Modélisation

La nappe rhénane est un vaste système hydrologique, subissant l'influence de nombreux facteurs :

  • alimentation par les pluies (pluies efficaces),
  • apports latéraux par infiltration en bordure des Vosges ou de la Forêt Noire,
  • échanges avec les cours d'eau qui peuvent drainer ou alimenter la nappe,
  • prélèvements par pompage pour des usages domestiques, industriels ou agricoles.

Afin de pouvoir évaluer l'importance des différents phénomènes qui affectent la nappe, on simule son fonctionnement sur ordinateur. Cette simulation mathématique, appelée modélisation hydrodynamique, est ajustée par "calage" sur une piézométrie connue de la nappe ; elle permet de quantifier l'écoulement des eaux souterraines et d'établir ainsi un bilan hydrologique.

Pour reproduire au mieux l'écoulement des eaux, le modèle hydrodynamique doit être alimenté par des données nombreuses et fiables sur la piézométrie de la nappe, la hauteur et le débit des cours d'eau, les prélèvements d'eaux souterraines par pompage, etc.

Une des grandes difficultés de la réalisation d'un modèle hydrodynamique transfrontalier réside dans le recueil, l'harmonisation et la synthèse de ces données, gérées par divers organismes de part et d'autre du Rhin.

l'importance primordiale des échanges entre la nappe et les cours d'eau

Les bilans hydrauliques calculés par le modèle permettent d'estimer la part respective des différents phénomènes en jeu. Pour la nappe rhénane, ces bilans mettent en évidence l'importance primordiale des échanges entre la nappe et les cours d'eau.

Modèle multicouches ou Modèle LOGAR

Logo Logar Liaison Opérationnelle pour la Gestion de l’Aquifère Rhénan - (INTERREG IV), maîtrise d’ouvrage de la Région Alsace).
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Ce modèle est une évolution du modèle développé dans le cadre du projet MoNit (« Modélisation de la pollution des eaux souterraines par les nitrates dans la vallée du Rhin Supérieur »).

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Sur la base d'un modèle hydrogéologique en 3D de l'aquifère du Rhin supérieur, l'écoulement en régime transitoire des eaux souterraines ainsi que le transport et la dégradation des nitrates et le transport des produits phytosanitaires dans les eaux souterraines ont été simulés en 3 dimensions. La résolution spatiale horizontale est de 100 m ; pour la verticale, l'aquifère a été divisé respectivement en dix couches d'épaisseur variable (LUBW 2006).

Avec un pas de temps mensuel, les variations saisonnières et à long terme des niveaux piézométriques de la nappe pour la période allant du 01/01/1986 au 31/12/2008 sont calculés par le modèle numérique, dans lequel les conditions suivantes sont définies pour chaque pas de temps :

  • Recharge mensuelle de la nappe par les précipitations ;
  • Apport mensuel dans les cours d'eau de la bordure du Fossé ;
  • Niveaux mensuels moyens dans le Rhin et le Canal d'Alsace ;
  • Flux aux limites du modèle ;
  • Prélèvements mensuels et annuels d'eaux souterraines en fonction des données disponibles.

Des calculs de transport de nitrates sur le long terme ont été conduits pour la période 1950-2009 (Lang & Durach 2012). Les résultats sont présentés dans le rapport suivant.

Bilans hydrauliques

Ces bilans ont été calculés à partir des résultats des simulations issues du Modèle hydrodynamique LOGAR. Ils sont exprimés en m³/s et présentent les échanges pour l'ensemble du domaine modélisé (Entre Vosges et Forêt noire et de Bâle à Karlsruhe).

Situation de basses eaux (septembre 1991)

Bilan calculé pour le mois de septembre 2001 en régime transitoire :

  • Total des entrées : 62.7 m³/s soit environ 167.9 millions de m³/mois,

  • Total des sorties : -74.4 m³/s soit environ 199.3 millions de m³/mois,

  • Soit une perte de 31.4 millions de m³/mois

Graphique - Bilan en période de basses eaux (septembre 1991)

Situation de moyennes eaux (octobre 1986)

Bilan calculé pour la situation moyenne (piézométrie d'octobre 1986) en régime permanent :

  • Total des entrées : 87 m³/s soit environ 225.5 millions de m³/mois,

  • Total des sorties : 87 m³/s soit environ 225.5 millions de m³/mois,

  • Soit un bilan nul : régime permanent.

Graphique - Bilan en période de moyennes eaux (octobre 1986)

Situation de hautes eaux (Avril 1988)

Bilan calculé pour le mois d'avril 1988 (période HE de référence) en régime transitoire :

  • Total des entrées : 98.6 m³/s soit environ 264.1 millions de m³/mois,
  • Total des sorties : -113 m³/s soit environ 302.7 millions de m³/mois,
  • Soit une perte de 38.6 millions de m³/mois.

Graphique - Bilan en période de hautes eaux (avril 1988)

 Situation de hautes eaux (décembre 2002)

Bilan calculé pour le mois de décembre 2002 en régime transitoire :

  • Total des entrées : 113 m³/s soit environ 302.7 millions de m³/mois,
  • Total des sorties : -105 m³/s soit environ 281.2 millions de m³/mois,
  • Soit un apport de 21.5 millions de m³/mois

Graphique - Bilan en période de hautes eaux (décembre 2002)

Bilan en période de hautes eaux (décembre 2002)

Modèle monocouche Modèle LIFE

Ce premier projet transfrontalier de modélisation a été mené dans le cadre du programme communautaire LIFE, grâce au financement de l'Union Européenne, du Ministerium für Umwelt und Verkehr Baden-Württemberg, de la Région Alsace, de l'Agence de l'eau Rhin-Meuse, du Ministère de l'Environnement et du Bureau de Recherches Géologiques et Minières (BRGM), en collaboration avec les cantons de Bâle-Ville et Bâle-Campagne et le Landesamt für Geologie, Rohstoffe und Bergbau. La Landesanstalt für Umweltschutz Baden-Württemberg (LUBW), la Direction de l'Environnement (DIREN) et l'APRONA ont été chargés de la conduite des travaux.

L'essentiel des travaux de modélisation a été réalisé entre 1993 et 1997. Par la suite, certains compléments ont été apportés par l'APRONA dans le cadre de sa mission de gestion du modèle hydrodynamique régional. Il constitue le premier modèle transfrontalier à grande échelle de la nappe rhénane.

Ce modèle a permis de répondre à 3 objectifs successifs :

  • Recueil ou acquisition d'informations concernant les eaux souterraines du Fossé rhénan
  • Synthèse et intégration des données dans un modèle hydrodynamique reflétant au mieux le comportement des eaux souterraines
  • Valorisation des résultats dans un système d'information géographique et mise à disposition auprès des décideurs d'un outil de gestion et de protection de la ressource

Les caractéristiques techniques principales sont les suivantes :

  • Un maillage régulier de 500 m x 500 mètres ;
  • Un système altimétrique commun aux 3 pays (France, Suisse et Land du Bade-Wurtemberg) ;
  • Un calage en régime permanent : basses eaux (09/09/1991), moyennes eaux (20/10/1986) et hautes eaux (11 avril 1988)
  • Un logiciel de modélisation par différences finies (MODFLOW) ;
  • Une répartition spatiale des précipitations dans le Fossé rhénan calculée à partir des données du projet REKLIP (Regio Klima Projekt).