Cartographie de la piézométrie à l’échelle de la vallée du Rhône entre Brig et le Léman

La mise en œuvre des mesures de protection des eaux souterraines telles que prévues par la législation fédérale est en pratique dépendante de l’état des connaissances disponibles sur la ressource en eau. Cette connaissance ne peut être développée qu’au travers des différents processus permettant de collecter, consolider, agréger et diffuser les données d’observations sur les eaux souterraines et le sous-sol.

Le Centre de recherche sur l’environnement alpin (CREALP) contribue activement, depuis plus de 25 ans en collaboration étroite avec différents services du Canton du Valais, à la mise en œuvre de ces processus ainsi qu’à la valorisation des données sous forme de produits et d’outils destinés aux gestionnaires cantonaux, communaux ainsi qu’aux praticiens. C’est dans cet objectif de valorisation que le Service de l’environnement (SEN) du Canton du Valais a mandaté le CREALP en 2018 pour la réalisation «au fil de l’eau» de cartes piézométriques mensuelles de l’aquifère alluvial de la plaine du Rhône. Ce chantier ambitieux a débuté en 2019 avec l’élaboration des cartes afférentes à la région du Valais Central (de Sierre à Évionnaz).

HYDROGÉOLOGIE DE LA VALLÉE DU RHÔNE

La nature et l’agencement des sédiments rencontrés dans la vallée du Rhône entre Brig et le lac Léman (env. 120 km) est étroitement lié à l’historique des avancées et retraits glaciaires durant l’ère quaternaire. L’épaisseur du remplissage quaternaire peut atteindre localement près de 1000 m et reste encore mal documentée en profondeur [1, 2]. À ce jour, l’essentiel du système aquifère exploité (nappe phréatique du Rhône) a une épaisseur moyenne de 50 m environ. Il se com-pose principalement d’alluvions grossières perméables et de matériaux plus fins correspondants à des dépôts d’inondation et/ou marécageux. Latéralement peuvent venir s’intercaler des sédiments issus des cônes de déjection déposés par les affluents du Rhône. Les processus de dépôt des sédiments quaternaires dans une vallée alpine sont complexes et peuvent localement occasionner de fortes hétérogénéités horizontales et verticales (fig. 1).

La nappe phréatique du Rhône s’écoule avec un gradient moyen de 2‰ et un battement saisonnier d’environ 1 m. En dehors des cônes de déjection, le toit de la nappe est relativement proche de la surface (1 à 3 m de profondeur). La nappe est principalement alimentée par les précipitations et le Rhône. Les données d’observation indiquent que les apports de versants viennent également contribuer à la recharge aquifère, bien qu’ils restent encore difficiles à quantifier précisément. La relation entre le Rhône et la nappe phréatique n’est pas univoque dans l’espace et dans le temps, le Rhône pouvant tour à tour, dans certains secteurs de plaine et/ou à certaines périodes de l’année, alimenter ou drainer la nappe phréatique. En outre, un réseau dense de canaux a été construit au cours du 19e siècle dans le but de drainer la plaine et permettre l’exploitation des terres et ainsi favoriser l’essor de l’agriculture dans la vallée du Rhône. Ces canaux continuent à réguler localement le niveau de la nappe phréatique.

SURVEILLANCE OPÉRATIONNELLE DES EAUX SOUTERRAINES

La nappe phréatique de la plaine du Rhône fait l’objet d’une surveillance plus ou moins régulière depuis plus de 50 ans. La surveillance quantitative de la nappe entre Brig et le Léman est assurée depuis les années 2000 par un réseau cantonal fort d’environ 140 stations de mesure auxquelles sont venues s’ajouter 180 stations rattachées au projet de la 3e correction du Rhône. Ces stations sont équipées de sondes de mesures en continu mesurant les niveaux, la température et pour certaines également la conductivité électrique des eaux souterraines. Depuis les années 2000, ces stations ont été progressivement dotées de modules de télétransmission des données. Le CREALP assure, sous mandat cantonal, la maintenance des stations, la collecte, le traitement et l’archivage des données. Depuis 2003, les données d’observation quantitatives de la nappe sont bancarisées dans la base de données hydrogéologique cantonale REGIS [3].

MÉTHODOLOGIE de PRODUCTION DES CARTES

L’ensemble des données d’observation a permis la réalisation de cartes piézométriques mensuelles «au fil de l’eau» de la nappe phréatique, par la technique du krigeage avec dérive externe (KDE) ou krigeage universel [4-6]. Le principe de base admis suppose que la géométrie de la surface
piézométrique reste à peu près invariante dans le temps et fluctue autour d’une moyenne (= dérive). Cette dérive peut être représentée par une surface comme par exemple un modèle numérique de terrain ou, comme dans le cas présent, par une surface piézométrique de référence (= ébauche). Par comparaison au krigeage ordinaire (KO), la technique du KDE permet une amélioration sensible de la précision des estimations notamment dans les secteurs sous-échantillonnés, car la tendance générale de la dérive externe aura été respectée lors de l’interpolation. La première étape consiste donc à calculer les ébauches, au nombre total de 12, une par mois, qui feront office de dérive externe.

Surfaces de références mensuelles (ébauches) 

Des surfaces de références mensuelles ont été élaborées entre Sierre et Évionnaz pour la période 19761–2017. Ces surfaces peuvent être considérées comme des «normes» qui représentent les niveaux mensuels moyens de la nappe calculés sur une période d’observation de 40 ans. Comme il est admis que la surface piézométrique fluctue autour d'une moyenne, le niveau piézométrique au point x à l'instant t P(x,t) peut s'exprimer selon l'équation: 

P(x,t) = E(x) + R(x,t)

Avec :

• P(x,t)  : Piézométrie au point x, à l’instant t
• E(x)    : piézométrie moyenne au point x (= Ebauche)
• R(x,t)  : fluctuation au point x et à l’instant t de la piézométrie autour de la moyenne (= Résidu)

Techniquement, le processus d’élaboration des cartes se compose de 4 étapes qui sont schématisées dans la figure 2.

1. Analyse exploratoire des données de base

Cette première étape essentielle vise à caractériser le jeu de données du point de vue statistique et à dégager la structure (i. e. relations spatiales) de celles-ci. Elle permet également de s’affranchir des données erratiques et/ou des doublons. La figure 3 résume les caractéristiques des différents jeux de données utilisés pour l’élaboration des surfaces de références mensuelles pour le secteur Sierre-Évionnaz. Les mois de février, mars, juin et juillet sont les plus fournis en données du fait de la réalisation par le passé de nombreuses campagnes de terrain visant à suivre les niveaux de la nappe pour les périodes dites de «basses eaux» (février-mars) et de «hautes eaux» (juin-juillet) calées sur le régime hydrologique du Rhône.

2. Calcul des résidus

Cette deuxième étape consiste à calculer pour chaque point du jeu de données de base, l’écart (= résidu) entre le niveau mensuel moyen déduit statistiquement et la pente de la nappe considérée comme une dérive et inférée de manière géostatistique.

3. Krigeage des résidus

Cette troisième étape permet d’élaborer une carte des résidus sur l’ensemble du champ d’étude. Elle implique la caractérisation de la structure spatiale des données à l’aide d’une analyse variographique qui va permettre de modéliser la corrélation spatiale des données à différentes distances. L’ajustement du modèle de variogramme est une étape décisive qui garantit que l’interpolation (= krigeage) respectera les mesures.

4. Calcul des cartes piézométriques

À l’issue de l’étape 3, une carte des résidus est disponible pour chaque mois. Ces cartes seront utilisées comme support (background) dans l’étape finale qui consiste à interpoler la piézométrie moyenne mensuelle par la technique du KDE. Grâce à cette méthode de calcul, il est possible d’obtenir une interpolation de la surface piézométrique mieux contrainte et plus plausible pour les secteurs présentant un déficit de mesures (fig. 4).

Ces cartes de référence (= ébauches) fournissent des documents de base permettant d’identifier et/ou de caractériser des processus hydrogéologiques locaux ou régionaux. Elles permettent également la production de produits dérivés à valeur ajoutée comme les cartes d’épaisseur de la zone non saturée (fig. 5) et du battement naturel de la nappe (fig. 6). Autant d’outils pouvant être mis avantageusement à profit pour les tâches d’aménagement du territoire aussi bien que de gestion et de protection de la ressource en eau de la plaine du Rhône.

Production de cartes «au fil de l'eau»

La production «au fil de l’eau» des cartes piézométriques mensuelles de la nappe phréatique du Rhône constitue le second volet du travail engagé par le SEN et le CREALP en 2019. L’objectif visé est la production de catalogues annuels de la piézométrie de la nappe phréatique de la plaine du Rhône. L’élaboration des cartes se fait en deux phases: dans un premier temps, calcul de cartes provisoires à partir des données d’observation en continu collectées à distance via les stations de mesure dotées de la télétransmission, et dans un deuxième temps, production des cartes consolidées à partir de toutes les données d’observation en continu collectées sur le terrain puis traitées et validées. Pour le secteur Sierre-Évionnaz, le jeu de données exploitables est ainsi multiplié par deux d’une étape à l’autre. La figure 7 illustre un exemple de cartes réalisées suite aux intempéries que le Canton du Valais a connu en janvier 2018 (précipitations intenses accentuées par la fonte de la neige à moyenne altitude). Les stations équipées de modules de télétransmission (35 unités) ont permis dans un premier temps d’analyser rapidement l’effet des intempéries sur les niveaux de la nappe (rapid mapping). Des remontées de la nappe en lien avec des apports latéraux depuis les versants ont été ainsi mises en évidence, notamment dans les secteurs du coude du Rhône à Martigny, de Vétroz-Ardon ou encore de Réchy-Chalais. Par la suite, ces premières tendances ont pu être confirmées et précisées suite à la récupération sur le terrain et à l’intégration des données de l'ensemble du réseau de surveillance (76 unités).