Analyse du remplissage alluvionnaire 19

Chapitre 1.1 : Prospections géophysiquesRoger Guérin et Hocine Bendjoudi

1. Introduction

Les prospections géophysiques sont employées ici pour l’étude du fonctionnementhydrodynamique d’une zone humide, c’est-à-dire pour mieux comprendre l’hétérogénéité et lefonctionnement des zones humides et des milieux riverains des cours d’eau. Plusieurs techniques(thermographie infrarouge, cartographie électromagnétique slingram, suivi temporel de températures)ont été mises en oeuvre afin de décrire la géométrie du proche sous-sol (Bendjoudi et al., 2000) et dequantifier les transferts.

2. Prospection thermique

La prospection thermique aéroportée, déjà largement utilisée pour des objectifs archéologiques etpédologiques (Scollar et al., 1990), a l’avantage de couvrir de grandes surfaces en des tempsrelativement brefs comparés aux méthodes d’investigation géophysique au sol.

Aussi, une mission aéroportée a été déclenchée en période hivernale, en février 1997, sur sol nu (leterrain était partiellement inondé), sur les vallées de la Seine et de l’Aube (Pinet, 1997). Onze axes,représentant un linéaire de 80 km (les différents axes de vol font en moyenne 7 km de long) ont étéacquis couvrant quatre secteurs :

- la zone de la Bassée, trois axes de direction N 69°E, autour des gravières d’Egligny et deVimpelles (cartes IGN au 1/25000, n°2516E et n°2517E)

- la plaine de Romilly, à la confluence de la Seine et de l’Aube, quatre axes de direction N 72°E, aunord et nord-est de Romilly-sur-Seine (cartes IGN au 1/25000, n°2716O et n°2716E)

- le corridor de la Seine-Amont, deux axes de direction N 147°E, au-dessus de la Seine en amont desa confluence avec l’Aube, en amont de Méry-sur-Seine (carte IGN au 1/25000, n°2716E)

- le corridor de l’Aube, deux axes de direction N 98°E, au-dessus de l’Aube en amont de saconfluence avec la Seine, entre Granges-sur-Aube et Plancy-l’Abbaye (cartes IGN au 1/25000,n°2716E et n°2816O)

Chaque ligne est balayée sur 2 km, et les axes de vol à l’intérieur d’une même zone sont parallèleset distants de 1.5 km ; il y a donc une zone de recouvrement de 0.5 km.

Nous avons utilisé le radiomètre ARIES (Monge et Sirou, 1975), radiomètre à balayage qui permetd’acquérir sur deux canaux et de stocker directement dans un ordinateur une image dans les domainesvisible et thermique (10.5-12.5 µm). La vitesse de l’avion et l’altitude de vol ont permis d’atteindreune résolution au sol de 2 m dans les deux directions et pour les deux canaux (cette résolution au solne peut être atteinte avec les satellites actuels). Le positionnement des axes a été effectué grâce à unGPS embarqué. Un gyroscope couplé au système d’acquisition d’ARIES enregistre les mouvementsde roulis et tangage, ce qui permet de corriger la géométrie de l’image acquise.

L’étude simultanée des canaux visible et thermique a permis de séparer aisément les zones d’eaulibre et les eaux stagnantes grâce à un comportement thermique bien différencié (figure 1.1.1). Deplus, la profondeur d’investigation de la méthode thermique (0.5 m ou plus en fonction de l’évolutiondu flux thermique dans les jours précédents le vol) permet une estimation des réserves en eau du trèsproche sous-sol. En particulier, certaines zones d’anomalies thermiques liées visiblement à desécoulements souterrains sont visibles dans le canal thermique et invisibles dans le canal visible qui nemet en évidence que l’eau en surface. Le canal visible du radiomètre ARIES permet aussi une mise àjour des données hydrologiques présentes sur les cartes IGN dans ces zones caractérisées par un fortremaniement anthropique sur des échelles de temps courtes (de l’ordre de l’année). De même, lesanciens chenaux de la rivière apparaissent clairement sur l’image thermique (figure 1.1.2). Bien quenon actifs la plupart du temps, ces chenaux peuvent avoir un rôle important dans les processus

20 PNRZH, projet 07, rapport final, novembre 2000

d’inondation or ils n’apparaissent ni dans l’image visible, ni sur les cartes topographiques (Guérin etal., 1997).

Le corridor de laSeine amont

RéservoirsSeine et Aube

Le corridorde l'Aube

La Bassée

La plaine de Romilly

SEINE/

MONTEREAUYONNE

0 m

400 m

800 m

1200 m

1600 m

2000 m

vert : couvert végétalegris : zones de culture

bleu : cours d'eaublanc : eau stagnante

image infrarouge thermique

carte IGN

Figure 1.1.1. Localisation et interprétation d’une image thermique

Cette première approche thermique permet, pour un coût et un temps d’opération limités, d’avoirune vision globale et précise du fonctionnement de l’ensemble de la zone permettant d’orienter lesinvestigations plus approfondies au sol.

Une approche géostatistique (Garrigue, 1999 ; Guérin et al., 1999) a permis d’indiquer que lesvariations de température à l’intérieur des parcelles agricoles (variogramme avec effet de pépite) sontd’une échelle plus grande que l’échelle de travail ou à la limite de sensibilité du capteur (bruit demesure supérieur au signal).

3. Prospection électromagnétique slingram

En 1998 et en 1999, plusieurs campagnes de géophysique au sol ont été réalisées avec pour premierobjectif la cartographie à grande échelle des variations latérales des propriétés du terrain. Les mesuresont porté sur la conductivité apparente avec un appareil électromagnétique slingram. L’appareil utilisé,l’EM31 (Geonics, Toronto), permet d’obtenir, dans la configuration où le plan des bobines esthorizontal (mode HCP, correspondant aux axes des dipôles verticaux), une information intégrant lesvaleurs de conductivité du sol sur les six premiers mètres de profondeur. Le maillage de mesures a étéde 5 par 5 m afin de respecter un échantillonnage correct.

Analyse du remplissage alluvionnaire 21

Boulages Aube

0 2500 5000 7500 100000 250 500 750 1000 m

AubeBoulages

image visible image infrarouge thermique(blanc=chaud ; noir=froid)

EMslingram

ancienméandre

Tracé actuel Tracé de 1840Accrues

Figure 1.1.2. Comparaison image visible – image thermique et Historique des méandres

Une zone sur l’Aube, près de Boulages (localisée sur la figure 1), a été choisie pour analyser lacorrélation entre la résistivité électrique des premiers mètres et la température de surface obtenue avecla thermographie infrarouge, et effectuer de premières estimations des caractéristiqueshydrogéologiques du sol. Cette zone étudiée initialement (en 1998) sur une superficie de 100 par100 m (figure 1.1.3), a été prospectée à deux époques différentes (période de crue et période desécheresse) afin d’évaluer également l’effet des variations temporelles et de reconnaître les bornes devariation du suivi temporel (Pinet, 1998 ; Pinet et al., 1999). En 1999, la zone d’étude a été étendue à300 par 200 m (figure 3) afin d’étudier les corrélations avec les données de thermographie et lavalidité géostatistique de ces données (Garrigue, 1999 ; Guérin et al., 1999). Des mesures de sondagesélectriques ont permis sur la même zone, d’acquérir une information quantitative sur les variationsverticales de résistivité apparente. A partir des deux types de données, une inversion 1D approchée(Guérin et al., 1996) montre les variations d’épaisseur de la couche argileuse sur la zone. Ces mesuresont été vérifiées par deux forages pédologiques effectués sur les extrema de la carte de conductivitéapparente (figure 1.1.4).

Sur une zone plus étendue de l’Aube (2.5 sur 3 km), une prospection extensive a été réalisée pourdébuter une étude géostatistique de la répartition de la conductivité apparente sur la zone (Lorenzati,1998). Les mesures ont été prises le long de chemins d’exploitation : l’échantillonnage spatial peusatisfaisant, n’empêche pas néanmoins de bien caractériser la plage de variation de la conductivité.

Des mesures complémentaires ont été effectuées sur une zone de 50 x 100 m, près du site deVoyons (thèse de Philippe Weng), après la confluence de l’Aube avec la Seine, près de Marcilly-sur-Seine, afin de reconnaître son environnement proche.

La conductivité électrique déterminée par cette méthode caractérise la capacité des sols à conduirele courant électrique, par la présence d’ions en solution et absorbés à la surface des particules d’argile.Une bobine émettrice parcourue par un courant alternatif est à l’origine de l’émission d’un champmagnétique primaire. Dans le sol, ce champ induit un courant lui-même à l’origine d’un champ

22 PNRZH, projet 07, rapport final, novembre 2000

magnétique secondaire, d’autant plus intense que le sol est conducteur. Une bobine réceptrice dont ladistance à l’émettrice correspond à un faible nombre d’induction capte le champ magnétique total(primaire + secondaire). Dans le cas d’opération à faible nombre d’induction, le rapport du champmagnétique secondaire Hs au champ magnétique primaire Hp est proportionnel à la conductivitéapparente σa du terrain (Mc Neill, 1980) :

����

��=

psa H

Hs2

4ωµσ

Il y a deux modes opératoires (bobines horizontales ou dipôle vertical, mode HCP ou VD ; etbobines verticales ou dipôle horizontal, mode VCP ou HD), qui présentent des profondeursd’investigation légèrement différentes en terrain tabulaire. Pour la plupart des prospections, seul lemode HCP est utilisé.

-50 0 50 100 150 200 250-100

-50

0

50

100

0 m 50 m 100 m 150 m 200 m

Mars 98période humide

Juin 98période sèche

Juin 99

10.010.911.912.914.115.416.818.319.921.723.725.828.130.633.436.4

mS/m

Figure 1.1.3. Carte de conductivité électrique apparente obtenue par prospection électromagnétique

4. Suivi de l’infiltration et de l’exfiltration dans le sol par des méthodes thermiques

L’évolution temporelle de la distribution verticale des températures peut au même titre que celle dela charge hydraulique conduire par résolution du problème inverse à la vitesse d’écoulement de l’eau,selon la verticale. Les déplacements de l’eau correspondent en effet à un transfert par convection quivient s’ajouter au transfert par conduction, et modifier en intensité et en phase la diffusion de lachaleur. Le calcul de vitesse entre deux profondeurs se fonde sur le rapport d’amplitude et ladifférence de phase des variations thermiques associées à chaque profondeur. Les données thermiquespermettent de traiter aussi des événements transitoires très courts, en complément de la tensiométrie,mais en utilisant des méthodes de calcul plus complexes (Tabbagh et al., 1999).

Analyse du remplissage alluvionnaire 23

-50 0 50 100 150 200 250-100

-50

0

50

100

S1

S2

0 m 50 m 100 m 150 m 200 m

1.2 m par inversion (1.2 m réellement)

0.12 m par inversion (0 m réellement)

0.00 m0.08 m0.17 m0.25 m0.33 m0.41 m0.50 m0.58 m0.66 m0.74 m0.83 m0.91 m0.99 m1.07 m1.16 m1.24 m

S1 S2

(a) (b)

Figure 1.1.4. Carte de l’épaisseur d’une couche d’argile (a) et Sondages pédologiques (b).

Les trois sondes thermiques utilisées ont été disposées dans une fosse creusée en avril 1998, sur lesite de Voyons, dans la zone alternativement saturée et non-saturée du sol, aux profondeurs de 20, 40et 75 cm (Laurent, 1999). Sur ce terrain, le toit de la nappe phréatique se trouve à 1.20 m à l’étiage,tandis que l’eau affleure en période de crue. Les mesures, poursuivies jusqu’à mi-1999 (figure 1.1.5),ont été faites au pas de temps horaires pendant plus d’une année.

23-a

vr.-9

8

14-m

ai-9

8

4-ju

in-9

8

25-ju

in-9

8

16-ju

il.-9

8

5-ao

ût-9

8

26-a

oût-9

8

16-s

ept.-

98

7-oc

t.-98

28-o

ct.-9

8

18-n

ov.-9

8

8-dé

c.-9

8

29-d

éc.-9

8

19-ja

nv.-9

9

9-fé

vr.-9

9

2-m

ars-

99

23-m

ars-

99

12-a

vr.-9

9

3-m

ai-9

9

24-m

ai-9

9

14-ju

in-9

9

5-ju

il.-9

9

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

24

26

Tem

péra

ture

s (°C

)

Profondeur des sondes20 cm40 cm75 cm

Figure 1.1.5. Suivi de température

24 PNRZH, projet 07, rapport final, novembre 2000

A ces faibles profondeurs, les ondes thermiques résultent des variations atmosphériques, dont ellesreproduisent les oscillations saisonnières et journalières, modulées par l’influence de facteursmétéorologiques non périodiques. Par exemple, les vagues de froid ou de chaleur particulièrestranslatent l’ensemble des valeurs suivant l’axe des températures et les périodes de ciel dégagéaugmentent l’amplitude des variations diurnes. Mais, le signal comporte toujours des termessinusoïdaux aux trois profondeurs, quelle que soit la période d’étude retenue, dont l’atténuation et ledéphasage par rapport aux conditions de surface augmentent avec la profondeur.

L’une des méthodes d’analyse thermique suppose justement le calage d’un modèle sinusoïdal surles données de la période examinée. Elle donne une valeur de la composante vertical de la vitesse del’eau, par inversion, à partir des caractéristiques des oscillations à deux profondeurs, elles-mêmesfonctions du transfert convectif. L’infiltration (v > 0) favorise la propagation de la chaleur ou du froiddans le sol, au contraire de l’exfiltration (v < 0) qui l’atténue et la retarde. Le tracé des températurespour l’épisode de crue survenu en mai 1998 illustre ce phénomène de manière assez spectaculaire,puisque sous l’effet d’une très forte ré-infiltration, l’amplitude des variations de température est plusimportante à 40 cm de profondeur qu’à 20 cm (figure 1.1.6).

28-a

vr.

29-a

vr.

30-a

vr.

1-m

ai

2-m

ai

3-m

ai

4-m

ai

5-m

ai

6-m

ai

7-m

ai

8-m

ai

9-m

ai

10-m

ai

11-m

ai

12-m

ai

13-m

ai

14-m

ai

15-m

ai

10

12

14

16

18

20

22

24

11

13

15

17

19

21

23

25

9

Tem

péra

ture

s (°

C)

Température à 20 cmTempérature à 40 cmTempérature à 75 cmTempérature de l'air à midi

Figure 1.1.6. Crue de mai 1998

A partir des relevés météorologiques donnant le taux journalier des précipitations, des périodes dequelques jours d’infiltration de l’eau dans le sol (recharge de la nappe) ou au contraire de décharge dela nappe phréatique ont été mises en évidence. La vitesse d’infiltration (vitesse de Darcy) a étécalculée par un programme d’inversion des données de température correspondant à ces périodes(Cheviron, 1999 ; Cheviron et al., 2000). Trois méthodes de calcul ont été utilisées : par abaquediffusivité-vitesse, par inversion avec les moindres carrés, et par la méthode de Taniguchi (1993).

En période de décharge on obtient par exemple :

Vitesse calculée 19/06/1998 28/06/1998 11/07/1998 21/08/1998 21/09/1998

entre 20 et 40 cm -3.31 10-7 m/s -2.85 10-6 m/s -3.87 10-6 m/s 2.54 10-8 m/s -6.37 10-7 m/s

entre 20 et 75 cm -1.13 10-6 m/s -7.03 10-6 m/s -7.63 10-6 m/s -6.64 10-6 m/s -6.74 10-6 m/s

entre 40 et 75 cm -1.54 10-6 m/s -9.09 10-6 m/s -9.51 10-6 m/s -9.64 10-6 m/s -9.45 10-6 m/s