Modélisation des échanges nappe-rivière pour des prédictions climatiques

En zone littorale, les nappes phréatiques constituent souvent la principale source d’eau douce. Un pompage excessif peut entraîner une intrusion saline, c’est-à-dire une progression de l’eau de mer dans l’aquifère, provoquant la corrosion des installations de pompage et rendant l’eau impropre à la consommation. Ce projet vise à estimer plus précisément les volumes d’eau douce exploitables, à déterminer l’implantation optimale des puits de captage et à anticiper l’évolution de la qualité de l’eau selon différents scénarios de pompage et de changement climatique.

La figure du haut illustre la formation d’une nappe souterraine. L’image de gauche présente le schéma de la simulation : de l’eau est infiltrée depuis le coin supérieur gauche dans un milieu poreux initialement sec. Le bloc marron foncé représente une variation du substratum imperméable. Le résultat de la simulation est montré à droite. La zone bleu clair homogène correspond à la nappe souterraine saturée, tandis que le dégradé de bleu représente la teneur en eau dans les régions non saturées, le bleu foncé correspondant à une teneur en eau plus élevée. La figure du bas illustre une infiltration dans un milieu comportant des inclusions imperméables. La présence de blocs rocheux imperméables ralentit localement l’infiltration dans le milieu poreux.

L’objectif du projet est de simuler de manière fine les échanges entre les écoulements de surface et les écoulements souterrains, en particulier en zone littorale. La méthodologie adoptée repose principalement sur le couplage de deux modèles à travers une interface complexe : un modèle de Navier-Stokes décrivant l’évolution de l’eau en surface et un modèle de Richards permettant de simuler les flux d’eau dans des sols totalement ou partiellement saturés. Le coût de calcul associé à ces modèles étant significatif, l’outil de simulation Notus, développé à l’Institut d’ingénierie et de mécanique de Bordeaux (I2M), sera utilisé. Il permet des calculs parallèles efficaces.

La simulation dans des milieux fortement hétérogènes, à petites comme à grandes échelles, incluant une transition de régime entre la zone d’infiltration, ou zone vadose, et la nappe phréatique a été réalisée et validée sur des cas tests théoriques issus de la littérature. Des conditions de couplage avec un écoulement de surface sont également opérationnelles et en cours de validation. Grâce à des conditions de transmission robustes et conservant la masse totale, le modèle permet de retrouver des lois d’interaction théoriques, telles que les lois de ruissellement pour l’infiltration de l’eau dans le sol. Le projet se poursuivra par l’intégration complète de la simulation des écoulements de surface.

Ce projet réunit Martin Parisot, chercheur en mathématiques à l’Inria, et Mathieu Coquerelle, chercheur en mécanique des fluides à l’Université de Bordeaux, co-encadrants de la thèse de Tony Bonnet partiellement financée par l’iMPT.