Eau caché et érosion du paysage – HiLandEr

Les principaux objectifs de ce projet sont d'observer et de surveiller les voies d'écoulement de l'eau et de développer des techniques pour modéliser l'érosion du paysage. Il existe deux techniques d'observation principales :

1. Sismologie environnementale : La corrélation croisée des signaux sismiques diffus permet d'estimer la saturation en eau du sous-sol. En s'appuyant sur des études de validation existantes, des géophones ont été déployés dans deux sous-bassins versants de l'Ahr (Michealsbach et Huhnenbach). Nous les utiliserons pour explorer l'étendue spatiale de la surveillance continue dans le temps de la saturation de la subsurface et relierons ces informations aux jauges de cours d'eau qui ont été déployées dans les mêmes sous-bassins versants.

Les géophones enregistreront également le mouvement des gros grains de sédiments (graviers) le long du lit du cours d'eau. Le signal sera combiné avec les mesures de turbidité effectuées par les turbidimètres déployés dans les sous-bassins versants afin de mesurer l'exportation de sédiments en fonction des voies d'accès à l'eau.

2. Chimie de l'eau : La chimie de l'eau des sources cartographiées dans les sous-bassins versants sera analysée pour les gaz traces, les isotopes de l'oxygène et de l'hydrogène afin de donner une indication de l'âge des eaux souterraines. Cette analyse, ainsi que celle des éléments majeurs et des propriétés physiques de l'eau, permettra de caractériser les voies de passage de l'eau dans le sol, les roches altérées et les aquifères rocheux fracturés.

En nous appuyant sur les observations de terrain, nous développerons des modèles de complexité réduite capables de capturer les voies d'écoulement de l'eau. Il est essentiel de trouver une méthode simple pour saisir la relation entre les eaux de surface et les eaux souterraines, et l'acheminement des précipitations vers les cours d'eau.

À mi-parcours de ce projet triennal, les résultats préliminaires issus des techniques d'observation sont présentés ci-dessous :

1. Sismologie environnementale :

Cinq stations sismiques ont été analysées afin de fournir des observations préliminaires sur les changements de saturation du sous-sol dans le bassin versant de Huhnenbach. Il apparaît que, d'une manière générale, l'évolution de la vitesse sismique déduite suggère une augmentation de la saturation pendant les mois d'hiver et un assèchement pendant l'été (illustration 1). La situation est toutefois plus complexe à plus court terme, avec des périodes de mouillage non corrélées au sommet des crêtes et d'assèchement au fond des vallées. Cela pourrait être lié à la compartimentation du système aquifère, avec un stockage temporaire dans des systèmes perchés au sommet des crêtes. Les comparaisons entre les stations indiquent une réaction non linéaire de la teneur en eau des versants aux précipitations.

2. Chimie de l'eau :

Les oligo-éléments provenant des sources de Huhnenbach et Michelsbach donnent deux âges maximaux pour l'eau, une eau jeune qui a un temps de séjour dans le sous-sol de 2 à 3 ans, et une eau plus ancienne qui a un âge de l'ordre de 10 ans. Cependant, les eaux souterraines directement accessibles par des puits suggèrent des temps de séjour pouvant atteindre plusieurs centaines d'années.

Les propriétés physiques de l'eau de source ont été échantillonnées pendant les périodes de débit élevé et faible. La conductivité et la saturation en oxygène, ainsi que les temps de séjour, suggèrent que le système d'eau souterraine fonctionne à travers au moins deux compartiments : un système réactif peu profond à écoulement rapide dans la couche arable et la zone d'altération moderne, et un second système d'eau souterraine plus profond dans le substrat rocheux fracturé.

Modélisation numérique :

Nous avons adopté deux approches pour tester l'hypothèse fondée sur les observations : (1) un modèle en coupe transversale 2D pour explorer le fonctionnement de la compartimentation des systèmes d'eaux souterraines, et (2) un modèle d'écoulement de surface 2D pour intégrer la recharge des eaux souterraines avec l'écoulement de surface des eaux de surface et le rejet de sédiments provenant de l'érosion. En bref, le modèle en coupe transversale suggère que les voies d'écoulement des eaux souterraines sont dominées par des voies peu profondes situées à l'intérieur et juste en dessous de la couche de roche altérée (15 m supérieurs ; voir illustration 2). Le modèle d'écoulement de surface est encore en cours d'élaboration, mais les premiers tests ont révélé un problème imprévu et intéressant : les infrastructures de drainage agricole ont considérablement modifié les voies d'érosion et de transport des sédiments (illustration 3).

Le projet fait le lien entre les domaines scientifiques, notamment l'hydrologie, l'hydrogéologie, la géomorphologie, la géochimie et la sédimentologie, afin de comprendre l'impact de la subsurface sur l'érosion et la production de sédiments. En franchissant ces frontières artificielles, nous apportons une valeur ajoutée en faisant progresser notre compréhension de la gamme de réponses d'un paysage, afin de conseiller les décideurs politiques sur la manière de réduire les effets sociétaux des inondations catastrophiques. Notre objectif est de fusionner les observations et la modélisation dans le cadre d'un effort plus large de la communauté des chercheurs en matière de « moulage de la terre », où nous pouvons commencer à prédire comment le paysage réagira aux chocs futurs.

La combinaison de l'hydrologie des zones critiques et de la modélisation de l'évolution du paysage permettra de comprendre directement les causes de l'érosion importante lors des fortes précipitations. Ces connaissances permettront d'anticiper plus précisément l'impact des futurs événements pluvieux.