale, le débit total des venues d’eau dans un tunnel varie en fonction des précipitations et de l’avancement du tunnel.

Les fluctuations du débit total d’exhaure à la sortie de la galerie Salazie-Amont sont comparées à l’avancement du creusement et aux précipitations à la station de la Plaine des Fougères à l’illustration 71. Certaines fluctuations importantes apparaissent lorsque le creusement de la galerie est arrêté et suggèrent l’influence des précipitations : exemples en septembre 2002 ou en avril 2007. Ces épisodes correspondent en fait respectivement au contournement du tunnelier et à la foration du sondage SLP2. A l’échelle de l’ensemble de la galerie, les venues supplémentaires sont donc liées essentiellement au creusement.

L’étude statistique de la corrélation entre la pluie et le débit d’exhaure de la galerie a été effectuée au moyen d’un corrélogramme croisé (Illustration 72). Celui-ci montre qu’il n’existe aucune corrélation entre les deux phénomènes. Le débit dans la galerie est donc indépendant des précipitations. Ceci est probablement lié à la structuration du volcan caractérisée par des alternances de scories et de laves de très faibles pendages (10°) et une perméabilité horizontale très supérieure à la perméabilité verticale qui empêche des relations directes entre le tunnel profond (environ 1000 mètres de couverture sur la majorité du tracé) et les circulations d’eau dans les nappes superficielles. Seules quelques venues d’eau situées à proximité de l’entrée de la galerie sous des épaisseurs de couverture moindres fluctuent en fonction des précipitations selon certaines observations. Cependant, ces fluctuations liées à des

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

01/01/01 01/01/02 01/01/03 01/01/04 01/01/05 01/01/06 01/01/07 02/01/08 01/01/09

Date

Déb

it de

s ve

nues

d'e

au (

l/s)

octobre 2001

août 2009



circulations rapides dans des fractures de décompression du massif sont de faible amplitude par rapport au débit total de la galerie. Les augmentations de venues d’eau sont donc principalement liées à la traversée de nouveaux tronçons perméables au fur et à mesure de l’avancement du front de taille.

Illustration 71 - Evolution des venues d’eau, des précipitations à la station Plaine des Fougères et de l’avancement de la galerie

Illustration 72 - Corrélogramme croisé pluie – débit d’exhaure

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

01/01/01 01/01/02 01/01/03 01/01/04 01/01/05 01/01/06 01/01/07 02/01/08 01/01/09

Date

Déb

it de

s ve

nues

d'e

au (

l/s)

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

5000

PM

(m

)

Venues d'eau

Pluie

Point métrique du front

-0.100

0.000

0.100

0.200

0.300

0.400

0.500

-351 -251 -151 -51 49 149 249 349

décalage (j)

Coe

ffici

ent d

e co

rrél

atio

n



7.3. APPORT DU FORAGE SLP2

Ce forage horizontal, réalisé dans la galerie, d’une longueur de 800 m à partir du PM 2935, apporte un certain nombre d’informations fondamentales pour la compréhension du fonctionnement hydrogéologique profond de l’île.

Dans ce forage, la pression hydrostatique augmente d’une valeur nulle au PM 2935 jusqu’à une valeur de 33 bars au PM 3115, soit une zone d’influence de la galerie d’environ 180 m au-delà du front. Cette pression hydrostatique correspond à une hauteur de nappe de l’ordre de 680 m par rapport au niveau de la mer. Cette altitude est nettement inférieure aux sources observées entre 1000 et 1200 m d’altitude sur le versant. L’aquifère traversé par la galerie est donc déconnecté d’aquifères perchés situés en altitude (Illustration 73). Cet aquifère correspond à « l’aquifère de base » décrit par Join (1991) dans ses travaux (Coudray et Mardhel, 2005).

Illustration 73 - Coupe hydrogéologique schématique transverse à la galerie au PM 3000



Le forage met également en évidence une forte hétérogénéité horizontale de la perméabilité puisqu’au sein d’une zone décrite comme aquifère entre les PM 2940 et 3330 (Antea, 2009), des perméabilités comprises entre 10-3 et 10-6 m/s sont observées. Au-delà, entre les PM 3330 et 3720, les perméabilités sont plus faibles, de l’ordre de 10-8 m/s. Ces perméabilités seraient avant tout des perméabilités verticales dans la mesure où le forage est horizontal.

Une coupe hydrogéologique schématique longitudinale de la galerie lors de son arrêt au PM2935 lors de la réalisation de SLP2, est présentée à l’illustration 74.

En présumant que la nappe est sub-affleurante car proche de son niveau de base sous les deux rivières et que la pression maximale mesurée dans SLP2 correspond au point haut de la surface piézométrique car située près du centre du massif, on peut reconstituer approximativement la forme de la surface piézométrique présumée avant percement (Illustration 74).

La forme de la surface piézométrique de l’aquifère de base peut être décrite par la relation de Dupuit-Forchheimer suivante (Dupuit, 1863 ; Forcheimer, 1886) :

T

LInfh

8

2

=∆

En assumant un substratum horizontal (constitué par des formations moins fissurées) à la base d’un aquifère de base homogène.

Où Inf est l’infiltration profonde (ou recharge) vers la nappe, L la distance entre les deux niveaux de base locaux où la nappe affleure (les rivières) et T la transmissivité globale de l’aquifère de base.

Connaissant ∆h grâce aux mesures de pression dans le forage et l’infiltration Inf (§ 7.6, p. 138), la transmissivité globale peut être estimée. En estimant qu’entre la moitié et les trois quarts de l’infiltration rejoint réellement l’aquifère de base (le reste s’écoulant vers les sources des aquifères perchés) et que la hauteur de la nappe est au maximum de 680 mètres, on obtient une transmissivité comprise entre 7 x 10-4 et 10-3 m2/s, ce qui correspond à une perméabilité de 1.4 à 2 x 10-6 m/s. Cette perméabilité est proche de la perméabilité horizontale Kh. Elle est inférieure aux perméabilités rencontrées dans les forages du littoral, suggérant ainsi une décroissance de la perméabilité vers l’intérieur du massif.



Illustration 74 - coupe hydrogéologique longitudinale simplifiée de la galerie au PM 2935

7.4. MODELISATION ANALYTIQUE DES VENUES D’EAU

7.4.1. Théorie

En admettant des conditions initiales hydrostatiques, une vitesse d’avancement constante, une géométrie radiale semi-infinie, ainsi que l’absence de perturbations piézométriques significatives au-delà du front de forage, le flux spécifique drainé par unité de longueur de la partie active du tunnel (Illustration 75a), depuis l’entrée dans la zone perméable, s’exprime par (Perrochet et Dematteis 2008) :

−+=

v

xt

Sr

K

Kstxq

21ln

2),(

ππ

pour 0>−v

xt (1)



Avec K : la conductivité hydraulique (m/s), S : coefficient d’emmagasinement spécifique, s : rabattement (m), v : vitesse d’avancement (m/s) et r : rayon du tunnel, t : temps (s) et x : coordonnée spatiale avec une origine à l’entrée de la zone perméable.

Illustration 75 - Tunnel foré en zone homogène (a) flux spécifiques non-uniformes résultant du forage progressif (b) Débit transitoire Q(t) selon l’équation (3) avec un maximum à t = L/v

Le débit total s’infiltrant dans le tunnel, pendant et après son excavation est ainsi obtenu par l’intégrale de convolution sur la longueur forée :

dx

v

xt

Sr

K

xLKsHtQ

vt

∫

−+

−=0

21ln

)(2)(

ππ (2)

où L est la longueur sur laquelle le tunnel recoupe la zone perméable.

Dans cette équation, la fonction-step de Heaviside H(u) (H(u)=1, u>0 et H(u)=0, u<0) est introduite pour couper toute venue d’eau supplémentaire dès que le front de taille – occupant la position vt à tout instant – dépasse la distance L (soit dès le temps L/v).

L’intégrale cumulée de l’équation 2 indique que le débit total drainé par le tunnel augmente de manière monotone, dès le temps initial d’entrée dans la zone perméable, et jusqu’au temps de percement L/v où un maximum est atteint. Ce débit diminue ensuite, également de manière monotone, puisque le percement de la zone est terminé.



Finalement, par un principe de superposition (Illustration 75b), l’intégrale de l’équation (2) résulte en

)()()()(v

LtQ

v

LtHtQtQ −−−= ∞∞

Avec ( ))2ln()()2(4)( 2 −−=∞ XEiXEisvSruQ et

+= u

Sr

KX 21ln

π (3)

où Ei est la fonction intégrale exponentielle.

Dans le cas d’une galerie traversant un massif hétérogène constitué d’une série de N tronçons caractérisés par des paramètres propres (Illustration 76), le total des contributions de chaque tronçon constitue le débit recherché :

)()()()()( 111

+∞

+=

∞ −−−−−=∑ iiii

N

iii ttQttHttQttHtQ (4)

Avec ( ))2ln()()2(4)( 2 −−=∞iiiiiii XEiXEivsrSuQ et

+= u

rS

KX

ii

ii 21ln

π (3)

Dans cette équation, les paramètres hydrodynamiques (Ki, Si, si) et les paramètres de forage (ti, vi, ri) sont identifiés pour chaque secteur par l’indice i, où ti est le temps de percement à l’entrée du ième tronçon, défini par

∑−

==

1

1

i

j j

ji v

Lt avec t1 = 0

et tN+1 correspondant au temps total de percement.

Ces relations sont appliquées à la galerie Salazie-Amont au chapitre suivant.



Illustration 76 - Tunnel foré en milieu

hétérogène. Paramètres des tronçons et

coordonnées locales d’avancement (modifié d’après Perrochet et Dematteis 2008) .

7.4.2. Application

Le tracé de la galerie Salazie-Amont a été divisé en douze tronçons selon des caractéristiques différentes, notamment pour tenir compte des arrêts, changements de méthode de forage et changements de formations hydrogéologiques. Les caractéristiques des tronçons utilisées dans la modélisation sont détaillées ci-dessous (Illustration 77).

No Date début

Date fin ti ti+1

PM début

PM fin Li Durée vi si Méthode ri

j j m m m j m/j m m 1 12/08/2001 09/10/2001 0 58 770 1215 445 58 7.67 150 tunnelier 1.9 2 09/10/2001 12/10/2001 58 61 1215 1238 23 3 7.67 200 tunnelier 1.9 3 12/10/2001 26/08/2002 61 379 1238 1240 2 318 0.01 200 tunnelier 1.9 4 26/08/2002 24/09/2002 379 408 1240 1250 10 29 0.34 200 sondages 1.9 5 15/09/2004 22/12/2004 1130 1228 1250 1412 162 98 1.65 200 traditionnel 3 6 28/06/2005 11/12/2006 1416 1947 1412 2692 1280 531 2.41 250 traditionnel 3 7 15/05/2007 20/09/2007 2102 2230 2692 2975 283 128 2.21 250 traditionnel 3 8 20/09/2007 10/12/2007 2230 2311 2975 3105 130 81 1.61 330 traditionnel 3 9 10/12/2007 22/10/2008 2311 2628 3105 3341 236 317 0.75 330 traditionnel 3 10 22/10/2008 21/04/2009 2628 2809 3341 3619 278 181 1.53 330 traditionnel 3 11 21/04/2009 19/07/2009 2809 2898 3619 3620 1.25 89 0.01 330 traditionnel 3 12 19/07/2009 17/10/2009 2898 2988 3620 4735 1115 90 12.38 330 tunnelier 1.9

Illustration 77 - tableau des caractéristiques des tronçons



Les résultats des simulations sont représentés à l’illustration 79. On observe que l’avancement du creusement de la galerie est bien pris en compte dans la modélisation (Illustration 79a). Par contre, les débits sont mal simulés (Illustration 79b). Si les tendances à l’augmentation et à la baisse sont bien représentées, on observe une difficulté du modèle à représenter l’intensité des tarissements observés. Notamment après la traversée de la zone du PM 1238. Cela se traduit par des débits simulés trop élevés après 2000 jours à l’amorce de la seconde zone de venues d’eau et ce, malgré des coefficients d’emmagasinement très élevés (Illustration 78).

Ceci suggère que le modèle et les hypothèses qu’il implique ne sont pas adaptés au cas de cette galerie. Les raisons sont explicitées au chapitre suivant.

Tronçon T (m2/s) S (-)

1 5.00E-07 0.1 2 4.00E-05 0.1 3 5.00E-05 0.1 4 6.00E-05 0.1 5 3.00E-07 0.1 6 1.00E-08 0.1 7 1.00E-08 0.001 8 5.00E-06 0.1 9 1.00E-07 0.001 10 1.00E-08 0.001 11 1.00E-08 0.001 12 1.00E-08 0.001

Illustration 78 - Tableau des paramètres hydrodynnamiques utilisés dans la modélisation



Illustration 79 - (a) Comparaison de l’avancement observé et de l’avancement pris en compte dans la modélisation (b) Comparaison des débits simulés et observés

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

5000

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500

Temps (j)

Ava

ncem

ent (

PM

)

Avancement observé

Avancement simulé

(a)

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500

Temps (j)

Déb

it (l/

s)

Débit observé

Débit simulé

(b)



7.5. TARISSEMENT DES VENUES D’EAU

7.5.1. Principe

Les débits de drainage transitoires observés ou simulés en tunnel mettent en évidence l'existence de deux phases de décroissance bien distinctes, telles que présentées à l’illustration 80 (Maréchal et Perrochet, 2003). Durant la première phase (Phase 1, 0 < t < tlim), les débits décroissent de manière régulière et les valeurs mesurées très proches des valeurs obtenues avec la solution analytique (équation (1)). C’est la phase de décompression du massif. Les quantités d’eau fournies le sont par l’effet de la baisse de pression dans le massif suite au percement du tunnel provoquant la détente de la roche et de l’eau. Durant cette phase, le cône de rabattement progresse au cours du temps selon une géométrie parfaitement radiale et les potentiels hydrauliques en surface ne sont pas perturbés par l’ouvrage.

Illustration 80 - Débits simulés dans le tunnel. Comparaison (modifié d’après Maréchal, 1998)

Dès l'apparition de la deuxième phase (Phase 2, t > tlim), les débits mesurés subissent une décroissance accélérée qui diverge alors significativement de celle de la solution analytique. En effet, cette dernière suppose un aquifère d’extension infinie alors qu’en réalité la perturbation liée à l’activation de l’ouvrage atteint successivement un ensemble de limites déterminantes (limites imperméables de l’aquifère, surface libre). Peu après le temps tlim, l’interface de saturation (soit la surface libre) à la verticale du tunnel enregistre un rabattement mesurable. On quitte dès lors les conditions d’application de la solution analytique dès l'apparition de la Phase 2 qui correspond à



l’arrivée, en surface, de la perturbation liée à l’activation du tunnel en profondeur. Les débits enregistrés dans le tunnel tendent alors graduellement vers la valeur de la recharge ou infiltration profonde Inf vers la nappe.

Le couplage d’une seconde solution analytique visant à simuler le débit de la seconde phase n’a pas été exploré dans le cadre de la présente étude.

7.5.2. Galerie de Salazie-Amont

Ce phénomène est typiquement ce qu’il s’est produit au niveau des venues d’eau du PM 1238 avec une incapacité de la solution analytique à reproduire la forte décroissance des débits. Ceci suggère que le cône de rabattement autour de l’ouvrage a atteint la surface piézométrique de la nappe.

Le temps tlim séparant les deux phases peut être calculé au moyen des paramètres hydrodynamiques de l’aquifère selon Perrochet et Dematteis (2008) :

K

SRt

81

lim ≈

avec R : distance radiale entre l’axe du tunnel et la limite rencontrée. Ce temps tlim ne doit pas être confondu avec la durée totale du tarissement, à laquelle il est inférieur.

Le temps tlim nécessaire pour que le cône de rabattement atteigne la limite constituée par la surface de la nappe est calculé au tableau suivant (Illustration 81). Un emmagasinement spécifique de l’ordre de S = 10-5 a été choisi en l’absence de mesure sur le terrain. C’est une valeur moyenne pour des milieux fissurés (10-4 < S < 10-6 selon de Marsily, 1986). La piézométrie maximale enregistrée avant percement de l’ouvrage (R = 330 m) est retenue pour déterminer ainsi les temps maxima.

R= 330 330 S= 0.00001 0.0001 K (m/s)

tlim

(secondes) tlim (jours)

tlim

(secondes) tlim (jours)

1.00E-09 1.13E+08 1302 1.36E+09 15755 1.00E-08 1.13E+07 130 1.36E+08 1576 1.00E-07 1.13E+06 13 1.36E+07 158 1.00E-06 1.13E+05 1 1.36E+06 16 1.00E-05 1.13E+04 0 1.36E+05 2 1.00E-04 1.13E+03 0 1.36E+04 0 1.00E-03 1.13E+02 0 1.36E+03 0 1.00E-02 1.13E+01 0 1.36E+02 0

Illustration 81 - Calcul du temps tlim au-delà duquel la surface piézométrique est atteinte pas le cône de rabattement dans le cas de la galerie de Salazie-Amont



Les valeurs de conductivité hydraulique obtenues dans les zones de venues d’eau (du PM 2940 au PM 3330) oscillent entre 10-3 et 10-6 m/s selon les tests hydrauliques effectués dans le forage SLP2 (Antea, 2009). Cela signifie que pour ces zones, le cône de rabattement aurait atteint la surface piézométrique en moins de un jour (pour S=0.00001) voire en 16 jours (pour S=0.0001). Dès cette période passée, la décroissance des débits est plus rapide et ne peut donc être ajustée par l’équation (1). C’est pour cette raison que les tarissements observés sont plus rapides que ceux simulés par la solution analytique.

Dans les zones à faibles venues d’eau (du PM 3330 au PM 3720), les perméabilités inférieures à 10-8 m/s indiquent des durées de l’ordre de plusieurs années pour que le cône atteigne la surface.

Ces calculs correspondent à un modèle hydrogéologique homogène au-dessus de la galerie. Dans le cas de dépôts subhorizontaux isolant le système, la limite est atteinte encore plus rapidement. Mais dans ce cas, l’effet ne peut alors s’étendre jusqu’à la surface.

7.6. IMPLUVIUM DE LA GALERIE

En l’absence d’un suivi piézométrique à la surface du massif durant le creusement de la galerie, il est impossible de déterminer les effets du drainage par la galerie sur la piézométrie de surface et donc de localiser la zone d’influence de la galerie. Par contre, en supposant un régime d’équilibre entre l’entrée (infiltration profonde sur le massif) et la sortie (débits drainés par la galerie), il est possible de déterminer l’extension de l’impluvium de la galerie, c'est-à-dire la zone dont l’infiltration profonde est entièrement captée par le tunnel. Ce calcul nécessite la connaissance des flux d’infiltration vers la nappe qui ont été estimés au moyen de bilans hydrologiques de surface effectués à la station Plaine des Fougères par Antea (2004). En négligeant la variation de stock annuelle dans les sols, la recharge (ou infiltration profonde) vers la nappe se calcule comme suit :

QETRPInf −−=

Avec Inf : recharge annuelle (mm/an), P : pluie annuelle (mm/an), ETR : évapotranspiration réelle annuelle (mm/an) et Q : ruissellement de surface (mm/an)

La recharge annuelle moyenne est donc comprise entre 1300 et 1700 mm/an selon les hypothèses du seuil de ruissellement utilisées dans la simulation du ruissellement (Illustration 82). A titre de comparaison, un bilan hydrologique du bassin versant de la ravine Mère Canal conduit à une infiltration moyenne profonde assez comparable, de l’ordre de 1850 mm/an entre 2006 et 2008 (Office de l’Eau, 2009). Nous retiendrons le chiffre moyen de 1500 mm/an.



La superficie de l’impluvium de la zone drainée par la galerie est calculée selon

InfqA =

Avec A (m2) la superficie de l’impluvium et q le débit drainé (m3/an)

En supposant cette zone de forme rectangulaire le long de la galerie, la largeur de l’impluvium est calculée par le rapport entre la surface A et la longueur du tronçon considéré.

Sur le premier tronçon (PM 0 à 3000), le débit est stabilisé à environ 180 l/s (5.6 Mm3/an). Ceci correspond, sur une longueur de 3000 mètres à une aire d’alimentation d’une largeur d’environ 1260 mètres au droit de la galerie. Sur le second tronçon (PM 3000 à 4700), le débit augmente à 850 l/s (26.8 Mm3/an) sur une longueur de 1700 mètres, soit un impluvium d’environ 8000 mètres au droit de la galerie. La distribution spatiale de cet impluvium est limitée par la présence du rempart vers l’amont et par le pendage naturelle des formations volcaniques.

Attention, cette superficie ne correspond pas à la zone ayant subi une influence piézométrique mais à la superficie du massif, en surface, nécessaire à alimenter la galerie en assumant que toute l’infiltration rejoint la galerie.



Flux 2001 2002 2003 Moyenne Précipitations (P) 2022 4312 4412 3582 ETR = ETP 1100 1100 1100 1100 Ruissellement simulé Q (seuil à 50 mm/j) 425 1895 1199 1173

Ruissellement simulé Q (seuil à 80 mm/j) 320 1400 672 797

Recharge Inf (scénario seuil à 50 mm/j) 497 1317 2113 1309

Recharge Inf (scénario seuil à 80 mm/j) 602 1812 2640 1685

Illustration 82 - Valeurs annuelles des composantes du bilan hydrologiques mesurées et calculées entre 2001 et 2003 à la station météorologique de Plaine des Fougères (d’après

Antea)

Illustration 83 - Résultats des bilans hydrologiques annuels sur le bassin versant expérimental de la ravine Mère Canal, Plaine des Fougères (Office, 2009)



8. Discussion et caractérisation du fonctionnement des hydrosystèmes de la zone

d’étude

8.1. SYNTHESE GLOBALE DE L’ANALYSE FONCTIONNELLE

L’analyse fonctionnelle des aquifères du nord de la Réunion a porté sur l’étude de la piézométrie de dix-huit forages. Les six forages exploités n’ont pas donné de résultats concluant aux différentes analyses, mais les autres ont permis de quantifier les signaux d’entrée des différents hydrosystèmes.

Dans un premier temps, l’autocorrélation des chroniques piézométriques a mis en évidence les différents phénomènes périodiques les affectant tels que la marée, les pompages ou les phénomènes de plus grande périodicité comme la recharge annuelle.

L’étude de l’intercorrélation pluie/piézométrie par analyses croisées a, dans un second temps, précisé les temps de réponses des aquifères au sein de la zone d’étude. Trois types de réponse aux précipitations ont pu être définis :

> Les ouvrages à réponse rapide, ils présentent des temps de réponses courts avec un premier pic entre 2 et 4 jours. Ils sont rechargés par transfert de pression rapide ;

> Les ouvrages à réponse lente qui présentent des temps de réponses longs pouvant aller jusqu’à deux mois. La recharge se fait par transfert de pression lent ;

> Les forages à réponse hybride présentant des temps de réponses intermédiaires. Leur recharge est multiple et se fait par transfert de pression relativement rapide.

A l’échelle du terrain d’étude, le temps de réponse se corrèle relativement bien avec la profondeur des crépines (qui correspond à une approximation de la zone non saturée). Cette observation sous-entend que la recharge des aquifères se fait, d’une part en amont (notion de bassin versant souterrain), mais aussi au droit des ouvrages.

Des analyses dans le domaine fréquentiel ont par la suite été réalisées dans le but de mettre en évidence l’influence de la marée sur la piézométrie de la zone d’étude. Les périodogrammes produits ont permis d’identifier neufs ouvrages influencés par la marée et ont mis en évidence l’existence d’un caractère captif – plus ou moins marqué



– sur l’ensemble des forages. Le déphasage observé entre la marée maritime et la piézométrie augmente avec la distance à l’océan.

Enfin, une modélisation globale de la piézométrie de trois ouvrages représentatifs des différents comportements identifiés a pu être réalisée. Elle a mis en évidence le fait que l’alimentation des nappes se fait principalement par la pluviométrie, et non pas par une alimentation par une composante de type « complexe aquifère régional / nappe de base ». Les modalités de transfert de l’eau n’ont pu être précisées mais diverses hypothèses peuvent être formulées :

> La recharge des aquifères se fait au gré de l’infiltration des eaux au travers des horizons sus-jacents, les temps de transfert dépendant de la géologie et de la profondeur des crépines ;

> La recharge se répartit sur l’intégralité du bassin versant souterrain, depuis la zone de captage jusqu’au droit des remparts dans la partie amont des bassins versants de surface ;

> La proximité de rivières peut permettre une alimentation par leur intermédiaire.

L’analyse forage par forage caractérise plus précisément le fonctionnement de chacun :

S1 Chaudron : Ce puits, qui ne réagit pas à la marée maritime, présente une réponse rapide aux précipitations avec un temps de réponse de 4 jours. Ce comportement peut s’expliquer par le fait que les crépines soient très peu profondes et par les scories peu altérées, horizon généralement très transmissif, qu’elles captent (en plus de basalte fissuré). En outre, S1 Chaudron est situé à proximité de deux rivières, dont la Ravine du Chaudron, et à proximité d’une zone de ruissellement concentré visible aux abords de la tête de l’ouvrage (identifiée lors d’une visite de terrain). Ces cours d’eau contribuent probablement à la recharge rapide de la nappe. Quant au caractère captif qui ressort de l’analyse par périodogramme, il s’explique vraisemblablement par la présence de tufs altérés surmontant les crépines.

S1 ZEC : Tout comme S1 Chaudron, S1 ZEC présente une réponse rapide aux précipitations avec un temps de réponse de 2 jours et n’est pas influencée par la marée maritime. Les crépines, profondes d’environ 30m et dont la hauteur est de 5m, ne captent qu’un horizon de scories. Cet horizon alimente également un forage d’AEP situé à moins de 100m qui n’a aucune influence sur le puits S1 ZEC (transmissivité très élevée). Cet ouvrage se situe également en bordure de la Ravine du Chaudron, ce qui contribue probablement à son alimentation. La composante rapide de la réponse aux précipitations correspond à un transfert de pression provenant de la ravine et la composante plus lente (8 jours) serait issue du transfert lié à l’infiltration de l’eau à travers les horizons sus-jacents.

Appoint ZEC : Cet ouvrage est implanté à proximité immédiate de S1 ZEC. Son comportement diffère légèrement de celui-ci mais la longueur de la chronique (1 an)



disponible ne permet pas d’être catégorique sur son fonctionnement. D’après les analyses temporelles, il présente une réponse hybride, avec plusieurs réactions aux précipitations (se traduit par de multiples pics sur le corrélogramme croisé). La géologie observable au niveau des crépines est composée de basalte compact, fissuré et scoriacé. En comparant cet ouvrage à S1 ZEC le fonctionnement suivant est envisageable : la composante rapide (3 jours) correspondrait à un transfert de pression issu de la rivière et la composante lente (27 jours) serait issue de l’infiltration de l’eau au travers des horizons sus-jacents (système à double porosité). Concernant le caractère captif observé par l’intermédiaire de l’analyse spectrale, il s’explique vraisemblablement par les horizons de basalte compact (8m) et de basalte argileux (3m) sus-jacents. Etant donné leur proximité et les altitudes de leurs charges hydrauliques, S1 ZEC et appoint ZEC captent probablement la même nappe.

P22 Les Cocos : La nappe interceptée par cet ouvrage est captive à sa verticale sous 15m de tufs et plusieurs horizons de basalte compact. L’influence de la marée a clairement été identifiée avec un déphasage d’un peu plus de 2h. Cette caractéristique signifie que l’aquifère possède une condition aux limites avec l’océan (continuité hydraulique). Les horizons observés au niveau des crépines sont des scories, des alluvions ainsi que du basalte compact. Cet ouvrage présente une réponse hybride aux précipitations. Une alimentation relativement tardive (18 jours) de cet ouvrage par les eaux de la rivière Sainte-Marie est envisageable, avec une contribution 40 jours après l’épisode pluvieux de l’eau infiltrée à la verticale du forage.

La Découverte : Très peu d’informations sont disponibles sur ce forage exploité. Les analyses temporelles, dont les résultats sont perturbés par les pompages, n’ont pas permis de préciser les observations faites sur la piézométrie. Cependant, l’altitude de la nappe est à peu près la même que Verger et Grand Prado (voir annexes) situés à proximité. Ces trois ouvrages semblent implantés sur un même continuum aquifère. Etant donné l’amplitude intersaison de la piézométrie de ces deux autres forages (1m), il est probable que La Découverte présente les mêmes variations et donc une réponse hybride aux précipitations.

F2 Gillot : Cet ouvrage, captif sous 30m de basalte altéré, présente une influence marquée de la marée « maritime ». Sa piézométrie réagit lentement aux précipitations avec un temps de transfert de plus d’un mois. Les crépines sont de profondeur relativement faible, mais le comportement de l’ouvrage est lent. Ce temps de réaction est probablement lié à la captivité de la nappe à cet endroit sous 30m de basalte altéré.

Chèvres supérieure : L’analyse spectrale a montré que la nappe supérieure de Ravine des Chèvres présente un caractère captif, tout comme la nappe inférieure, bien que moins marqué. L’influence de la marée est observable avec un déphasage de 4h entre les signaux. L’océan constitue donc une condition aux limites pour cet horizon aquifère. La profondeur intermédiaire des crépines est cohérente avec la réponse hybride de l’ouvrage vis-à-vis des précipitations.

Belle Eau : L’influence de la marée maritime a été mise en évidence sur ce forage, caractérisée par un déphasage d’environ 8h. Le caractère captif identifié sur la DSP



relative est très faiblement marqué. La profondeur intermédiaire des crépines est cohérente avec la réponse hybride de l’ouvrage vis-à-vis des précipitations.

Verger : Cet ouvrage étant exploité, les analyses n’ont pu caractériser son fonctionnement. D’après la profondeur des crépines et les variations piézométriques observées, il est possible d’envisager une réponse hybride aux précipitations pour ce forage.

Duparc : L’analyse spectrale a mis en évidence l’influence de la marée et le caractère captif de ce forage dont les crépines sont surmontées de basalte compact et altéré (40m). Duparc réagit relativement rapidement aux précipitations, avec un premier pic à 7 jours. Les crépines, dont la profondeur est intermédiaire par rapport à celles des autres ouvrages étudiés, captent principalement des alluvions qui semblent être relativement transmissifs.

Grand Prado : Ce forage étant exploité, les analyses ne peuvent apporter de précisions sur les observations faites. D’après la piézométrie et la position des crépines par rapport au sol, il semblerait que Grand Prado présente un comportement hybride vis-à-vis des précipitations. La nappe dans laquelle est implanté cet ouvrage est captive à cet endroit sous des basaltes compacts et une formation pyroclastique.

Chemin Grimm : Ce forage captif sous environ 50m de coulées boueuses subit une légère influence de la marée maritime. Il présente une réponse lente aux précipitations qui s’explique par les horizons peu perméables surmontant les crépines relativement profondes (plus de 100m sous la surface du sol).

Rivière des Pluies : Les données de piézométrie disponible pour cet ouvrage exploité ne permettent pas de conclure sur son fonctionnement. Mais d’après la profondeur des crépines et la géologie les surmontant, le forage présente probablement une réponse lente aux précipitations. La présence de tufs, de basaltes compact et altéré semble rendre la nappe captive à cet endroit.

Chèvres inférieure : Comme dit précédemment, la nappe inférieure de Ravine des Chèvres subit l’influence de la marée, avec un déphasage de 4h entre les signaux. La nappe est captive sous des argiles et du basalte altéré. La réponse lente qui caractérise cet ouvrage s’explique probablement par la profondeur des crépines (130 à 150m) et par la présence d’horizons relativement peu perméables les surmontant. Ce forage capte les alluvions de la paléo-vallée identifiée. Des échanges entre la nappe supérieure et celle-ci sont soupçonnés, vraisemblablement par drainance verticale ascendante, la charge hydraulique de la nappe inférieure étant plus élevée.

Bel Air : Cet ouvrage, captif sous 90m de tufs et de tufs altérés, est également influencé par la marée. Sa réponse lente aux précipitations (52 jours) s’explique par la géologie (les tufs sont très peu perméables) et la profondeur élevée des crépines. Ce puits capte vraisemblablement les mêmes alluvions que la nappe inférieure des Chèvres, au niveau de la paléo-vallée. Cette supposition est renforcée par le fait que les charges hydrauliques de ces deux nappes sont à peu près les mêmes, avec une charge plus élevée pour Bel Air qui correspond donc dans ce cas à l’amont



hydraulique. En outre, l’océan constitue une condition aux limites à cette même nappe captée à la fois par Chèvres inférieure et Bel Air.

Quinquina : Situé à 157m d’altitude, ce forage est exploité. Selon les variations piézométriques, très inertielles, et la profondeur des crépines, la réponse de cet ouvrage aux précipitations est lente. En outre, les horizons captés sont surmontés de 35m de basalte compact rendant la nappe plus ou moins captive. La proximité de la rivière des Pluies ne semble avoir aucun impact direct sur les variations piézométriques.

Domenjod : Cet ouvrage exploité, implanté à 196m NGR, est le plus haut parmi les forages étudiés. Les crépines sont situées entre 191 et 256m de profondeur et sont surmontées d’horizons de basalte compact entrainant ainsi un comportement inertiel de la nappe captée, avec une réaction lente aux précipitations. La proximité de la rivière des Pluies ne semble avoir aucun impact direct sur les variations piézométriques.

Convenance : L’analyse spectrale a permis de mettre en évidence l’influence de la marée sur le signal piézométrique. Cet ouvrage présente une réponse lente aux précipitations avec un temps de transfert d’environ deux mois. La position des crépines n’est pas connue, mais d’après la synthèse géologique réalisée, il semblerait que ce soit les alluvions de la paléo-vallée qui soient captés. La présence de basalte compact et altéré au-dessus rend probablement la nappe captive à cet endroit.

Tomi : Cet ouvrage, situé à 100m de l’océan, présente un fonctionnement particulier. Aucune influence de la marée n’a été mise en évidence par les analyses ni n’est visible sur la piézométrie. En outre, malgré une géologie composée d’alluvions grossières et une profondeur des crépines très faible, l’ouvrage présente une réponse très lente aux précipitations avec un temps de transfert d’environ un mois et demi. Deux hypothèses peuvent être formulées pour expliquer ces caractéristiques : la période d’analyse est trop courte (1an) et la proximité de l’océan induit des phénomènes particuliers perturbant le signal piézométrique (surcote marin).

8.2. CARACTERISATION DU FONCTIONNEMENT DES HYDROSYS TEMES DE LA ZONE D’ETUDE

Les aquifères du nord de la Réunion se caractérisent par l’hétérogénéité de leur géologie, induisant une hétérogénéité de leur comportement. Les diverses analyses réalisées sous Tempo ont permis d’identifier et de quantifier les phénomènes directement observables sur les chroniques de données disponibles.

Les trois comportements des forages mis en évidence sont les suivants :

> La réponse rapide, caractérisée par un transfert de pression rapide (moins d’une semaine), se retrouve sur S1 ZEC et S1 Chaudron, tous deux implantés dans la partie ouest de la zone d’étude. Ces ouvrages ne sont pas influencés



par la marée maritime et présentent des crépines peu profondes permettant une infiltration rapide de l’eau au travers des horizons sus-jacents. Il semblerait qu’un transfert issu des cours d’eau à proximité soit impliqué dans leur recharge.

> La réponse lente, caractérisée par un transfert de pression lent, est observée sur F2 Gillot, Chemin Grimm, Rivière des Pluies, Chèvres inférieure, Bel Air, Quinquina, Domenjod, Convenance et Tomi (dont le fonctionnement reste néanmoins à part). Les temps de transfert peuvent atteindre deux mois. Ils sont principalement liés à la grande profondeur des crépines qui induit une infiltration longue et à la géologie des horizons traversés. Ces ouvrages ne subissent aucune influence directe des cours d’eau.

> La réponse hybride, définie par un transfert de pression relativement rapide et une contribution multiple (se traduit par plusieurs pics sur le corrélogramme croisé), se retrouve sur Appoint ZEC, Belle Eau, P22 Les Cocos, Duparc, Chèvres supérieure, Découverte, Verger et Grand Prado. Ce comportement est lié à la position intermédiaire des crépines, caractérisée par une profondeur moyenne (comprise entre les crépines des forages à réponse rapide et celles des forages à réponse lente). Les rivières semblent impliquées dans la recharge d’une partie de ces forages.

L’ensemble des ouvrages non exploités présente un caractère captif (influence de la marée terrestre), identifié grâce aux analyses spectrales. Ce traitement numérique a également permis de mettre en évidence l’influence de la marée marine sur neuf d’entre eux : F2 Gillot, Chemin Grimm, Chèvres inférieure et supérieure, Bel Air, Convenance, Belle Eau, Les Cocos et Duparc. Le déphasage entre le signal piézométrique et le signal du niveau marin augmente avec l’éloignement du puits du bord de mer. Les nappes que captent ces forages présentent l’océan comme condition aux limites.

L’hétérogénéité de la géologie ne permet pas l’identification précise de l’étendue des aquifères mais d’après les observations réalisées, il semblerait que Verger, Découverte et Grand Prado captent le même horizon aquifère. En effet, ils sont proches les uns des autres, leurs niveaux piézométriques, sont à la même altitude et avec des variations semblables et ils présentent la même géologie au niveau des crépines (basalte avec passages scoriacés).

La modélisation globale réalisée sur trois des chroniques piézométriques a mis en évidence le fait que la pluie représente le facteur principal des variations piézométriques, mise à part l’influence de la marée.

La modélisation spécifique du piézomètre Chaudron a permis de déduire que l’élévation de la piézométrie de base du piézomètre Chaudron est à relier aux échanges nappe-rivière et plus particulièrement aux apports d’eaux supplémentaires apportées par le rejet de la galerie Salazie Amont (par rapport au fonctionnement naturel et à l’alternance d’années sèches et humides).



Ce comportement hydrodynamique particulier, c'est-à-dire marqué par une recharge amplifiée par l’augmentation anthropique du débit de la Rivière des Pluies pourrait vraisemblablement être aussi attribué au secteur ZEC (piézomètre S1 Puits Zec - 12271X0038 ; forage d'appoint ZEC - 12271X0060 ; puits ZEC Chaudron - 12271X0037). A l’inverse, bien que situé dans l’emprise du cône alluvial de la Rivière des Pluies, le forage Duparc ne semble pas être influencé par cette recharge accrue. En ce qui concerne, F2-Gillot, la chronique piézométrique n’est pas suffisamment longue (29/08/07 au 12/01/09) pour suivre une évolution sur le moyen terme.

Hormis la recharge du secteur ZEC qui se manifeste via les échanges ESU/ESO, la déconvolution du signal piézométrique réalisé dans cette étude n’a pas révélé d’impact de la galerie Salazie Amont. Les variations observées sur la piézométrie avant et après 2002 sont liées aux variations climatiques. Sur l’ensemble des chroniques, les temps de transfert de pression sont toujours inférieurs à l’année, il serait donc logique de penser que la modification des lignes de courant au droit de la GSAM aurait dû impacter assez rapidement les ressources en eau de la bande littorale.

8.3. INTEGRATION DES RESULTATS HYDROCHIMIQUES ET HYDRODYNAMIQUES SUR LA GSAM

Deux représentations conceptuelles d’écoulement des eaux sont généralement retenues pour les iles volcaniques : modèle type « canarien » ou modèle « hawaiien » (Illustration 84). Le premier modèle suppose que la nappe de base des secteurs littoraux serait en continuité hydraulique avec la nappe de base d’altitude ce qui formerait un aquifère généralisée à l’échelle de l’ile. Le second modèle suppose que la nappe de base est déconnectée hydrauliquement des aquifères d’altitudes. Dans le cadre la présente étude, les observations réalisées tendent à apporter des arguments penchant vers l’un ou l’autre modèle. Le cadre de cette étude ne permet pas de trancher sur la validité de tel ou tel modèle, mais permet plutôt de proposer une coexistence potentielle des modèles en fonction de l’échelle d’observation (Illustration 85).

Toutefois, les interprétations hydrogéologiques de la présente étude ne reposent pas sur un ou l’autre modèle, mais sur les interprétations des données disponibles.



8.4. IMPACT DU CREUSEMENT DE LA GSAM SUR LES AQUIFE RES DU NORD DE LA REUNION

Le creusement de la GSAM entraine la réorganisation des lignes d’écoulement des aquifères du Nord de la Réunion. Plus concrètement, la connexion hydraulique permanente et directe entre la Plaine des Fougères et la GSAM constitue la principale modification du système amont. Avant toute conclusion, il est important de rappeler que le régime d’écoulement est transitoire (régime permanent non atteint).

Avant le creusement, les eaux infiltrées au droit de la GSAM rejoignaient les secteurs littoraux sans s’infiltrer profondément dans le massif en raison de la saturation du massif. Sous une zone non-saturée hectométrique se développaient au moins deux compartiments aquifères :

> le compartiment supérieur contenait des eaux peu évoluées dénotant une circulation rapide pluriannuelle ;

> le compartiment inférieur contenait des eaux évoluées dénotant une circulation lente, sans connexion directe avec le littoral (l’hydrochimie ne met en évidence aucune trace de ces eaux sur les aquifères littoraux).

Le mélange ponctuel et localisé des eaux de ces compartiments est toutefois envisageable lorsque les aquifères plus superficiels sont en charge comme cela a été interprété à partir de la description du phénomène d’effet piston (§ 4.2.5 - p. 66) via des systèmes de fractures et de circulation rapide.

Sur la base de l’analyse fonctionnelle, l’intégralité du signal piézométrique des aquifères littoraux est expliquée par la pluviométrie. La contribution du ou des compartiments aquifère inférieur (eaux évoluées) n’est donc pas significative sur les chroniques utilisées lors de l’analyse (au moins 8 ans de données). De plus, les transferts de pression marqués par une composante lente11 inférieure à une année, peuvent être considérées comme « rapides ». En conséquence, en ne considérant que les observations réalisées jusqu’au début 2009 , le creusement de la GSAM n’a pas présenté d’impact quantifiable sur les aquifères de la zone littorale (hormis les processus de recharge via les infiltrations de la Rivière des Pluies). Toutefois, la galerie n’étant pas achevée, le fonctionnement déduit uniquement des observations actuelles pourrait potentiellement être remis en question sur la base de nouvelles observations contradictoires. Il est nécessaire de rappeler ici les processus de

11 La composante lente correspond au plus bas niveau de la réponse impulsionnelle : c’est-à-dire lorsque les précipitations n’ont plus aucune influence sur la piézométrie.



recharge mis en évidence par l’Office de l’eau (2009), à savoir que les infiltrations sont majoritaires au cours des périodes marquées par des précipitations intenses : les mois de janvier, février et mars fournissent à eux seuls entre 75% et 65 % des infiltrations.

Il serait logique de supposer que la recharge, se déroulant au cours de la saison humide, ne pourra être qu’amplifiée par une potentielle dépression piézométrique relative au creusement de la GSAM. Toutefois, le sol constitue le facteur qui limite l’infiltration et il semble peu probable qu’une modification des conditions aux limites profondes puissent engendrer un impact sur l’infiltration superficielle (la zone saturée est potentiellement située à plus de 300 m de profondeur sous la surface du sol).

Dans le cas d’un étiage sévère et malgré le fait que cette situation ne soit pas modélisée, il est envisageable que la galerie puisse engendrer un impact sur les ressources littorales en amplifiant le déficit de recharge. Toutefois, la distinction entre les phénomènes de drainance vers la galerie et la recharge des ressources littorales ne parait pas quantifiable en l’état actuel des connaissances.

Pour rappel, l’Office de l’eau avait réalisé en 2005 (Stoll, 2005) un modèle numérique du secteur Ste-Marie – St-Denis visant, entre autre, à appréhender l’impact du captage d’eau dans les GSAM et GSAV. La méthodologie retenue consistait à réduire le flux souterrain de la condition au limite amont de :

> 200 l/s (6 Mm3/an) pour la GSAV sur le territoire de la planèze de St-Denis ;

> 250 l/ (8 Mm3/an) pour la GSAM sur le territoire de la planèze de Ste-Marie.

Ces valeurs sont en cohérence avec celles de l’Arrêté Préfectoral12 qui porte à 450 l/s le débit maximum à prélever sur les deux galeries.

L’impact modélisé se manifeste par une baisse maximale de la piézométrie de 20 à 60 cm. Toutefois, l’auteur du rapport précise que cette abaissement devrait être moindre du fait de l’effet tampon dû à l’emmagasinement et de la capacité de stock de la nappe. Ce résultat est contraint par la structure du modèle imposant des flux de recharge dans les conditions aux limites amont.

Cette hypothèse diverge des résultats du présent rapport qui tendent à démontrer que les variations du signal piézométrique sont reproduites à partir des données de précipitations uniquement, sans intégration d’une composante « complexe aquifère régional ».

12 l’Arrêté Préfectoral n° 06-4241 / SG/DRCTCV, enregistr é le 28/11/2006, relatif au captage par le Département de la Réunion des venues d’eau rencontrées lors du creusement de la galerie de Salazie et portant pour ce dernier autorisation temporaire de prélèvement au titre du Code de l’Environnement en vue de l’utilisation agricole de cette ressource dans le cadre de l’irrigation de la Côte Ouest à partir des eaux du Transfert Est/Ouest.



Illustration 84 - Modèle conceptuel des aquifères volcaniques (Join et al., 2005)



Illustration 85 – Schéma conceptuel du secteur d’étude



9. Conclusions

9.1. PRINCIPAUX RESULTATS

La synthèse des données géologiques et hydrogéologiques d’une quarantaine de forages a permis d'établir un modèle géologique conceptuel mettant en évidence l’hétérogénéité de la géologie de la zone et guidant par la suite l’interprétation du fonctionnement des hydrosystèmes étudiés.

Les chroniques de données disponibles ont pu être traitées avec le logiciel Tempo à la fois dans le domaine temporel et dans le domaine fréquentiel. Les analyses simples (autocorrélation et analyse spectrale simple) ont permis de mettre en évidence les phénomènes périodiques affectant les chroniques tels que la marée, les pompages ou la recharge annuelle par les précipitations tandis que les analyses croisées ont permis de déterminer les déphasages existants entre les signaux (la pluviométrie avec la piézométrie et le niveau marin avec la piézométrie). Trois types de réponses des forages aux précipitations ont été identifiés et l’influence de la marée sur neuf de ces forages a été démontrée.

Certaines caractéristiques de l'hydrogéologie en milieu volcanique (double porosité, aquifères complexes hétérogènes, similarités avec le milieu karstique…) ont été observées et démontrées par le traitement du signal du suivi charge hydraulique / conductivité électrique. De plus, à l’échelle du terrain d’étude, le temps de transfert de pression se corrèle relativement bien avec la profondeur des crépines (qui correspond à une approximation de la zone non saturée). Cette observation sous-entend que la recharge des aquifères se fait, d’une part en amont (notion de bassin versant souterrain), mais aussi au droit des ouvrages via des circulations rapides en milieu fracturé. Cette hypothèse est confortée par une analyse empirique menée sur les isotopes de l’eau (étude Office de l’eau / Université de la Réunion). Sans posséder les arguments nécessaires à une démonstration péremptoire, il apparaît que la recharge de chaque forage est assurée de manière homogène sur l’ensemble de la superficie du bassin versant de surface dans lequel s’inscrit le captage.

La modélisation globale réalisée sur trois chroniques piézométriques au comportement différent a permis de cerner le fonctionnement des hydrosystèmes et ainsi d’identifier la pluviométrie comme étant le facteur principal à l’origine des variations observées. Cette modélisation a aussi contribué à démontrer le rôle du débit d’exhaure de la GSAM entrainant une modification anthropique du débit de la Rivière des Pluies. En effet, la charge hydraulique du secteur ZEC est significativement accrue en raison des infiltrations des eaux de surface vers les eaux souterraines en partie avale de la Rivière des Pluies. Ce phénomène anthropique ne représente qu'un aspect très



secondaire en raison de la capacité d’infiltration du fond de la rivière qui demeure largement influencée par des processus naturels (colmatage du fond de la rivière).

La composante méthodologique du présent rapport se manifeste, entre autres, par la démonstration que l’outil Tempo est efficace pour la simulation des variations piézométriques dans le contexte réunionnais. A contrario, le modèle déterministe St-Denis / Ste-Marie de l’Office de l’eau (Stoll, 2005) présente des difficultés à reproduire les charges des secteurs caractérisé par des réponses lentes aux précipitations. L’auteur du modèle explique que ces difficultés sont relatives à l’absence de prise en considération de la zone non saturée.

L’approche hydrochimique a conduit à l’interprétation de données issues de diverses analyses afin de replacer les aquifères du Nord de la Réunion dans un contexte régional. Différents phénomènes ont été mis en évidence : intrusion marine, composante hydrothermale, interactions eaux-roches, dénitrification, précipitation secondaire potentielle… Au-delà des regroupements de faciès hydrochimiques et de la mise en évidence de pollutions anthropiques, l’apport principal est constitué par la distinction d’eau chimiquement évoluée (plus minéralisée) au sein de la GSAM et d’eau moins évoluée (aquifère littoraux, GSAM et certaines sources).

Enfin, le flux d’eau drainé par unité de longueur de la GSAM a été approché à l’aide d’une modélisation analytique des venues d’eau. Les paramètres hydrodynamiques (perméabilité, emmagasinement spécifique) le rabattement et les paramètres de forage (temps, vitesse d’avancement, rayon du tunnel) sont identifiés pour chaque tronçon percé par l’indice i, où ti est le temps de percement à l’entrée du ième tronçon. Ainsi, la GSAM a été subdivisée en 12 tronçons présentant des caractéristiques propres. Bien que les tendances à l’augmentation et à la baisse soient bien représentées, on observe une difficulté du modèle à représenter l’intensité des tarissements observés. Le tarissement peut-être décomposé en deux phases de décroissance bien distinctes :

> Durant la phase de décompression du massif, le cône de rabattement progresse au cours du temps selon une géométrie parfaitement radiale et les potentiels hydrauliques en surface ne sont pas perturbés par la GSAM.

> Ensuite, les débits mesurés subissent une décroissance accélérée qui diverge alors significativement de celle de la solution analytique qui suppose un aquifère d’extension infinie. En réalité la perturbation liée à l’activation de l’ouvrage atteint successivement un ensemble de limites déterminantes (limites imperméables de l’aquifère, surface libre). Les débits enregistrés dans le tunnel tendent alors graduellement vers la valeur de la recharge ou infiltration profonde vers la nappe.

Cette conclusion rejoint les interprétations déduites des analyses hydrochimiques relatives à la mise en connexion de la GSAM avec la surface. Elle est de plus confortée par des observations réalisées en galerie par M. Marc Eulry (Direction Travaux - Maîtrise d'Œuvre Transfert Salazie - BRL/SCP/SECMO) qui indique que la température des eaux rencontrées au PM3000 a significativement baissé entre début 2008 (≈ 25°C) et 2010 ( ≈ 20°C).



Cette évolution des eaux d’un faciès évolué « chaud » vers un faciès peu évolué « moins chaud » pourrait sembler être en contradiction avec les résultats provisoires de datations des eaux (Office de l’eau / Nicolini) car sur certains points, un « vieillissement » des eaux avait pu être observé. Afin d’expliquer cette divergence de résultats, les interprétations d’Armines (Cojean & Deffontaines, 2009) seront cités : « Il faut se représenter l’aquifère comme un système que l’on pourrait qualifier de système gigogne, les volumes les plus transmissifs libérant des eaux relativement jeunes en premier, des volumes moins transmissifs libérant ensuite des eaux plus âgées. ».

Les datations d’eau et l’interprétation apportée par Armines tendent à démontrer, une nouvelle fois, que les hydrosystèmes doivent être appréhendés à différentes échelles d’observations.

Dans le cadre de la présente étude, un modèle conceptuel hydrogéologique cohérent a été établi en se basant sur des échelles d’observations variées et sur différents types d’approche.

Enfin, en ne considérant que les observations réalisées jusqu’au début 2009, le creusement de la GSAM n’a pas présenté d’impact quantifiable sur les aquifères de la zone littorale (hormis les processus de recharge via les infiltrations de la Rivière des Pluies).

9.2. PERSPECTIVES

Les perspectives de cette étude sont nombreuses en raison du caractère de recherche et développement marqué du présent projet.

Les axes de développement sont listés ci-dessous :

> Préciser les modélisations hydrogéologiques en utilisant une réponse impulsionnelle paramétrique du type « un réservoir + deux coefficients de récession ». le réservoir permettrait de contrôler les taux d’infiltration et de ruissellement et les coefficients de récessions permettraient de caractériser la vitesse de décroissance exponentielle de la piézométrie après la période de crue. A partir de la comparaison des différentes valeurs de paramètres de calage, il pourrait être envisageable de corréler la réponse impulsionnelle avec les caractéristiques physiques et hydrogéologiques des différents ouvrages ;

> Intégrer des données de marée en entrée supplémentaire (sous forme d'une connexion) pour la modélisation de la chronique de Chèvres inférieure non filtrée (analyse de la drainance). Les données de niveau marin de Sainte-Marie ne débutant qu’en 2007, elles pourront être remplacées par une fonction équivalente à la marée faisant apparaître la période de 15 jours (syzygie) ou par les données de marée d’un autre marégraphe, situé en dehors de la zone d’étude. Les phénomènes de drainance entre nappe supérieure et inférieure pourrait être caractérisés ;



> Analyser les données avec la méthode des ondelettes qui permet d’intégrer l’aspect multi-échelle et qui permet une étude plus précise de la variabilité temporelle de la réponse des systèmes hétérogènes tels ceux décrits dans cette étude. La longueur des chroniques disponibles n’a pu permettre de tester l’efficacité de cette méthode ;

> En ce qui concerne l’actuel réseau de suivi :

o Etudier l’intercorrélation des piézomètres (par l’intermédiaire des analyses corrélatoires des variables continues proposées par d’autres logiciels (XLStat) ou par des corrélogrammes croisés entre les piézomètres sous Tempo) afin de quantifier les relations entre les ouvrages. Les corrélations inter-piézomètre permettent d’aboutir à l’évaluation quantitative de la pertinence du réseau ;

o Approcher le calcul du bruit pour tous les points suivis (fréquence de coupure). Cette information permet de déterminer le pas de temps optimum en fonction des différents spectres de fréquence pour le suivi des ouvrages ;

o Supprimer l’influence des pompages sur les forages exploités pour traiter ces chroniques (méthode de filtres). Quelques tests préliminaires ont été réalisés dans le cadre de la présente étude, mais cette analyse n’a pas été poursuivie en raison de la rentabilité du temps investi par rapport aux objectifs initiaux ;

o Le développement du suivi de la conductivité et de son traitement permettrait de contribuer significativement à la compréhension du fonctionnement des hydrosystèmes ;

> En ce qui concerne la spatialisation de l’information :

o Sur la base des analyses temporelles et fréquentielles, des analyses statistiques (ACP) pourraient permettre de mieux caractériser les propriétés des ouvrages en y intégrant les travaux de Join (1991) ;

o Comparer les différentes approches de calcul de la diffusivité afin de déterminer l’approche la plus pertinente en milieu volcanique insulaire. Le calcul de la diffusivité est dépendant de facteurs mal déterminés tels que l’hétérogénéité ou l’estimation de la distance à la mer. En comparant les approches sur les différents spectres, il pourrait être envisageable de préciser cette caractéristique ;

> L’intégration des résultats des campagnes de datations d’eau menées par l’Université de la Réunion et l’Office de l’eau pourrait permettre de mieux contraindre les modèles conceptuels hydrogéologiques proposés. Il serait aussi pertinent de compléter cette étude par des analyses hydrochimiques et isotopiques plus complètes ;



> La confrontation des résultats hydrogéologiques obtenus à l’échelle de la planèze et les observations de terrain effectuées au sein de la GSAM ;

> Le développement d’une modélisation analytique visant à coupler les deux phases de décroissance du débit. Bien que plus complexe, ce type d’approche permettra de simuler les deux régimes de tarissement (décompression puis atteinte des limites) afin de préciser le fonctionnement de l’aquifère de la Plaine des Fougères ;

> Enfin, dans un cadre plus large que celui de la présente étude, il apparaît prioritaire de s’intéresser à la problématique de la position eau douce / eau salée au sein des aquifères côtiers. Le rôle des plateformes offshore, selon une analyse fine de la géologie et de l’hydrogéologie du continuum terre-mer, sur les interfaces eau douce / eau salée constitue une thématique de recherche intéressante à développer. Les concepts d’eustatisme, de profil de dépôt, de stratigraphie séquentielle, de rivalités siliciclastique / carbonate / volcanique, de bilan d’érosion / flux de sédiment et de paléomorphologies représentent autant de thématiques à développer afin d’appréhender les hydrosystèmes dont les conditions aux limites avales sont constituées par l’Océan. Pour rappel, quelques observations remettent en cause la géométrie simpliste du biseau salé en équilibre hydrostatique :

o le forage du Petit Prado recoupe deux horizons aquifères superposés : un supérieur plus minéralisé (175-450 µs/cm) et un inférieur, moins minéralisé (120 µs/cm) ;

o les investigations de géophysique profonde réalisées dans le secteur Pierrefonds par le Brgm qui soulignent la présence d’horizons potentiellement saturés en eau douce sous un système d’interface eau douce / eau salée (Girard et al., 2008) ;

o le piézomètre en cours de réalisation sur le secteur de Pierrefonds (CG974 / Antea) au sein duquel des horizons d’eau minéralisée (≈ 1000 µS/cm) sont sus-jacents à des horizons peu minéralisés (≈ 200 µS/cm).

Au regard des données disponibles et dans un objectif de compréhension de fonctionnement des hydrosystèmes, il paraît primordial de poursuivre le suivi quantitatif et qualitatif du secteur d’étude (piézométrie, débit d’exhaure de la GSAM, débit d’exhaure par tronçon, débit des eaux de surface, analyse chimiques et isotopiques…). La mise en œuvre des diagraphies de production



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Annexe 1

Coupes géologique et hydrogéologique de la zone d’étude



Annexe 2

Synthèse des informations hydrogéologiques des forages suivis par l’Office de l’eau



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Annexe 3

Le phénomène de marée (d’après Lefèvre, 2000)

Caractéristique d’une courbe de marée (Lefèvre, 2000).



La marée océanique d’origine astronomique est définie comme étant la variation d’allure périodique du niveau des océans due aux seules actions des corps célestes qui se déplacent autour de la Terre. C’est le mouvement relatif apparent de ces corps célestes par rapport à la Terre qui, combiné à la rotation de la Terre sur elle-même, génère des forces d'attraction gravitationnelle périodiques entraînant un déplacement périodique et ondulatoire des masses d'eaux océaniques. La Lune se trouve dans la même position par rapport à la Terre toutes les 24 heures et 50 minutes. La marée est donc haute toutes les 12 heures et 25 minutes.

Plusieurs termes courants permettent de mieux définir les états de la marée en fonction de son évolution au cours du temps : son tracé donne la courbe de marée (illustration page précédente). Le niveau des océans et des mers varie le long des côtes au cours du temps. Quand il monte, on parle de flot, (ou flux ou montant) jusqu’à un niveau maximum, la pleine mer. Quand il descend on parle de jusant (ou reflux ou perdant) jusqu’à un niveau minimum, la basse mer. La différence de hauteur entre une basse mer et une pleine mer consécutive est le marnage. Le marnage est maximal après les syzygies (nouvelles et pleines lunes) : c’est la vive-eau. Puis il diminue durant le déchet jusqu’aux quadratures (périodes intermédiaires entre les nouvelles et les pleines lunes) pour former la morte-eau. Puis le marnage augmente à nouveau durant le revif. L’écart de temps entre une vive-eau et une syzygie, de même qu’entre une morte-eau et une quadrature, est approximativement constant : c’est l’âge de la marée.

Il existe d’autres types de marées que les marées océaniques. Ainsi, les marées atmosphériques sont des déplacements ondulatoires des masses d’air de notre atmosphère et les marées terrestres sont des déformations périodiques de la croûte terrestre. Ces deux marées se font au même rythme que celui des marées océaniques et sont aussi générées par le mouvement des astres. Mais il existe d’autres marées qui ne sont pas d’origine astronomique. Les seiches apparaissent dans des bassins de géométrie particulière et sont générées par le vent ou les variations de pression atmosphérique qui engendrent des oscillations de la surface (ce phénomène a souvent lieu dans des lacs). La marée radiationnelle provient de la dilatation des eaux de surface des océans due aux alternances jour/nuit cycliques qui réchauffent ou refroidissent l’eau. Les marées météorologiques sont créées par les variations périodiques de vents alternatifs (tels la mousson ou les vents solaires) ou par les variations de pression atmosphérique. Cependant, le but de notre travail étant l’étude des marées océaniques, nous désignerons dans la suite la marée océanique par le terme de ‘marée’. Dans le cas contraire, nous préciserons le type de marée.

Il est particulièrement important de faire ressortir la principale caractéristique de la marée : la rigoureuse périodicité du phénomène. En effet, le mouvement des astres étant la cause de la marée et leurs déplacements périodiques étant parfaitement connus, la périodicité des élévations du niveau des océans due à la marée est, elle aussi, connue. D’ailleurs, cette caractéristique permet l’analyse harmonique de la marée.



Annexe 4

Analyse des données par traitement du signal sous Tempo (Pinault, 2007)



Analyses corrélatoires et spectrales

Le principe de base de ces méthodes est d’assimiler le système aquifère à un filtre qui laisse plus ou moins passer l’information contenue dans un signal d’entrée (l'état du système ne dépend que des entrées les plus récentes). Dans cette approche, l'aquifère est assimilé à une "boite noire" dont la pluie et la piézométrie, par exemple, représente respectivement l’entrée et la sortie. La méthode consiste donc à analyser et comparer des signaux d’entrées (précipitations, marée maritime, pression atmosphérique) et de sortie (piézométrie). Les chroniques des signaux d’entrée et de sortie peuvent être traitées séparément dans le domaine temporel (analyse corrélatoire simple), ou dans le domaine fréquentiel (analyse spectrale simple) ou bien l’un par rapport à l’autre (analyses corrélatoire et spectrale croisées).

a) Analyses corrélatoires

> Autocorrélation : corrélogramme simple

L’autocorrélation est la mesure de la corrélation d’une chronique par rapport à elle-même, selon un décalage temporel de plus en plus grand. Elle caractérise et met en évidence l’interdépendance des évènements affectant une chronique pour des intervalles de temps de plus en plus longs. Elle permet de quantifier l’effet mémoire d’un hydrosystème.

Le corrélogramme permet de mettre en évidence les structures telles qu’une périodicité de séries temporelles supposées stationnaires (dont les propriétés statistiques ne varient pas au cours du temps).

Tout processus aléatoire marquant une tendance à long terme produira un corrélogramme dont la décroissance est lente. Dans le cas contraire, le corrélogramme tend plus ou moins rapidement vers 0, caractérisant ainsi le degré d'autocorrélation du processus stationnaire.

Le corrélogramme d'une série où S(n.dt) est un nombre entier et dt l'incrément de temps, est défini pour la valeur h (entier positif, négatif ou nul) à partir de la moyenne centrée de :

( ) ( ) NndthnSdtnS ,,2,1,).(.. L=+

n décrivant la série de longueur N.

> Analyse corrélatoire croisée : corrélogramme croisé

Par extension au corrélogramme simple, le corrélogramme croisé de deux séries S1 et S2 est la moyenne centrée :



( ) ( ) NndthnSdtnS ,,2,1,).(.. 21 L=+

D'une manière générale, le corrélogramme croisé formalise la relation entrée-sortie d'un système et donc la fonction de transfert (au sens de la théorie du signal). Si la fonction d’entrée peut être considérée comme aléatoire (cas des précipitations journalières), le corrélogramme croisé fournit une image de la réponse impulsionnelle du système.

Lorsque la valeur du corrélogramme croisé reste faible sur tout son domaine de définition, la relation entrée-sortie n'est pas mise en évidence. De fortes valeurs du corrélogramme croisé pour des décalages h positifs mettent en évidence une relation de cause à effet. Si ces fortes valeurs apparaissent pour des décalages négatifs, l'interprétation est mauvaise car la relation causale est inversée, un effet ne pouvant pas influer sur une cause.

Exemples d’analyses corrélatoires

Chroniques brutes

3.7

3.8

3.9

4.0

4.1

4.2

4.3

4.4

4.5

29/8/07 27/11/07 25/2/08 25/5/08 23/8/08 21/11/08

mNGR

0

20

40

60

80

100

120

140

mm

Piézo journalière de Gillot Pluviométrie journalière du Chaudron

Corrélogramme croisé de Chaudron/Gillot

-0.25

-0.15

-0.05

0.05

0.15

0.25

-160 -120 -80 -40 0 40 80 120 160

décalage (j)

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n 50j

Corrélogramme simple de Gillot

-0.20

0.00

0.20

0.40

0.60

0.80

1.00

-98 -84 -70 -56 -42 -28 -14 0 14 28 42 56 70 84 98

décalage (j)

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Corrélogramme simple du pluviomètre du Chaudron

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0.80

1.00

-90 -40 10 60

décalage (j)

Indi

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n Allure de dirac, aucune autocorrélation



b) Analyse spectrale : périodogramme

L’analyse spectrale (ou analyse harmonique ou analyse de Fourier) déplace l’analyse temporelle au domaine fréquentiel grâce à l’application de la Transformée de Fourier13 au corrélogramme de la chronique. Le processus mis en jeu est comparable à l’emploi d’un filtre qui séparerait les composantes du signal dans le domaine fréquentiel en leur attribuant une intensité propre : la densité de variance. Le spectre de densité de variance exprime donc la quantité de variance en fonction de la fréquence.

Le périodogramme d’une série temporelle est la moyenne des périodogrammes calculés sur chacun des segments (carré du module de la transformée de Fourier).

Le périodogramme est également appelé Densité Spectrale de Puissance (DSP) car il représente, pour une fréquence donnée, la puissance d'un signal périodique, proportionnelle au carré de l'amplitude de chaque fréquence (analogie avec les ondes acoustiques). Il exprime la densité de variance d'un processus aléatoire, en fonction de la fréquence. La fréquence étant l'inverse de la période, tendances à long terme et grandes périodicités correspondent aux basses fréquences, alors que le court terme et le bruit sera traduit par les hautes fréquences ; l'axe des abscisses est donc inversé par rapport au corrélogramme.

Les phénomènes périodiques sont marqués par des pics, la tendance ou les phénomènes de période supérieure à la fenêtre d'observation (c'est à dire la longueur de chacun des segments) se traduisant par de fortes valeurs à l'origine. Les phénomènes aléatoires faiblement autocorrélés (par exemple, une séquence de pluie au pas journalier), qui produisent une décroissance rapide du corrélogramme, sont représentés par de faibles variations de densité de variance le long du spectre. Plus le corrélogramme décroît rapidement, plus stable est le périodogramme. Dans le cas extrême du bruit blanc (non autocorrélé) qui, par définition, est représenté par une fonction d'autocorrélation nulle partout, sauf à l'origine, le périodogramme est une droite horizontale (toutes les fréquences ont la même importance dans la représentation de la densité de variance).

L'abscisse du maximum de chaque pic est la fréquence de la périodicité décrite. Cette valeur est d'autant moins précise que la fréquence est basse. Le périodogramme permet donc de calculer la fréquence f0 des signaux pseudo-périodiques.

La fréquence de coupure fc est, sur le spectre, la fréquence à partir de laquelle l'information peut être considérée comme négligeable (très faibles valeurs de la DSP relative).

13 La transformée de Fourier est une opération qui transforme une fonction intégrable sur l’ensemble des nombres réels en une autre fonction, décrivant le spectre fréquentiel de cette dernière.



Par extension, la Densité Spectrale de Puissance croisée de deux séries se définit comme la transformée de Fourier du corrélogramme croisé de ces deux séries. L’étude du spectre croisé se fait au moyen de fonctions isolant l’information :

> La fonction d’amplitude : Elle établie par rapport aux fréquences les relations existantes entre l’entrée et la sortie du système et révèle ainsi les fréquences des phénomènes communs aux signaux d’entrée et de sortie.

> Le carré de la cohérence : Il décrit le degré de liaison entre deux signaux de même période. La relation entrée/sortie n’est valable que pour les fréquences où la cohérence est voisine de 1. Ainsi, lorsque le carré de la cohérence est très proche de 1 pour une fréquence f définie, il existe une relation linéaire entre les deux signaux pour cette fréquence.

> La fonction de phase : Elle indique, fréquence par fréquence, la valeur du déphasage entrée-sortie introduit dans le système. Ce déphasage représente le temps de circulation de l'information dans le système (le spectre de phase n'a de sens que sur des signaux cohérents). Deux signaux (S et R) périodiques cohérents (ayant une relation causale du type entrée-sortie) étant donnés, le spectre de phase caractérise, pour une fréquence donnée, le retard de la sortie par rapport à l'entrée, si le déphasage est positif, ou l'avance, si le déphasage est négatif. La phase (O) est exprimée en degrés. Le retard pour une période donnée 00 /1 fT = se déduit de la sorte :

360/.retard 0 srOT=

> La fonction de gain : Le gain quantifie la transformation, imputable au système, de l'information entre l'entrée et la sortie. Si, pour une fréquence donnée, l'amplitude du signal n'est pas modifiée, le gain est égal à 1. La modification de l'amplitude sera une atténuation ou une amplification suivant la valeur du gain. L'intégration de cette fonction gain sur toute la bande des fréquences est inférieure à 1 car tout système consomme nécessairement de l'énergie (le bilan est nécessairement déficitaire).

Pondération des chroniques de pluie

La pondération des chroniques de pluie permet d'optimiser une combinaison linéaire pour expliquer au mieux un débit ou un niveau piézométrique. La fonction objectif obtenue à partir du corrélogramme croisé pluie/niveau piézométrique a une aire maximale pour la combinaison linéaire obtenue (Affichée sur le graphique de la fonction objectif ; Cf. ci-après). Le temps de transfert est la période à partir de laquelle est optimisée la fonction objectif.

Les poids de la combinaison linéaire optimale sont positifs et leur somme est égale à 1.



De la même manière que la pluie possède une signature isotopique particulière en fonction de l'altitude, on recherche ici une signature 'corrélatoire' entre la pluie et le niveau piézométrique. Au sein d'un même bassin il ne pleut généralement pas partout en même temps. L'incrément de temps utilisé pour la pondération des pluies dépend du problème posé : il doit être journalier lorsque le temps de concentration du système n'excède pas quelques jours ou quelques semaines, ce qui est le cas pour la Réunion.

Pour un niveau piézométrique donné, la combinaison optimale des séries pluviométriques ne fait généralement apparaître que les pluviomètres les plus représentatifs. Ceux qui sont éliminés de la combinaison sont soit redondants soit non représentatifs du niveau piézométrique observé. Les pluviomètres dont le poids est le plus important ne sont pas nécessairement ceux qui sont situés le plus près du piézomètre ; ils peuvent éventuellement se situer à l'extérieur du bassin d'alimentation. Cela s’explique par le fait que l'analyse corrélatoire des pluies et des niveaux piézométriques fait apparaître des influences climatiques à grande longueur de corrélation qui ne sont pas nécessairement triviales au sein d'un même sous bassin, influences qui peuvent être d'origine océanique ou conditionnées par le relief (pluies cévenoles par exemple).

Fonction objectif du piézomètre S1 Chaudron obtenue à partir des chroniques pluviométriques de Chaudron et Gillot.

PiezChaud_jour::0.90 Pluv_Chaudron\0.10 Pluv_Gillo t\

0.10

0.12

0.14

0.16

0.18

0.20

0.22

0.24

0.26

0.28

0.30

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0décalage (j)

Fon

ctio

n ob

ject

if



Annexe 5

Détermination de la composante lente des chroniques piézométriques modélisées sous

Tempo



Corrélogramme croisé de Pluv_Chaudron et S1ZEC

-0.15

-0.10

-0.05

0.00

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

0.30

-40 10 60 110 160 210 260

décalage (j)

Composante lente = 235j

Corrélogramme croisé de Pluv_Gillot,Duparc

-0.10

-0.05

0.00

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

0.30

-40 10 60 110 160 210 260 310 360

décalage (j)


Corrélogramme croisé de Pluv_GdHazier,ChevresInf

-0.15

-0.10

-0.05

0.00

0.05

0.10

0.15

0.20

-40 10 60 110 160 210 260 310 360

décalage (j)




Annexe 6

Données hydrochimiques



unité

pH

mg/

lm

g/l

mg/

lµS

/cm

mg/

lm

g/l

mg/

lm

g/l

mg/

lm

g/l

mg/

lm

g/l

mg/

lm

g/l

mg/

lm

g/l

mg/

lµg

/lµg

/lµg

/lCO

DE_B

SSX

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3CO

3Co

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1986

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56.

70.

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40.

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1226

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56Sc

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SALA

ZIE

14/1

0/19

877.

437

58.9

287

23.

81.

42.

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80.

10.

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ZIE

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1/19

867

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1.6

30.

40.

10.

10.

0112

275X

0012

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1611

3659

878

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11.6

7.7

6.1

2.2

1.4

85.6

15.2

00

4003

/09/

2008

13:

3713

1.5

21.2

0.8

7.7

10.1

6.2

4.9

2.0

0.09

073

.828

0.02

1227

2X00

50/F

2-B

ISF

OR

AG

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ER

RE

RO

UG

E17

2.09

69.0

0505

/01/

1999

11:

4010

3.77

186.

11.

99.

924

.81.

92.

854

.90.

190

400

24/0

1/20

00 0

9:30

42.5

237.

40.

32.

84.

41.

30.

323

.20.

010

3060

11/0

1/20

01 0

8:10

93.3

186.

22.

210

.811

.15.

30.

040

.338

.90.

030

4017

/01/

2002

08:

5012

2.8

206.

582.

411

.814

.72.

17.

30.

078

42.7

38.7

30

0.01

110

13/0

1/20

03 0

9:35

120.

222

6.16

2.3

12.0

10.7

3.2

6.9

0.06

138

.237

.45

00

4050

16/0

2/20

04 0

8:30

128.

420

6.46

12.8

6.0

3.5

11.6

2.9

8.0

0.10

442

.035

.78

00

2028

/02/

2006

08:

4512

220

6.55

12.0

6.0

3.4

11.5

2.4

7.1

0.10

040

.334

.20

010

27/0

3/20

08 0

8:30

136

246.

250.

1912

.07.

13.

911

.42.

66.

744

.839

.90

014

0



Annexe 7

Courbes des chroniques piézométriques



0.00

2.00

4.00

6.00

8.00

10.0

0

01/0

4/20

07 0

0:00

:00

31/0

3/20

08 0

0:00

:00

mNGR

App

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0.00

2.00

4.00

6.00

8.00

10.0

0

12.0

0

01/0

1/19

9901

/01/

2000

31/1

2/20

0031

/12/

2001

31/1

2/20

0231

/12/

2003

30/1

2/20

0430

/12/

2005

30/1

2/20

0630

/12/

2007

29/1

2/20

08

mNGR

Bel

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hora

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jour

nalie

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