Modélisation des eaux souterraines

La Directive Cadre Eau 2000/60/CE reprend un ensemble de principes à respecter afin d’assurer une bonne gestion des eaux souterraines et de surface, tant d’un point de vue qualitatif que quantitatif. Dans ce cadre, plusieurs modèles hydrogéologiques ont été développés.

En effet, en hydrogéologie, la modélisation numérique s’applique à retranscrire, à l’aide d’un programme informatique, l’écoulement des eaux souterraines et, éventuellement, la migration de polluants dans un système aquifère.

Ces modèles constituent des outils de gestion stratégiques, dont la dimension prédictive fournit une aide non-négligeable aux prises de décisions orientant la politique de gestion des eaux souterraines en Région de Bruxelles-Capitale.

En outre le développement de modèles permet de constituer des cartes piézométriques de référence pour chaque Unité Hydrogéologique de la Région de Bruxelles Capitale (UH/RBC) autres qu'aquiclude.

La construction du modèle hydrogéologique s’effectue en 7 étapes clés :

• collecte des données de base : données géologiques, hydrogéologiques, hydrologiques et météorologiques ;
• modèle conceptuel : analyse des données recueillies  et simplification réaliste du système hydrogéologique. Définition de l’extension  horizontale, discrétisation  verticale, conditions aux limites du modèle (potentiels imposés, flux imposés, rivières, ...), sollicitations (recharge, captages,...) ;
• modèle numérique : intégration du modèle conceptuel dans le logiciel de modélisation ;
• calibration : adaptation des paramètres du modèle jusqu’à ce qu’il reproduise les mesures de terrain (piézométrie, débits des sources) ;
• validation : vérification de la capacité du modèle à reproduire d’autres évènements passés et présents et si nécessaire adaptation de la calibration) ;
• analyse de sensibilité : vérification de la sensibilité des paramètres d’input sur le résultat final ;
• réalisation des simulations prédictives : après calibration et idéalement validation, le modèle peut être exploité pour la simulation de différents scénarios.

Brussels Phreatic System Model (BPSM)

Un premier modèle hydrogéologique en éléments finis dénommé Hydrobrux a été développé en 2015 sur le logiciel FEFLOW 6.1®. Il s’est focalisé sur la masse d’eau souterraine des sables du Bruxellien, localisée en Région de Bruxelles-Capitale sur le versant Est de la vallée de la Senne. Cette ressource est de première importance puisque 80% de l’eau captée en région de Bruxelles-Capitale, tous usages confondus, provient de cette masse d’eau souterraine, avec une forte majorité destinée à l’alimentation en eau potable.

Un nouveau modèle hydrogéologique en éléments finis développé sur FEFLOW 7.0® relatif au système phréatique est disponible depuis 2019 : Brussels Phreatic System Model v1.0 (BPSM, M. Agniel, 2019). Ce modèle numérique est développé par Bruxelles Environnement. Il permet de simuler les processus d’écoulement des eaux souterraines au sein des unités hydrogéologiques du système phréatique bruxellois. BPSM englobe Hydrobrux et constitue une version améliorée d’Hydrobrux.

BPSM répond à deux principaux objectifs :

• développer un outil de gestion stratégique de la ressource en eau souterraine du système phréatique, permettant de simuler les pressions quantitatives et qualitatives s’exerçant sur les eaux souterraines. Ce modèle a pour ambition de constituer à terme un modèle hydrogéologique de référence, outil indispensable à la gestion intégrée des eaux souterraines du système phréatique permettant également de procéder à des simulations des flux thermiques (géothermie) et du transport de polluant (diffusion & dispersion) ;
• constituer des cartes piézométriques de référence (mai 2013) :

1. ​cartes piézométriques (m-DNG) des unités hydrogéologiques aquifères composant le système phréatique bruxellois à savoir :
   • UH/RBC_1b Aquifère des limons, sables et graviers alluviaux ;
   • UH/RBC_2 Système aquifère sableux perché (Fm de Diest, Fm de Bolderberg, Fm de Sint-Huilbrechts-Hern et membre d’Onderdale)
   • UH/RBC_4 Aquifère des sables de Wemmel, Lede, Bruxelles et Vlierzele (ou plus connu sous le nom de sables du Bruxellien) ;
   • UH/RBC_6 Aquitard des sables et argiles de Tielt ;
   • UH/RBC_7b Aquitard des sables et argiles de Moen.
2. hauteurs du niveau phréatique (m-DNG) (mai 2013) ;
3. profondeurs du niveau phréatique (m) (mai 2013) (isobathes).

Sables du Landénien (Hydroland)

Un modèle hydrogéologique en éléments finis développé sur FEFLOW 6.1® relatif à la masse d’eau souterraine des sables du Landénien est disponible depuis 2016 : HYDROLAND v1.0.

Si les prélèvements effectués dans cette nappe captive sont moins importants que dans le Bruxellien, elle peut tout de même être considérée comme une réserve stratégique en eau souterraine en Région de Bruxelles-Capitale.

HYDROLAND permet de simuler les processus d’écoulement des eaux souterraines au sein de l’unité hydrogéologique UH/RBC_8a Aquifère des sables du Landénien.

Ce modèle complémentaire à Brussels Phreatic System Model (BPSM), suit des objectifs similaires à ce dernier à savoir :

• développer un outil de gestion stratégique de la ressource en eau souterraine de la masse d’eau souterraine des sables du Landénien, permettant de simuler les pressions quantitatives et qualitatives s’exerçant sur les eaux souterraines. Ce modèle a pour ambition de constituer à terme un modèle hydrogéologique de référence, outil indispensable à la gestion intégrée des eaux souterraines du système phréatique permettant également de procéder à des simulations des flux thermiques (géothermie) et du transport de polluant (diffusion & dispersion) ;
• constituer une carte piézométrique de référence (mai 2013) pour l'unité hydrogéologique UH/RBC_8a Aquifère des sables du Landénien.

Brussels confined System Model (BCSM)

Les potentielles interactions hydrogéologiques entre  l’UH/RBC_8 Système aquifère des sables du Landénien et l’UH/RBC_9 Système aquifère des craies du Crétacé et du socle Paléozoïque  sous-jacent poussent Bruxelles Environnement à envisager le développement d’un modèle intégré relatif au système captif : Brussels confined System Model (BCSM).

Ce modèle engloberait le précédent modèle HYDROLAND ainsi que les différentes unités hydrogéologiques composant le système captif. Il a l’ambition d’être plus complet et précis que le modèle HYDROLAND en assurant notamment :

• une meilleure définition des structures géologiques notamment par une discrétisation plus fine permettant notamment de modéliser chaque unité hydrogéologique du système captif ;
• une meilleure représentativité des relations inter-aquifères ;
• une meilleure définition de l’infiltration grâce notamment à l’exploitation des résultats du modèle hydrologique Wetspass (O. Batelaan, Y. Meyus  et F. De Smedt  - 2007) ;
  O. Vrije Universiteit Brussel & K.U.Leuven), Y. Meyus (Vrije Universiteit Brussel) et F. De Smedt (Vrije Universiteit Brussel)

A l’instar de son « voisin du dessus » BPSM, les objectifs poursuivis par BCSM sont les suivants :

• développer  un outil de gestion stratégique de la ressource en eau souterraine du système captif, permettant de simuler les pressions quantitative et qualitative s’exerçant sur les eaux souterraines. Ce modèle a pour ambition de constituer à terme un modèle hydrogéologique de référence, outil indispensable à la gestion intégrée des eaux souterraines du système captif permettant également de procéder à des simulations des flux thermiques (géothermie) et du transport de polluant (diffusion & dispersion) ;
• constituer des cartes piézométriques de référence pour chaque unité hydrogéologique aquifère composant le système captif bruxellois à savoir :
  • UH/RBC_8a Aquifère des sables du Landénien
  • UH/RBC_9a Aquifère des craies du Crétacé
  • UH/RBC_9b Système aquifère du socle Paléozoïque

Actuellement, certaines contraintes ne permettent pas un développement optimal de BCSM. En particulier le manque de connaissance des structures relatives aux unités stratigraphiques les plus profondes : US/RBC_91 Craies de Gulpen et US/RBC_92 Socle Paléozoïque. Une meilleure représentation des structures via la réalisation de campagnes sismiques pourrait permettre dans le cadre d’une prochaine version de Brustrati3D de régler ce problème dans les années à venir.