UNIVERSITÉ DE NEUCHÂTEL CENTRE D'HYDROGÉOLOGIE FACULTÉ DES SCIENCES INSTITUT DE GÉOLOGIE Hydrodynamique de la nappe du Gäu (cantons de Soleure et Berne) THESE présentée à la faculté des Sciences de l'Université de Neuchâtel pour l'obtention du grade de Docteur es Sciences par François Pasquier Géologue, hydrogéologue originaire de Bulle (Suisse) Soutenue le 25 juin 1986 devant le jury composé de : Prof. André Burger Université de Neuchâtel (Suisse) Directeur Prof. Lazio Kiràly Université de Neuchâtel (Suisse) Expert Prof. François Zwahlen Université de Neuchâtel (Suisse) Expert Dr Hansjürg Schmassmann Liestal Expert IMPRIMATUR POUR LA THESE Hydrodynamique de la nappe du Gäu (cantons de Soleure et Berne) de M. François Pasquier UNIVERSITE DE NEUCHATEL FACULTE DES SCIENCES La Faculté des sciences de l'Université de Neuchâtel sur le rapport des membres du jury, MM. A. Burger (directeur de thèse), L. Kiraly, F. Zwahlen et H. Schmassmann (Liestal) autorise l'impression de la présente thèse, Neuchâtel, le 28 mai 2001 Le doyen: J.-P. Derendinger Hydrodynamique de la nappe du Gäu (cantons de Soleure et Berne) Thèse présentée par François Pasquier* au Centre d'Hydrogéologie de l'Université de Neuchâtel (Suisse) en juin 1986, sous la direction de Monsieur le Professeur André Burger. Les autres membres du jury sont Messieurs Lazio Kiràly, François Zwahlen (Université de Neuchâtel) et Hansjürg Schmassmann (Liestal). Le manuscript de la thèse est déposé à la bibliothèque centrale de l'Université de Neuchâtel. La thèse est résumée par les publications énumérées ci-dessous. LISTE DES PUBLICATIONS 2000: Bilans hydrologiques de la nappe alluviale du Gäu (cantons de Berne et Soleure, Suisse). Bull. d'Hydrogéologie N° 18,3-29. 2000: Calibrage d'un modèle d'écoulement des eaux souterraines de la nappe alluviale du Gäu, (cantons de Berne et Soleure, Suisse). Bull. d'Hydrogéologie N° 18,31-48. 1987: Indices de l'alimentation de la nappe alluviale du Grau (SO/BE) par le karst. Bull. Centre d'Hydrogéologie N° 7, 327-334. 1982: Fluctuations chimiques et alimentation de la nappe du Gäu soleurois. Bull. Centre d'Hydrogéologie N° 4,103-144. 1982: Inventaire des sources les plus importantes du Jura Nord-Ouest (entre Granges, OIten, Liestal et Delémont). Bull. Centre d'Hydrogéologie N° 4,259-270. * François PASQUIER Hydrogéologue-conseil Saint-Gervais31 CH - 2108 Couvet r Résumé La nappe alluviale du Gäu (cantons de Berne et Soleure, Suisse) s'étend au pied du Jura sur 20 km de long et 2 km de large en moyenne. EUe s'écoule vers l'Aar, d'une part de la région d'Oensingen en direction du NE vers Often, d'autre part d'Oberbipp en direction du SW vers Waliswil. La ligne de partage des eaux souterraines se situe dans Ia région de Niederbipp. La Dünnem, entre Balsthal et Often, est le principal cours d'eau qui s'écoule au-dessus de l'aquifêre. L'aquifère est constitué d'alluvions sablo-graveleuses issues du remaniement des moraines terminales wurmiennes. Ces alluvions sont décrites, sur la base de profils de forage, de pompages d'essai et d'une prospection électromagnétique VLF, sous la forme de profils hydrogéologiques représentant dans ses grandes lignes Ia variabilité latérale et verticale de la perméabilité. Les transmissivités ont été décomposées en 5 classes de perméabilité, de 10"5 m/s pour les limons à 10"1 m/s pour les graviers propres. Les niveaux très perméables occupent 20 à 25 % de l'épaisseur de l'aquifêre, et représentent environ 90 % de la transmissivité. Hs sont plus fréquents dans la partie supérieure de l'aquifêre, ce qui lui confère une transmissivité particulièrement accrue en hautes eaux. La structure alluviale est complexe, constituée de chenaux perméables formant un réseau anastomosé dans une matrice moins perméable. Le substratum de l'aquifère est constitué essentiellement de calcaires en aval de Härkingen, de molasse entre Walliswil et.Nierderbipp, et de limons recouvrant la molasse entre Oensingen et Härkingen. Le débit moyen de la nappe vaut, selon les données de 1976 à 1980, environ 260 1/s à Pexutoire de Walliswil, et 435 1/s à celui d'Oîten. Les pompages prélèvent en moyenne 410 1/s, et les débits de transit sont assez faibles, environ 601/s à la sortie de la cluse de Balsthal, 165 1/s à Kestenholz et 300 1/s à Gunzgen. L'alimentation le long de la nappe, par les versants, le substratum et l'infiltration des cours d'eau, fournit le complément des débits de soutirage et d'exutoire. Elle croît constamment vers l'aval, où le contact entre les calcaires du MaIm et les graviers de l'aquifêre se généralise. L'étude des fluctuations piézométriques permet de distinguer les zones où l'alimentation de la nappe est rapide et irrégulière (apports par le karst et la Dünnern) des zones où l'alimentation est plus régulière et retardée. Le champ des potentiels a été étudié en étiage et en hautes eaux. Le gradient, très faible dans la région de partage des eaux, passe à environ 6 à 10 pour mille dans les régions aval. Les principales caractéristiques hydrochimiques de la nappe permettent de distinguer deux provinces : Tune, principalement influencée par les apports du Jura, s'individualise par de faibles teneurs en oxygène 18, nitrates, chlorures, magnésium et sodium, par de fortes teneurs en sulfates et en potassium et par une température basse ; l'autre, principalement influencée par l'infiltration des précipitations, révèle des caractères inverses. Les fluctuations de l'équilibre carbonate permettent en outre d'identifier la prépondérance des recharges par la zone saturée (orages d'été) ou par la zone non-saturée (recharges principales de printemps et d'automne). L'alimentation de Ia nappe a été étudiée au moyen de bilans des eaux météoriques, des eaux de surface et des eaux souterraines cohérents entre eux. Ds révèlent des transferts probables d'eau souterraine des régions internes dû Jura vers les régions bordières où se situe la nappe. En moyenne, l'alimentation de la nappe est fournie pour 31 % par l'infiltration des précipitations, 36 % par celle des cours d'eau, et 33 % par les apports souterrains à partir des versants et du substratum. Ces proportions varient localement. Une subdivision de la nappe en cinq secteurs révèle une alimentation importante de la nappe dans son tiers aval oriental, liée à un écoulement longitudinal dans les versants calcaires. Les alimentations ont été modulées pour les états d'étiage et de hautes eaux. Un modèle numérique bidimensionnel à éléments finis de la nappe a été calibré en régime permanent pour les états d'étiage et de hautes eaux. Les résultats montrent que la répartition des alimentations joue un rôle prédominant, par rapport à celle des transmissivités, pour la restitution correcte, au niveau régional et local, des potentiels et débits de cette nappe complexe (un exutoire majeur à chaque extrémité de la nappe, importants débits d'exfiltration en hautes eaux). La simulation de deux états contrastés de la nappe permet d'approcher en partie la répartition verticale des caractéristiques de l'aquifère et le comportement saisonnier des alimentations. Les possibilités d'utilisation du modèle sont illustrées au moyen de deux exemples simulant l'exploitation intensive de la nappe dans les parties centrale et aval, avec et sans réalimentation artificielle. <-.?'-.¦-' * - •¦¦*; Bulletin d'Hydrogeologie No 18(2000):3-29 Centre d'Hydrogéologie, Université de Neuchâtel Editions Peter Lang Bilans hydrologiques de la nappe alluviale du Gäu (cantons de Berne et Soleure, Suisse) par François Pasquier * RESUME Les bilans des eaux météoriques, des eaux de surface et des eaux souterraines ont été étudiés entre Walliswil et Olten (pied du Jura, cantons de Berne et Soleure) et dans les régions voisines, afin de définir des alimentations cohérentes (recharge, infiltration) pour le calibrage d'un modèle de simulation numérique de la nappe alluviale du Gäu. Les bilans détaillés de la nappe (41 km2) ont été emboîtés dans des bilans plus grossiers d'un vaste système-cadre (916 km2) englobant les versants de la nappe, le bassin de la Dünnem et une partie des bassins de PAar, de la Birse et de 1* Ergolz. Les bilans révèlent des transferts probables d'eau souterraine des régions internes du Jura (aires de recharge : Birse, Ergolz) vers les régions bordières (aires d'exutoire : Dünnern, Aar) où se situe la nappe. En moyenne, l'alimentation de la nappe est fournie pour 31 % par l'infiltration des précipitations, 36 % par celle des cours d'eau, et 33 % par les apports souterrains à partir des versants et du substratum. Ces proportions varient localement. Une subdivision de la nappe en cinq secteurs révèle une alimentation importante de la nappe dans son tiers aval oriental, liée à un écoulement longitudinal dans les versants calcaires. Les alimentations moyennes ont été modulées pour les états d'étiage (60 % de la moyenne) et de hautes eaux (150 %). Les variations d'alimentation sont surtout dues à celles de l'infiltration des précipitations (en étiage 10 % de la valeur moyenne, en hautes eaux 186 % de la valeur moyenne). MOTS-CLES Jura, pied du Jura, alluvions, bilan hydrologique, bilan des eaux souterraines, bassin versant, transfert d'eau souterraine Abstract Hydrologie balances were established between Walliswil and Olten (foot of the Jura Mountain, cantons of Beme and Solothurn, Switzerland) and in the surrounding areas to define a coherent recharge field for the calibration of a numerical model of the alluvial Gäu aquifer (41 km2). Local detailed balances were linked to coarser balances over a large frame area (916 km2) including the Dünnem basin and part of the Aar, Birse and Ergolz basins. Regional balances show possible groundwater transfers from recharge areas inside the Jura (Birse, Ergolz) to discharge areas at the foot of the Jura (Dünnern, Aar), where the Gäu aquifer is located. In average, the groundwater recharge of * Hydrogéologue-conseil, St-Gervais 31, CH-2108 Couvet Pasquœr : Bilans hydrologiques de la nappe alluviale du Gäu the Gäu aquifer is supplied by rain infiltration (31 %), by river infiltration (36 %) and by underground flow from the aquifer sides and bottom (33 %). These rates vary locally. The subdivision of the aquifer in five sections showed an important recharge in the downstream (north- east) part of the aquifer, related to a longitudinal flow within the limestone valley sides. The average recharge was modulated for low water periods (60 % of the average) and high water periods (150 %). The difference in recharge contribution is mainly due to changes in rain infiltration (10 % of the average value during low water, 186 % during high water). Keywords Jura, alluvial deposits, hydrologie balance, groundwater balance, recharge area, discharge area, groundwater transfer 1. Introduction Les bilans hydrologiques ont été étudiés entre Walliswil et Olten (pied du Jura, cantons de Berne et Soleure) et dans les régions voisines en vue d'une approche cohérente des alimentations pour le calibrage d'un modèle numérique d'écoulement des eaux souterraines de la nappe alluviale du Gäu (figure 1). Le présent article résume une partie importante de la thèse de l'auteur (Pasquœr 1986). Des articles précédents (Pasquœr 1982a, 1987), basés sur les caractéristiques chimiques de l'eau souterraine et les fluctuations piézométriques, ont mis en lumière Ie rôle joué par les versants et le substratum calcaires dans l'alimentation de la nappe. Un second article de ce même volume, traite de l'utilisation des bilans dans le calibrage du modèle (PASQUŒR 2000). La plaine du Gäu se situe entre la première chaîne du Jura et le repli anticlinal du Born. Elle renferme un aquifere alluvial qui repose directement sur les calcaires dans sa partie aval, et sur un placage molassique dans sa partie amont. Les alluvions sont en grande partie issues du remaniement de la moraine terminale du glacier wurmien située au sud-ouest d'Oensingen. Les alluvions fluvioglaciaires et fluviatiles contiennent une nappe d'eau souterraine qui se décharge dans 1* Aar à ses deux extrémités, Walliswil et Olten. La ligne de partage des eaux souterraines se situe dans la région de Niederbipp. En hautes eaux, la nappe du Gäu se déverse encore vers celle de TAaregäu au seuil de Gunzgen et s'exfiltre dans la Dünnern dans la partie orientale, de Gunzgen à Olten. La nappe du Gäu est alimentée par l'infiltration des précipitations, par l'écoulement souterrain des versants, du substratum et de la cluse dé Balsthal, ainsi que par l'infiltration des cours d'eau, principalement Ia Dünnern mais aussi ses affluents descendant du Jura à Oberbipp, Nierderbipp, Oberbuchsiten, Egerkingen, Hägendorf et Rickenbach, ainsi que par le Mittelgäubach, un canal de dérivation de la Dünnern qui collecte les eaux de drainage et les écoulements de surface. Afin d'estimer ces différents types d'alimentation, nous avons étudié non seulement la nappe du Gäu (41 km ) et son bassin versant (64 km ), mais aussi, en raison des possibles transferts d'eau souterraine, un vaste système-cadre (916 km2) englobant le bassin de la Dünnern et une partie des bassins de l'Aar, de la Birse et de l'Ergolz (figure 3). 4 Bulletin d'Hydrogéologie No 18 (2000) Pasqukr : Bilans hydrologiques de la nappe alluviale du Gau 2. Bilans hydrologiques Par bilans hydrologiques, on entend les bilans relatifs aux processus du cycle hydrologique, mettant en jeu le fractionnement des précipitations en évapotranspiration, ruissellement et infiltration (bilan météorique), la constitution des débits des cours d'eau à partir du ruissellement et des exutoires d'eau souterraine (bilan des eaux de surface), et la formation des écoulements souterrains à partir de l'infiltration efficace des précipitations et des cours d'eau et des apports souterrains par les versants ou le substratum (bilan des eaux souterraines). Les bilans équilibrent les apports et les sorties d'un système donné. En régime permanent, l'alimentation totale de la nappe correspond à la somme de ses exutoires. Les composantes des bilans météoriques, des eaux de surface et des eaux souterraines sont illustrées sur la figure 2. L'alimentation (A) de la nappe a été subdivisée en infiltration efficace à partir des précipitations (I), en infiltration à partir des cours d'eau (I'), en réinfiltration des eaux prélevées à la nappe (I") et en apports souterrains par les flancs de Ia nappe et son substratum (U). Figure 1 : Situation de la nappe du Gäu et de son bassin versant topographique. Les exutoires (Z) ont été subdivisés en exutoires provoqués (N), en exutoires naturels en surface (N') et en exutoires souterrains aux limites de la nappe (V). N représente les débits de pompage, N' les exfiltrations dans la Dünnern et les débits d'exurgence (sources et drainages) dans les zones d'exutoire de Walliswil et d'Olten, et V les débits directs à l'Aar et à la nappe voisine de l'Aaregäu. Le bilan des eaux souterraines s'exprime donc par : A = Z (1) A = I + I' + I" + U (2) Z = N + N' + V (3) Bulletin d'Hydrogêologie No 18 (2000) 5 Pasquœr : Bilans hydrologiques de la nappe alluviale du Gau Figure 2 : Paramètres du cycle hydrologique. LEGENDE A = alimentation des eaux souterraines du système considéré E = évapotranspiration primaire (sols et couverture végétale) E' = evaporation des cours d'eau E" = évapotranspiration des eaux prélevées au système I = infiltration primaire efficace (à partir des précipitations) I' = infiltration efficace à partir des cours d'eau I" = infiltration efficace à partir des prélèvements au système N = exutoires provoqués à l'intérieur du système N' = exutoires naturels à l'intérieur du système P = précipitations sur le bassin considéré Q = débit des cours d'eau R = écoulement de surface dû au ruissellement direct et retardé R' = écoulement de surface dû aux exutoires des eaux souterraines U = apports souterrains aux limites du système u = débit de transit souterrain à l'intérieur du système V = exportations souterraines aux limites du système W = apports de surface aux limites du système Z = exutoires des eaux souterraines du système considéré 6 Bulletin d'Hydrogéologie No 18 (2000) Pasquier : Bilans hydrologiques de la nappe alluviale du Gäu Les variables des équations 2 et 3 ont fait l'objet d'une estimation directe basée sur des données, observations ou références (voir chapitre suivant). Pour contrôler la cohérence des valeurs admises (I, I\ I", N, N\ U, V), nous avons établi, pour la nappe du Gäu et son bassin versant (figure 1) et en situation moyenne, un bilan des eaux météoriques (précipitations = évapotranspiration + ruissellement + infiltration) : P = E + R + I (4) un bilan des eaux de surface (écoulement = apports externes + ruissellement + exfiltration de la nappe - evaporation - infiltrations) : Q = W + R + R'-E'-I' (5) et un bilan des eaux souterraines, où le total des infiltrations (SI = I + Y + I") et des apports aux limites (XJ) correspond au total des exutoires d'eau souterraine (SN = N + N') et des exportations aux limites (V) SI + U = 2N + V (6) Le transfert des eaux souterraines d'un bassin versant à l'autre s'exprime alors par (U - V), ou par (SN - SI) que l'on peut plus facilement estimer. Après avoir établi Ie bilan global des eaux souterraines de la nappe du Gäu, on a contrôlé la répartition locale des alimentations en subdivisant la nappe en cinq secteurs (figure 4), chacun faisant l'objet d'un bilan individuel. Pour cela, on a introduit dans les équations 2 et 3 un paramètre de contrôle, le débit de transit souterrain (u) d'un secteur à l'autre. Pour le secteur i, u(i) s'ajoute à U, et u(i+l) s'ajoute à V. 3. Calculs et estimations des paramètres des bilans Sauf mention contraire, toutes les quantifications sont exprimées en Vs et se rapportent à la moyenne à long terme 1901-1960. Les conditions hydrauliques de l'année 1980 et le niveau piézométrique du 1.10.1980 correspondent à peu près à cette moyenne à long terme. 3.1 Précipitations (P) Le calcul des précipitations (P) a été établi sur la base de relations précipitations/altitude différenciées selon trois domaines orographiques : pied du Jura, vallées et crêtes. On a utilisé 37 stations pluviométriques fédérales, cantonales ou autres (études régionales). Les relations précipitation/altitude obtenues sont comparables à celles DE SCHUEPP et al. (1978) établies pour Ie Jura en général, mais révèlent une pluviosité moyenne plus faible, spécialement dans les vallées internes et sur les crêtes. La qualité de la corrélation est mauvaise dans ces deux derniers domaines. La séparation des domaines n'est pas toujours très nette, les conditions orographiques locales pouvant influencer la répartition des précipitations. Pour les bassins externes à celui de la Dünnern, les précipitations ont été estimées par pondération des surfaces sur la carte pluviométrique de la Suisse (UTTINGER 1965). Bulletin d'Hydrogéologie No 18 (2000) 1 Pasquœr : Bilans hydrologiques de la nappe alluviale du Gau Les précipitations moyennes annuelles, pour le système-cadre (figure 3) et chacun de ses bassins versants et sous-bassins, figurent dans le tableau 1. De manière générale, le calcul des précipitations est entaché d'une erreur aléatoire due à la représentativité des stations (en général un déficit si les stations sont à basse altitude), mais aussi d'un déficit systématique principalement dû aux effets aérodynamiques autour des pluviomètres. Sevruk (1982) estime ce dernier, pour Ie Jura, à 6 ou 7 % les mois d'été et environ le double les mois d'hiver. Le déficit de précipitation sur les crêtes, où les vents dominent, est imputable au moins en partie à ces effets. Pour le calcul des bilans, il convient donc de majorer les valeurs du tableau 1 d'environ 10 %, et de leur affecter ensuite un facteur d'erreur d'au moins ± 10 %. Nous avons appelé précipitations vraies estimées (P*) ces valeurs corrigées des précipitations et leur avons affecté une erreur de ± 12.5 %. U-VcI -----k» =Transfcrt d'eau souterraine supposé en I/s (voir tableau 5) Figure 3 : Bassins versants du système-cadre et transferts souterrains supposés. L'étude des variations temporelles des précipitations (pour l'estimation de l'évapotranspiration et du ruissellement) est basée sur les stations d'Olten (valeurs journalières et mensuelles) et dEgerkingen (régime des averses). Les précipitations à Olten (1120 mm/an) représentent 92 % des précipitations moyennes du bassin de la Dünnem 8 Bulletin d'Hydrogéologie No 18 (2000) Pasquier : Bilans hydrologiques de la nappe alluviale du Gäu (figure 3). En outre, les régimes pluviométriques à Ôlten et sur la plaine du Gau sont très semblables. 3.2 Evapotranspiration et evaporation (E, E', E") Différentes méthodes, estimations et mesures de l'évapotranspiration (E) en Suisse fournissent des valeurs comprises entre 9 et 90 % des précipitations. Les calculs de bilans de bassins versants divers permettent de resserrer cette fourchette entre 17 et 58 %, et ces calculs appliqués aux bassins versants du Jura (notamment Studiengruppe Verdunstung 1978) fournissent des valeurs comprises entre 20 et 50 % . L'estimation de l'évapotranspiration est délicate à cause des variations de l'exposition, de la couverture végétale, du type de sol, du mode de culture et de la date de récolte. La formule de PRIMAULT (1981) calcule des valeurs mensuelles qui fournissent une somme annuelle correspondant à environ 75 % de la valeur d'après TURC (1954) sur le bassin de la Dünnern (0.40 P). BURGER (1983) indique que la formule de Turc donne des résultats satisfaisants dans le Jura. D'après les études régionales des bassins de la Dünnern (Luescher 1975), de la Birse (MOTOR Columbus AG 1981) et de l'Ergolz (MATOUSEK 1985), on a admis pour le système-cadre dans son ensemble E = 0.45P (soit E = 0.41P*), et cette moyenne a été modulée par bassin selon les indications de ces études avec une erreur estimée à ± 25 % à cause des incertitudes précitées (tableau 1). L'évaporation des cours d'eau (E*) a été estimée avec un taux d'évaporation de 400 mm/an. Cela représente une quantité négligeable pour le Dünnerngäu (environ 5 1/s). En effet, selon ce taux d'évaporation, la Dünnern entre Oensingen et Olten (20 km de long sur 15 m de large) devrait évaporer 3.8 1/s et les autres cours d'eau environ 1.2 1/s. Par contre, l'évaporation (E") des eaux captées à la nappe (eaux de consommation) peut prendre une valeur significative dans le cas de nappes fortement exploitées. Pour le Gäu, la comparaison des débits pompés et des débits retournant aux STEP, dans des périodes non influencées par des averses, nous amène à fixer E" aux environs de 100 1/s, soit environ 7.5 % des précipitations sur la nappe. A l'échelle du bassin versant de la nappe, E" représente 0.025P et peut être négligé. L'évapotranspiration totale correspond alors approximativement à l'évapotranspiration des sols (E). 3.3 Ecoulement de surface (Q, R, R', W) Le débit des cours d'eau (Q) est formé par les apports externes (W), l'écoulement dû au ruissellement direct et retardé sur et dans le sol (R) et l'écoulement des exutoires des eaux souterraines (R'), auxquels on soustrait l'évaporation et l'infiltration. Le débit d'écoulement des bassins du système-cadre (sans les apports externes) figure dans Ie tableau 1. Bulletin d'Hydrogéologie No 18 (2000) 9 Pasquœr : Bilans hydrologiques de la nappe alluviale du Gäu Tableau 1 : Précipitations P et écoulement propre (Q-W) des bassins du système-cadre. Bassin versant No Surface (km2) P (mm/an) P 0/s) Q-VV (1/s) (Q-W) / P (-) E/P (-> Système-cadre 0.0 916 1131 32866 16170 0.49 0.45 Aar 1.0 173 1150 6282 3300 0.53 0.45 Dünnem 2.0 243 1196 9215 4460 0.48 0.46 Birse 3.0 324 1100 11255 5460 0.49 0.43 Ergolz 4.0 176 1100 6114 2950 0.48 0.47 Dünnem 2.0 243 1196 9215 4460 0.484 0.46 Dünnera-Gäu (y.c. cluse) 2.1 !016 1222 3933 1740 0.444 Dünnem amont Balsthal 2.2 75.0 1178 2800 1440 0.514 Augstbach 2.3 66.4 1179 2502 1280 0.511 Dünnem-Gäu (y.c. cluse) 2.1 101.6 1222 3933 1740 0.444 Gäu-plaine 2.1/Al 38.1 1225 1359 Gäu-flancs 2.1/B1-5 610 1290 2495 Cluse amont 2.I/C 2.5 990 79 BV nappe du Gäu A+B 105.2 1232 4109 Nappe A 41.1 1129 1472 Flancs B 64.1 1297 2637 Nappe du Gäu A 41.1 1129 1472 hors BV-DUnnem AO 3.0 1200 113 dans le BV-Diinnern Al 38.1 1225 1359 Flancs nappe du Gäu B 64.1 1297 2637 hors BV-Diinnera BO 3.1 1480 142 Jura Olten-Egerkingen Bl 24.5 1202 934 Jura Egerkingen-Oensingen B2 14.0 1539 681 Jura Oensingen-Oberbipp B3 9.7 1525 469 Born Olten-Härkingen B4 7.1 1030 231 Sud-est Neuendorf-Walliswil B5 5.7 1000 180 10 Bulletin d'Hydrogéologie No 18 (2000) V ' t Pasquier : Bilans hydrologiques de la nappe alluviale du GAu Tableau 2 : Débits des cours d'eau du bassin versant de la nappe du Gäu. Cours d'eau Date Débits (Vs) Référence Débit moyen (1901-1960) estimé (1/s) Somme débit (1901-1960) Dünnern (1/s) BVDUENNERN Dünnem à Balstnal 1979-1981 450-31520 Kant. A.W./SO 1437 1437 Miimliswiler et Augstbach 1979-1981 . Kant. A.W./SO 1278 2715 Dérivation Mittelgäubach 1979-1980 . Kant. A. WVSO -119 2596 Bipperkanal à Oensingen 1976-1977 17-72 Werner 1981 * 60 2656 STEP Oensingen 1977-1978 185-200 Kant. A.W7SO 185 2841 Mülbach Oberbuchsiten 1974-75, 1983 6, 50, 40 Pasquierl986 * 30 2871 Flülochbach Egerkingen 1974,1983 5,30 Pasquier 1986 * 25 2896 Drainage nappe X3+X57 1978-1982 _ Kant. A.WySO 30 2926 STEP Gunzgen 1974-1978 59-94 Kant. A.W7SO 90 3016 Cholersbach Hägendorf 1974, 1983 20-200 Pasquier 1986 * 175 3191 Drainage Bora 1983 10 Pasquier 1986 * 30 3221 Ruisseau Rickenbach 1974-75,1983 20-200 Pasquier 1986 * 100 3321 Ruisseau Wangen 1974, 1983 10-30 Pasquier 1986 * 25 3346 Ruisseau Rötzmatt 1934-1955 315-325 EAWAG 1957 319 3665 Apports inconuus+eireurs - _ Pasquier 1986 800 4465 Evaporation Dünnern . _ Pasquier 1986 -5 4460 Dünnem à Ölten 1978-1980 420-12000 SHGN 4460 4460 HORSBV DUENNERN Oberbipperbach 1976-1977 0-78 Werner 1981 * 65 Walliswilerbach 1980 . Pasquier 1986 * 15 Hardgraben Härkingen _ _ Pasquier 1986 * 5 Boningerbach 1979-1980 46 Werner 1981 * 45 * Apport des versants de la nappe, au total 575 1/s Dans le bassin de la nappe du Gäu, Ie cours d'eau le plus important est la Dünnern. En amont de Balsthal, elle constitue avec l'Augstbach et le Mümliswilerbach les apports externes, et dans la plaine du Gäu elle capte le Bipperbach de Niederbipp, le Mülbach d'Oberbuchsiten, le ruisseau d"Egerkingen, le Cholersbach d'Hägendorf et le ruisseau de Rickenbach, ainsi que les affluents des stations d'épuration d'Oensingen et de Gunzgen, et des eaux de ruissellement, de drainage et d'exfiltration de la nappe. Le tableau 2 présente l'évolution des débits le long du cours de la Dünnern, avec rapport des différents affluents. Bulletin d'Hydrogéologie No 18(2000) 11 Pasquœr : Bilans hydrologiques de la nappe alluviale du Gau Le débit de la Dünnern est bien connu à Balsthal et à Olten. Dans Ia plaine du Gäu, nous avons peu de données sur les débits des affluents de la Dünnern et sommes réduits à des estimations grossières, sauf pour le Bipperkanal et le Mittelgäubach. Ce dernier est constitué d'un réseau de canaux qui longe Ia rive droite de la plaine du Gau, alimenté lui- même en grande partie par la Dünnern (dérivation au nord-ouest d'Oensingen). Il se sépare en deux branches à Neuendorf, l'une allant vers Kappel et l'autre (le Boningerbach) dérivant une partie des eaux vers l'Aaregäu, à Härkingen. Les canaux sont équipés de trois limnigraphes qui permettent de calculer, depuis 1979, les différences de débit entre Oensingen et Kappel. Le ruissellement (R) dépend de multiples facteurs, parmi lesquels le régime des averses, la pente et la nature des terrains. Ces derniers varient fortement d'un endroit à l'autre. Compte tenu du peu de données disponibles, nous avons estimé une fourchette de valeurs mensuelles probables pour R en analysant les averses de deux mois très différents, août et décembre 1974, par la formule de IZZARD (in Chow 1964, p. 14-36) qui prend en compte l'intensité des précipitations, Ia pente et la rugosité du terrain, ainsi que la distance de ruissellement. Nous avons obtenu pour le Dünnerngäu R = 14 mm = 0.21 P pour le mois d'août 1974, et R = 43 mm = 0.36 P pour le mois de décembre de la même année. Ces résultats n'ont qu'une valeur indicative, car la définition des pentes (10 % pour Ie bassin du Dünnerngäu) et des coefficients de rugosité (0.06 pour l'herbe dense) nécessiterait une discrétisation détaillée que nous n'avons pas effectuée. En moyenne pour Ie Dünnerngäu on admettra pour R une valeur centrale de 0.32P ± 33 % pour le calcul des bilans météoriques. Dans les bassins internes au Jura, les pentes moyennes sont environ deux fois plus fortes, et les valeurs de ruissellement ont été majorées environ d'un facteur 1.5 en août et 1.2 en décembre, soit en moyenne 0.37P. Le ruissellement ainsi défini fournit environ 70 % du débit des cours d'eau présentés dans le tableau 1, Ie reste provenant des eaux souterraines (sources et exfiltrations de nappes). Dans la plaine du Gäu, la faible pente du terrain (environ 0.4 %) devrait modérer le ruissellement, alors que la densité des surfaces construites (environ 10 %) devrait avoir un effet inverse. Le premier facteur a été jugé prédominant et R a été admis à 0.16P ± 50%. Comme R vaut 0.32P pour le Dünnerngäu (versants et plaine), il s'ensuit que R(versants) = 0.42P. L'écoulement dû aux exutoires des eaux souterraines (R') est difficile à estimer. Pour le Dünnerngäu, le débit des STEP est assez bien connu (275 ± 25 Vs), mais les exfiltrations de la nappe dans la Dünnem ont dû être approximées d'après la loi de Darcy avec une grande incertitude (90 1/s, min. 40 Vs, max. 200 Vs). L'apport des sources a été jugé équivalent au débit des sources non captées sur les versants (195 ± 25 Vs). Le total a donc été estimé à 560 ± 200 Vs. Ce total correspond à une grande partie des apports inconnus du bilan longitudinal de la Dünnern (800 Vs, tableau 2). 3.4 Infiltrations (I, P1F') L'infiltration efficace des précipitations (I) est très difficile à quantifier, surtout en l'absence de données telles qu'essais lysimétriques et profils hydriques de la zone non 12 Bulletin d'Hydrogéologie No 18 (2000) PASQUEER : BILANS HYDROLOGIQUES DE LA NAPPE ALLUVIALE DU GÄU saturée. Elle ne peut pas se déduire des fluctuations piézométriques, car la nappe du Gäu est alimentée également par l'infiltration des rivières et des versants. L'infiltration efficace dépend notamment de la pente des terrains, de la nature du sol et de la zone non saturée, de la couverture végétale et des cultures, du climat et bien sûr du régime des précipitations. TROEHLER (1976) a estimé l'infiltration efficace des précipitations sur le plateau suisse entre 20 et 25 % en moyenne. Comme les données disponibles se limitaient aux précipitations, nous avons développé un modèle empirique basé sur le régime des précipitations à Egerkingen. Ce modèle prend en compte l'intensité i et de la durée d des averses, l'évapotranspiration E et l'antécédence des précipitations api; i et d déterminent un taux d'infiltration primaire f d'autant plus grand que l'averse est de plus longue durée (COLLIS-GEORGE 1977) dans un premier temps, mais qui croît jusqu'à un certain maximum puis diminue lentement si l'averse se prolonge (LAFFORGUE 1978); f est donc approximé par deux droites (f = 0.13 + 1.37{d/i) pour 0 < d/i < 0.5 et f = 0.83 - 0.03(d/i) pour d/i > 0.5). Notons que 1-f représente le ruissellement direct. L'indice d'antécédence des précipitations api tient compte de l'état d'humidité du sol avant l'averse et vaut 0.9 (1 + j), j étant le nombre de jours antécédents où P< 1mm. L'infiltration efficace peut alors être définie par I = P f api - E. Les valeurs mensuelles de f et api ont été calculées en moyennant les valeurs individuelles des averses du mois considéré. L'évapotranspiration E a été calculée d'après TURC (1954) et modulée mensuellement. Les taux d'infiltration efficace mensuels ainsi calculés sont généralement faibles en été et forts en hiver, mais ils varient en fait assez irrégulièrement entre 0 et 0.5 environ. En moyenne annuelle, Ie taux d'infiltration efficace représente environ 20 % des précipitations, ce qui conduit à une infiltration globale estimée pour la surface de la nappe du Gäu à environ 295 1/s. L'infiltration des cours d'eau (I') a été estimée principalement d'après des jaugeages longitudinaux. Werner + Partner AG & Kellerhals + Haefeli AG (1984/97) fournissent des débits d'infiltration du Bipperkanal et de la Dünnem à Oensingen, basées sur des jaugeages répétitifs. Le débit d'infiltration du Bipperkanal varie peu, de 14 à 17 1/s, par rapport au débit du canal, qui varie de 8 à 72 I/s. Le tronçon jaugé mesure 3 km, l'infiltration vaut donc environ 5 1/s-km. Les campagnes effectuées sur la Dünnem entre Oensingen et Oberbuchsiten indiquent une infiltration moyenne de 34 1/s-km en basses et moyennes eaux. Deux autres jaugeages de la Dünnern, effectués en amont et en aval d'Oensingen pour un débit moyen de 480 et 1270 1/s, fournissent un débit d'infiltration peu variable, de 49 à 52 l/skm. Plus en aval, l'estimation est malaisée car les apports à la Dünnem dans Ie Gäu sont mal connus (voir tableau 2). Une infiltration de la Dünnem existe aussi, comme le montre un essai de coloration à Wangen (Sieber-Cassina-Moser 1981) et des débits d'étiage plus importants à Balsthal qu'à Olten, soit 230 1/s le 1.10.1980. L'apport des affluents à cette date est estimé à 350 1/s environ, et le prélèvement pour Ia dérivation du Mittelgäubach à 130 1/s. L'infiltration de Ia Dünnem a donc été estimée à 450 l/s en étiage. En moyenne, le débit Bulletin d'Hydrogeologie No 18 (2000) 13 Pasquier : Bilans hydrologiques de la nappe alluviale du Gäu d'infiltration devrait être supérieur. Selon une relation étiage/état moyen analogue à celle du Bipperbach, il pourrait atteindre 6001/s, soit environ 46 1/skm calculé sur un tronçon de 13 km. Ce taux d'infiltration de la Dünnem correspond environ aux valeurs mesurées près d'Oensingen. La différence de débit du Mittelgàubach/Boningerbach entre Oensingen et Kappel varie entre 27 1/s environ en étiage et 103 1/s environ en période de hautes eaux (AWS dès 1979). En moyenne, pour trois années assez humides (1979 - 1981), elle vaut 66 1/s. Cette différence représente une valeur minimale d'infiltration, car les apports au canal, estimés à environ 40 1/s, ne sont pas pris en compte. Compte tenu des apports intermédiaires, on peut estimer à environ 1001/s (env. 12.5 1/skm) les infiltrations moyennes du Mittelgäubach. N'ayant pas de données d'infiltration des cours d'eau de la région NE (Cholersbach sur 0.5 km, Rickenbach sur 0.5 km et Gheidgraben sur 1.5 km), nous leur attribuerons un taux d'infiltration situé entre celui du Bipperkanal et celui du Mittelgäubach, soit 7 1/skm. La réinfiltration I" des eaux prélevées à Ia nappe, naturellement (sources) ou artificiellement (pompages)» est peu importante. Elle nous paraît significative surtout dans les gravières, où une partie des débits pompés se réinfiltre après usage. Ailleurs, les eaux pompées contribuent presque uniquement à l'évapotranspiration (consommation, irrigation) et au ruissellement (eaux de lavage). A défaut d'indication précise, on a admis pour I" 1/3 du débit pompé dans les gravières de Iff, Aebisholz et Portland, soit environ 15 1/s. On constate que I" joue un rôle mineur dans les bilans, et qu'on pourrait Ie négliger. 3.5 Exutoires des eaux souterraines (N, N', V) Les exutoires des eaux souterraines du système-cadre figurent dans le tableau 3. Ils sont re- présentés en grande partie par les sources en surface ou en tunnel (N') (PASQUIER 1982b), le reste étant réparti de manière sensiblement égale entre les prélèvements par pompage (N) et les exutoires souterrains (V). Les données sont en partie bien étayées (pompages, débits des tunnels, sources de plus de 100 1/min), en partie estimées très grossièrement, par comparaison avec l'un ou l'autre des bassins les mieux connus (Dünnern et Ergolz). Les débits souterrains d'un bassin à l'autre (Vl) ne sont en général pas connus, ils seront estimés schématiquement par le traitement des bilans. Seuls les exutoires aux limites du système (V2) sont indiqués dans le tableau. Ils correspondent à l'écoulement dans les alluvions de la Birse, de TErgolz et de 1* Aar à la sortie du système-cadre (figure 3). Les exutoires de la nappe du Gäu sont représentés dans le tableau 4. Les prélèvements par pompage (N) représentent 415 1/s en moyenne. Ils sont surtout concentrés dans Ie secteur 3 (captages d'Oensingen et de Niederbipp) et dans le secteur 5 (captages du Gheid pour la ville d'Olten). Les exutoires de surface (N') sont les sources et drainages d'Olten à l'extrémité est de la nappe et ceux de Walliswil à son extrémité sud-ouest, ainsi que les exfiltrations de la nappe dans la Dünnern. A Olten, un captage à drains horizontaux et un réseau de drainages collectent les exurgences de la nappe dans un canal avec déversoir (Ròtzmatt) où le débit varie entre 100 et 4801/s (Staedtische Werke Olten 1950, EAWAG 1957). Les nombreuses valeurs 14 Bulletin d'Hydrogéologìe No Ì8 (2000) Pasquœr : Bilans hydrologiques de la nappe alluviale du Gäu de débit ont été corrélées à celles du niveau de la-nappe, ce qui permet de fixer le débit moyen (235 l/s), d'étiage (environ 100 1/s) et de hautes eaux (environ 300 1/s). Plus en aval, d'anciens drainages (Schützenmatte) captent encore de l'eau de la nappe (150 1/s en hautes eaux) et l'amènent à l'Aar au voisinage de la piscine. Faute de données suffisantes, on a estimé le débit de ces derniers drainages à 1001/s en moyenne et 501/s en étiage. A Waliiswil, la partie ouest de Ia nappe s'exfiltre par une série de sources et de canaux de drainage situés plus bas que l'Aar. Ces derniers récoltent donc aussi de l'eau d'infiltration de PAar. L'ensemble des eaux collectées est relevé par une vis sans fin et déversé à l'Aar par un canal unique équipé d'un limnigraphe. Le débit brut de ce canal dépend principalement du niveau de la nappe, mais aussi de celui de l'Aar et du ruissellement en cas de précipitations, et vaut en moyenne environ 275 I/s (année hydrologique 1974-1975, CSD 1975). Le débit net (part de la nappe) a été estimé à environ 75 % du débit brut, par décomposition empirique de ce dernier au cours d'une année hydrologique (écrêtement des pics dus au ruissellement, infiltration de l'Aar proportionnelle à son niveau et calibrée grâce à la minéralisation différente des eaux de l'Aar et de la nappe). On en conclut que Ie débit net moyen (part de la nappe) est d'environ 210 1/s. Werner + Partner AG & KelLERHALS + Haefeli AG (1984/97) fournissent pour la nappe en hautes eaux une répartition comparable (débit net de 75 à 85 % du débit brut), mais une valeur moyenne du débit brut entre 1976 et 1980 nettement supérieure (385 ± 85 1/s). La Dünnern draine la nappe de manière permanente à Olten-Hammer sur un tronçon d'en- viron 300 m (débit déterminé d'après la loi de Darcy à environ 30 1/s), et de manière temporaire, en hautes eaux, entre Egerkingen et Wangen mais principalement entre Gunzgen et Kappel. Le débit a été estimé d'après Ia loi de Darcy entre 150 et 200 1/s le 8.4.1980, en hautes eaux, soit environ 60 1/s en moyenne. D'après ces estimations, le débit moyen d'exfiltration serait au total de 90 1/s. Cependant, en comparant les apports à la Dünnern entre Balsthal et Olten pour des débits similaires à Olten mais des états différents de la nappe, on a pu déduire une relation linéaire entre les apports probables par exfiltration et le niveau de la nappe. Il en résulte un débit d'exfiltration moyen estimé à 275 1/s environ (trois fois plus que l'estimation d'après la loi de Darcy), réparti en 301/s dans Ie secteur 4 et 245 1/s dans le secteur 5. En très hautes eaux seulement, deux ouvrages liés à l'autoroute drainent encore la nappe à Egerkingen pendant un à deux mois les années humides. D'après les enregistrements de 1978 à 1983, le débit moyen a été évalué à 5 1/s pour les deux ouvrages. Des exutoires souterrains de la nappe (V) sont connus à Olten, Waliiswil et Härkingen (en hautes eaux). A Olten, Ia nappe se déverse par un écoulement souterrain dans les alluvions sous l'Aar, où le potentiel est un peu plus faible que dans la rivière (0.4 à 0.6 m en moyenne). Le débit moyen d'exutoire a été estimé grossièrement d'après la loi de Darcy à environ 100 1/s. A Waliiswil, un écoulement direct de Ia nappe dans l'Aar a lieu dans Ia partie est. Il est déterminé à environ 50 1/s d'après la loi de Darcy. A Härkingen, le seuil d'Usserdorf permet Ie déversement de la nappe du Gäu vers l'Aaregäu en hautes eaux. Le débit moyen très modeste (environ 5 1/s, assez incertain d'après CSD 1980) est dû aux faibles transmissivités du seuil. Enfin, on a admis qu'il n'y a pas d'infiltration de la nappe dans le substratum calcaire, car les potentiels sont supposés plus faibles dans la nappe que Bulletin d'Hydrogéologie No 18 (2000) 15 Pasquœr : Bilans hydrologiques de la nappe alluviale du Gau dans son environnement immédiat (indices d'alimentation de la nappe par le karst, PASQUŒR 1987). Globalement, les exutoires de la nappe du Gäu sont estimés en moyenne à 1390 1/s (tableau 4), dont 69 % (960 1/s) dans le secteur 5, 19 % (266 1/s) dans le secteur 1 et le reste, essentiellement des pompages, dans les secteurs 2, 3 et 4. Tableau 3 : Exutoires des eaux souterraines du système-cadre. Bassin versant Surface km2 Sources N' 0/s) Tunnels N' 0/s) Pompages N-(1/s) Sorties aux limites V2 (Vs) Total (1/s) Aar 173 946 240 90 450 1726 1.1 16 66 7 55 200 1.2 46 440 0 25 200 1.3 114 440 233 10 50 Dünnern 243 1528 75 435 200 2238 2.1 102 989 15 415 200 2.2 75 439 0 10 0 2.3 66 100 60 10 0 Birse 324 472 58 80 150 760 Ergolz 176 467 86 68 80 701 Système 916 3413 459 673 880 5425 3.6 Débit de transît et apports souterrains (u, U) Le débit de transit (u) à travers la nappe du Gäu a été estimé par divers auteurs entre 200 et 550 1/s dans la partie centrale (FROEHUCHER 1966, Werner 1979) et entre 900 et 1100 1/s dans la partie aval (BAlJCiiNGER & SCHMASSMANN 1955, EAWAG 1957, FROEHUCHER 1963). D'après ces données, une forte alimentation survient entre Gunzgen et Olten. Nos estimations par Ia loi de Darcy à partir des cartes de transmissivité et de potentiel (figure 4a) sont beaucoup plus modestes : en hautes eaux, environ 200 1/s dans la partie centrale, 100 1/s entre Gunzgen et Kappel, 450 1/s à Wangen et 250 1/s à Olten/Gheid. En moyenne et à la limite amont des secteurs, ul = 0 (ligne de partage des eaux souterraines), u2 négligeable approximé à 0 1/s (à l'entrée du modèle au milieu de la cluse de Balsthal), u3 = 135 I/s (à la sortie de la cluse de Balsthal), u4 = 68 1/s (au rétrécissement de Kestenholz) et u5 = 86 1/s (au verrou de Gunzgen). Pour équilibrer les bilans (chapitre suivant), les valeurs de u3, u4 et u5 ont été amenées respectivement à 58 1/s, 165 1/s et 297 1/s (figure 4b). La partie centrale de la nappe paraît ainsi alimentée essentiellement par la région d'Oensingen (environ 150 1/s). La nappe perd une bonne part de son débit par exfiltration dans la Dünnern au passage de Gunzgen, pour être ensuite fortement réalimentée en amont de Wangen, probablement par le sillon de Rickenbach. Le transit dans la partie sud-ouest de la nappe (Längwald) a été évalué à 1501/s environ. 16 Bulletin d'Hydrogéologie No 18 (2000) Pasqueer : Bilans hydrologiques de la nappe alluviale du Gau Tableau 4 : Exutoires de la nappe du Gäu (débits estimés avant bilans). Secteur Lieu Pompage N (Vs) Exffltrat Dünnem N' (l/s) Sources, drains N' (Vs) Débit aux limites V (Vs) Débit de transit U (Vs) Total (Vs) 1 Graviere Iff 6.2 1 Walliswil 210 50 1 Total 6.2 0 210 50 0 266 2 Von Roll/cluse 28.5 2 Oensingen Badmatt 1.6 2 sortie cluse 135 2 Total 30.1 0 0 0 135 165 3 Niederbîpp-neu 23.5 3 Nierderbipp-Tela 6.7 3 Oensingen-Moos 36.4 3 Graviere Aebisholz 2.5 3 section Kestenholz 68 3 Total 69.1 0 0 0 68 137 4 Oberbuchsiten 4.5 4 Niederbuchsiten 7.0 4 Neuendorf 3.9 4 Egerkingen 4.5 4 Härkingen 4.3 4 X3+X57 autoroute 5.0 4 Gunzgen 30 4 Härkingen 5 4 section Gunzgen 86 4 Total 29.2 30 0 5 86 150 5 Kappel 44.2 5 Wangen 31.7 5 Olten-Gheid 158.5 5 Olten-Portland 36.5 5 Olten-Hunziker 8.9 5 O lten-Strand bad 0.4 5 Dünnem-Kappel 155 5 Dünnem-Ölten 90 5 Olten-Rötzmatt 235 5 Olten-Schiitzenmatt 100 5 alluvions Aar-Olten 100 5 Total 280.2 245 335 100 - 960 1-5 TOTAL 414.8 275 545 155 - 1390 Bulletin d'Hydrogéologie No 18 (2000) 17 Pasquier : Beans hydrologiques de la nappe alluviale du Gau Les apports souterrains (U) à la nappe du Gäu par les versants et Ie substratum ne sont pas directement observables. Ils ont été postulés sur la base du chimisme et des fluctuations piézométriques (PASQUIER 1987), principalement dans Ia partie aval de la nappe et dans Ia région d'Oensingen. De plus, une simulation rudimentaire des écoulements souterrains dans le système-cadre (PASQUIER 1980) indique un apport approximatif de 4001/s. 4. Résultats (équilibrage des bilans) Sauf mention contraire, toutes les quantifications sont exprimées en 1/s et se rapportent à la moyenne à long terme 1901-1960. Les conditions hydrauliques de l'année 1980 et le niveau piézométrique du 1.10.1980 correspondent à peu près à cette moyenne à long terme. 4.1 Bilan des eaux souterraines de la nappe du Gäu Les exutoires de la nappe du Gäu sont les pompages (N), les exutoires naturels en surface (N') et souterrains (V) de Walliswil, de Gunzgen-Kappel et d'Olten (indices w, g et o, respectivement). Ils ont été estimés au chapitre précédent (tableau 4). Les fourchettes d'incertitude ont été définies empiriquement suivant la qualité des données (5 à 20 % pour N et 10 à 100% pour N* et V). On a ainsi obtenu pour la nappe du Gäu, en moyenne (1/s) : N = 415 (±20) N'w = 210 (±20), N'o = 335 (± 50) et N'g = 275 (± 85), d'où N' = 820 (± 155) Vw = 50 (± 30), Vo = 100 (± 60) et Vg = 5 (± 5), d'où V = 155 (± 95) Z = N + N' + V = 1390 ± 280 (3.1) Les alimentations proviennent de l'infiltration des précipitations (I), de celle des cours d'eau (L), de celle des exutoires artificiels et naturels de Ia nappe (I") et des apports par les versants ou le substratum (U). Selon les estimations du chapitre 3, I correspond à 0.2P ± 50% sur l'aire de la nappe. V vaut 15 ± 5 1/s pour le Walliswiler-Oberbipperbach, 15 ± 5 1/s pour le Bipperkanal, 600 ± 200 1/s pour la Dünnern, 100 ± 3 1/s pour le Mittelgäubach, et 20 ± 10 1/s pour les affluents de la zone nord-est (Cholersbach, Rickenbach, Gheidgraben). I" est défini à 15 1/s ± 75 %, et U correspond à 0.15P des versants ± 75 %. On a donc en moyenne (en 1/s) : I = 295 (±150) I'= 750 (±250) I" = 15 (±10) U = 400 (±300) A = I + r + I" + U = 1460 (±710) (2.1) Au bilan, les alimentations doivent être égales aux exutoires (régime permanent). La valeur centrale et la fourchette de compatibilité des équations 2 et 3 sont : A = Z= 1420 (±250) (1.1) 18 Bulletin d'Hydrogeologie No 18 (2000) Pasquœr : Bilans hydrologiques de la nappe alluviale du Gau Pour satisfaire à l'équation 1.1, il faut réduire légèrement les paramètres de l'équation 2.1, et augmenter ceux de l'équation 3.1. L'importance relative des paramètres d'alimentation peut se contrôler par Ie bilan des eaux de surface (pour T), le bilan météorique (pour I), et le bilans des transferts souterrains (pour U). L'augmentation des paramètres d'exutoire (+ 301/s) sera effectuée à part égale sur les moins bien connus d'entre eux (N' et V). 4.2 Bilan météorique de la nappe du Gau Il a pour but le contrôle de l'infiltration I au moyen de l'équation 4. Les précipitations vraies P* au-dessus de Ia nappe du Gäu (41 km2) ont été estimées à 1.08P ±12.5 % (P représentant la moyenne à long terme 1901-1960), l'évapotranspiration E à 0.412P ±25 % et le ruissellement R à 0.16P ±50 %. On obtient ainsi pour Ia surface de la nappe du Gau : P*(1590 ± 200) - E(680 ± 170) - R(235 ± 120) = 1(675 ± 490) (4.1) L'équation 4.1 fournit une valeur de I compatible avec celle de l'équation 2.1, mais définie par une plus large fourchette (185 < I < 1165). Elle ne permet donc pas de resserrer la valeur de I. Cependant, la valeur centrale de I dans l'équation 4.1 est supérieure à la valeur maximale de I dans l'équation 2.1. On choisira donc cette dernière valeur (I = 445) comme représentative de l'infiltration efficace des précipitations. En effet» la méthode adoptée pour obtenir une valeur à probabilité maximale consiste à rester dans la fourchette admise par l'estimation directe, tout en tirant au maximum la valeur vers la valeur centrale obtenue par les bilans. La fourchette d'erreur de la nouvelle valeur est alors en principe définie par la distance à la borne la plus proche de l'estimation directe (± 0 si la nouvelle valeur correspond à une borne de l'estimation directe). En réalité, on admettra une erreur minimale de ± 10 %. 43 Bilan des eaux de surface de la nappe du Gäu et de ses versants II a pour but Ie contrôle de l'infiltration des cours d'eau I' au moyen de l'équation 5, basée sur le débit des cours d'eau à l'entrée et à la sortie du bassin. Comme on ne connaît pas suffisamment le débit des cours d'eau issus des versants de la nappe (voir tableau 2, "apports inconnus + erreurs"), il faut englober ces demiers dans le bilan. W représente les apports de surface aux limites du système considéré. Pour la surface de Ia nappe et son bassin versant (surface 107.6 km2), c'est le débit de la Dünnem à la cluse de Balsthal (erreur admise de ± 5 %). Le ruissellement direct et retardé R a été estimé à 0.32P ± 33%, !'evaporation des cours d'eau E* à 5 I/s ± 33 %. Le débit des cours d'eau Q est le débit de Ia Dünnem à Olten (4460 1/s ± 5 %) et des cours d'eau qui sortent du bassin de la Dünnem, à Walliswil et à Gunzgen (130 1/s ± 10%). L'écoulement dû aux exutoires de la nappe R' comprend les exfiltrations dans la Dünnem et Ie déversoir de Rötzmatt à Olten (510 ± 150 1/s), la part (85 %) du débit des STEP issu des captages de nappe et des sources (235 ± 25 1/s), et enfin le débit des sources non captées sur les versants (195 ± 25 1/s). On obtient ainsi le bilan des eaux de surface suivant : W(2715±140) + R(1315±440) - E'(5±2) - Q(4590±236) + R'(935±150) = I'(370±1018) (5.1) Bulletin d'Hydrogéologie No 18 (2000) 19 Pasquier : Bilans hydrologiques de la nappe alluviale du Gäu On voit que I' peut être compris entre 0 et 1388 1/s. La valeur centrale pour la nappe et ses versants (370 1/s) est inférieure à la valeur minimale de I" dans l'équation 2.1 pour la surface de la nappe seulement (Fmin = 500 1/s). On choisira donc Y = 500 1/s comme valeur représentative de l'infiltration des cours d'eau sur la surface de la nappe. L'estimation première de l'infiltration de la Dünnem (6001/s) paraît donc trop grande. 4.4 Bilan des transferts souterrains La cohérence des circulations souterraines entre les différents bassins versants du système-cadre a été contrôlée par un bilan d'ensemble, fournissant des ordres de grandeur des eaux infiltrées dans le sous-sol (ZI)1 des exutoires internes aux bassins (SN) et des exportations d'un bassin vers l'autre (Vl) et à l'extérieur du système (V2). EI est connu par le bilan des eaux météoriques (P - E - Q = SI, autre expression de l'équation 4) et SN est connu par inventaire (tableau 3). Dès lors, l'équation 6 (SN - SI =: U - V) fournit le solde des transferts. Les bilans ne permettent de connaître que le solde des transferts (U - V). Ce solde (tableau 5) montre un déficit des infiltrations par rapport aux exutoires (SN - SI > 0; zone d'exutoire) dans les bassins de l'Aar et de la Dünnern, et l'inverse dans les bassins de la Birse et de l'Ergolz (zone d'alimentation). Le déficit est équilibré par les transferts, qui se font de manière plausible du Jura vers l'Aar et d'WNW vers FESE (figure 3). Pour définir U ou V, il faut supposer l'un pour trouver l'autre. On a donc admis qu'il n'y a pas d'apport externe au système, ni d'apport au bassin de la Birse situé en zone d'alimentation (U = 0). ) En raison de la direction générale d'écoulement, on a supposé un léger apport au bassin de FErgolz (U = 60 l/s), une exportation du bassin de F Aar vers celui de la Dünnern dans la première chaîne du Jura (Vl = 240 1/s) et une exportation du bassin de la Dünnern vers celui de l'Aar (Vl = 535 1/s, dont 235 1/s sont connus à travers la nappe du Gäu). Les exportations à l'extérieur du système (V2) ont été estimées par ailleurs (tableau 3). On en a déduit les transferts des bassins de la Birse et de FErgolz (Vl) vers ceux de la Dünnem et de F Aar (U). Sur la figure 3, on a imaginé une répartition de ces transferts compatible avec le tableau 5 et tenant compte des transferts connus ou supposés (PASQUIER 1980). Selon ce schéma, Ie bassin de la Dünnern reçoit 1101 1/s des bassins voisins et en restitue 535 1/s vers celui de l'Aar et 200 à la limite du système. Les apports transitent par la première chaîne du Jura (versants de la nappe du Gäu). En ce qui concerne les versants de Ia nappe du Gäu, il s'agit de contrôler s'ils peuvent assurer l'alimentation de la nappe du Gäu et les exportations postulées plus haut. Le bilan météorique des versants fournit une première estimation de l'infiltration. Les précipitations vraies P* sont évaluées à 1.1 Pi 12.5 %, l'évapotranspiration E à 0.46P ± 25 % et le ruissellement R à 0.42P ± 35 % (0.32P pour les versants et la plaine et 0.16P pour la plaine). 20 Bulletin d'Hydrogéologie No 18 (2000) Pasquïer : Bilans hydrologiques de la nappe alluviale du GAu Tableau 5 : Bilan du système-cadre (en Us). Bassin versant No Surface (km2) P* (1.1P) (1/s) E Q SI ZN SN-XI V2 Vl TJ bilan météorique transferts Système 0.0 916 36130 14782 16170 5178 4298 -880 880 _ 0 Aar 1.0 173 6910 2829 3300 781 1276 495 450 240 1185 Dünnem 2.0 243 10115 4230 4460 1425 1791 366 200 535 1101 Birse 3.0 324 12380 4850 5460 2070 610 -1460 150 1310 0 Ergolz 4.0 176 6725 2873 2950 902 621 -281 80 261 60 P, Q et E d'après le tableau 1; SN et V2 d'après le tableau 3 SI comprend toutes les infiltrations (= P* - E - Q) SN comprend tous les exutoires d'eau souterraine à l'intérieur du système Les hypothèses de transfert (U, Vl) sont en italique fin et les résultats de ces hypothèses en italique gras On obtient (en Vs) : P*(2900 ± 360) - E(1213 ± 300) - R(1107 ± 390) = 1(580 ± 1050) (4.2) L'infiltration peut être comprise entre 0 et 1630 1/s. Si l'on utilise l'autre expression de l'équation 4 avec Q tiré du tableau 2 (± 25 %), on obtient, en 1/s : P*(2900 ± 360) - E(1213 ± 300) - Q(445 ± 140) = ZI (1112 ± 800) (4.3) ZI peut être compris entre 312 et 1912 1/s, et est composé de I, F et I". I" peut être négligé. La comparaison des équations 4.2 et 4.3 indique que V vaut environ 300 1/s. En introduisant ZI dans l'équation 6 on obtient, en 1/s : ZI(1112 ± 800) - IN(183 ±20) + U(IlOl ± 220) = V(2030 ± 1040) (6.1) On a admis ici que tous les apports au bassin de Ia Dünnem (U) transitent par les versants de la nappe du Gäu, mais il est probable qu'une partie de ces apports alimente les grands cours d'eau en amont de Balsthal (R* estimé à environ 800 1/s). La valeur centrale de V est probablement surestimée. Les exportations V des versants sont à répartir entre l'alimentation de la nappe et l'exportation directe vers le bassin de l'Aar, estimé à environ 300 1/s. Même en prenant la valeur minimale de V (990 1/s), il reste encore 690 1/s pour l'alimentation de la nappe du Gäu. En conséquence, on considère que la valeur plausible de l'alimentation de la nappe par les versants se situe entre 400 et 700 1/s. 4.5 Bilans affinés pour la nappe du Gäu Le bilan météorique de la nappe du Gäu et le bilan des eaux de surface de la nappe et de ses versants ont permis de fixer les valeurs optimales pour l'infiltration des précipitations Bulletin d'Hydrogéologie No 18 (2000) 21 Pasquœr : Bilans hydrologiques de la nappe alluviale du Gäu (I = 445±0 1/s) et des cours d'eau (V = 500±0). Avec I" = 15±10, le bilan des eaux souterraines de la nappe permet de préciser l'apport par les versants et le substratum (U) : A (1420 ± 250) - ZI .(960 ± 10) = U (460 ± 240) (2.2) Cette valeur de U est compatible avec le bilan météorique des versants (4.2) et les transferts souterrains entre régions voisines (6.2). On choisit donc U = 4601/s comme valeur optimale de l'alimentation de la nappe par les versants. Selon l'équation 1.1, le débit des exutoires doit être augmenté de 30 Vs. On a réparti cette augmentation proportionnellement aux incertitudes, soit 5 1/s sur N'o, 10 sur N'g, 3 sur Vw, 9 sur Vo et 3 sur Vg. Les fourchettes d'erreur respectives ont été réduites d'autant. On obtient (en Vs) : N(415 ± 20) + N'w(210 ±20) + N'o(340 ± 45) + N'g(285 ± 75) + Vw(53 ± 27) + Vo(109 ± 51) + Vg(8 ± 2) = Z (1420 ± 240) (3.2) Pour la somme des alimentations et celle des exutoires, on adoptera la fourchette d'erreur globale de l'équation 3.2 (exutoires), répartie selon les différentes composantes de l'alimentation en fonction des incertitudes respectives. On obtient alors l'estimation finale des composantes de l'alimentation pour un état moyen de la nappe, soit (en 1/s) : A(1420 ± 240)= 1(445 ± 45) + I'(500 ± 50) + I"(15 ± 5) + U(460 ± 140) (2.3) L'infiltration des précipitations (I) représente donc 31 % de l'alimentation de la nappe, l'infiltration des cours d'eau (V) 35 %, la réinfiltration des eaux prélevées à la nappe (I") 1 % et l'apport par les versants et le substratum (U) 33 %. 4.6 Répartition par secteur des alimentations de la nappe Le secteur 1 (9.9 km2) est caractérisé par un apport nul sur sa limite orientale (ligne de partage des eaux souterraines), un substratum molassique, peu de cours d'eau, une zone non saturée très épaisse (> 30 m) et assez perméable (dépôts sablo-graveleux, perméabilité généralement supérieure à 10'3 m/s), ainsi qu'une couverture boisée étendue (- 50 %). En conséquence, l'infiltration des précipitations devrait être forte et celle des cours d'eau modeste. L'apport par les versants est d'ampleur inconnue à priori, il provient du flanc nord de la chaîne du Weissenstein. Le secteur 2 (0.6 km2) occupe la cluse de Balsthal. Il est traversé par la Dünnern et recoupe la première chaîne du Jura. Il possède un grand bassin versant par rapport à sa surface. L'aquifère et son toit sont faiblement perméables. Des régions externes aux versants (notamment celle du Weissenstein) alimentent la nappe par le coeur de la première chaîne. Le secteur 3 (11.9 km ) est constitué par la plaine au sud d'Oensingen, caractérisée par des sols cultivés, une épaisse zone non saturée (- 20 m) peu perméable au sommet, un substratum limoneux et molassique, sauf à l'extrémité orientale où il est en partie calcaire. Le secteur 4 (12.5 km2) est constitué par la plaine centrale du Gäu, entre Kestenholz et Gunzgen. Il est caractérisé par une grande surface de plaine par rapport à celle des versants, une assez grande densité de cours d'eau, et un substratum peu perméable. Son alimentation 22 Bulletin d'Hydrogéologie No 18 (2000) Pasquœr : Bilans hydrologiques de la nappe alluviale du Gäu sera donc essentiellement due à l'infiltration primaire I en hautes eaux, et à l'infiltration des cours d'eau I' en étiage. Le secteur 5 (6.2 km2) est constitué par l'étroite plaine de la Dünnem en aval de Gunzgen, affectée de versants calcaires très étendus en contact direct avec l'aquifère. Les cours d'eau et les versants jouent les rôles dominants pour l'alimentation de la nappe. Dans un premier temps, les alimentations ont été réparties par secteur de manière propor- tionnelle à leur surface (pour I), à la longueur des cours d'eau (pour V) et à l'étendue des versants (pour U). Par rapport aux débits de transit souterrain d'un secteur à l'autre (ul à u5), les alimentations se sont avérées nettement trop fortes dans la cluse et dans la partie centrale de la nappe (secteurs 2, 3 et 4). D'une part les transmissivités des alluvions étaient sous-estimées à la sortie de ces secteurs, d'autre part l'alimentation par les versants y était largement surestimée. Pour ajuster les bilans, on a effectué : - des corrections sur les débits de transit, ce qui implique une modification des transmissivités; u3 a passé de 135 à 58 1/s (T résultant - 4.0-10"2 m2/s), u4 de 68 à 165 1/s (T ~ 1.710"1 m2/s), et u5 de 86 à 297 Vs (T - 2.410'1 m2/s). Le facteur de correction des transmissivités vaut 0.43 dans la région de u3, 2.43 dans celle de u4 et 3.45 dans celle de u5. - des corrections sur les débits d'alimentation. L'apport par les versants (U) a été diminué dans les secteurs 2 (de 63 à 41 1/s), 3 (de 73 à 17 1/s) et 4 (de 115 à 26 1/s), et majoré dans les secteurs 1 (de 73 à 97 1/s) et 5 (de 136 à 279 1/s). L'infiltration des précipitations et des rivières a été modulée d'après l'épaisseur et la nature de la zone non saturée. Ainsi, du secteur 1 au 5, on a attribué à I une valeur de 0.4P, 0.3P, 0.2P, 0.25P, 0.4P (la moyenne pour la nappe est de 0.3P), et à I' de la Dünnern une valeur de 0 (pas de Dünnem au secteur 1), 1.071*', 0.521*', 0.751*', et 1.571*', I*' représentant l'infiltration moyenne de 25 1/s.km, soit 3501/s sur 14 km. On a ainsi obtenu les bilans sectoriels du tableau 6 pour l'état moyen de la nappe (figure 4). 4.7 Modulation pour les états d'étiage et de hautes eaux ' Afin de préparer les données d'entrée du modèle numérique de simulation des écoulements souterrains, on a modulé les alimentations moyennes pour les états d'étiage et de hautes eaux (tableau 6), en se basant sur la variation des débits d'exutoire (Z). Les fourchettes d'erreur ont été définies proportionnellement à celles de l'état moyen de la nappe : - en étiage (e), les pompages sont un peu plus importants qu'en moyenne, soit Ne = LlN, et le débit des exutoires naturels à Walliswil, Olten et Gunzgen est plus faible qu'en moyenne, soit (N'w + Vw)e = 0.5(N'w + Vw), (N'o + Vo)e = 0.575(N'o + Vo), (N'g + Vg)e = 0.1(N'g + Vg). On obtient donc les débits d'exutoire suivants (en 1/s) : Ne(456±22)+(N'w+Vw)e(132±23)+(N'o+Vo)e(258±55)+(N'g+Vg)e(30±8)= Ze(876±108) (3.3) Bulletin d'Hydrogeologie No 18 (2000) 23 Pasquier : Bilans hydrologiques de la nappe alluviale du Gäu - en hautes eaux (h), Nh = 0.9N1 (N'w+Vw)h = 1.73(N'w+Vw), (N'o+Vo)h = 1.264(N'o+Vo), (N'g+Vg)h = 2.40(N'g+Vg). On obtient donc (en Vs) : Nh(373+18)+(N'w+Vw)h(455±82)+(N'o+Vo)h(568±122)+(N'g+Vg)h(703±185)= Nh(2099±407) (3.4) L'alimentation moyenne (A) vaut 1420 1/s. Comme pour Z, Ae = 0.6A et Ah = 1.5A. En période d'étiage, I tend vers 0, U diminue sensiblement et Y et I" se maintiennent environ au niveau moyen (les tronçons d'infiltration sont plus longs mais les débits des cours d'eau sont plus faibles). Par contre, la répartition sectorielle de l'infiltration des cours d'eau (I' ) peut varier, comme d'ailleurs celle des exfiltrations (N'g). En période de hautes eaux, I* et I" devraient se maintenir environ au niveau moyen, et U et I augmenter sensiblement. Tableau 6 : Bilan des eaux souterraines de la nappe, par secteur (en Us). Secteur Surface (km2) I I» I" U u(i) A=Z u(i+l) N N* . V Etat moyen (1.10.1980) 1 9.9 152 17 2 97 0 268 0 5 210 53 2 0.6 7 40 0 41 0 88 58 30 0 0 3 11.9 84 72 4 17 58 235 165 70 0 0 4 12.5 111 180 3 26 165 485 297 30 150 8 5 6.2 91 191 6 279 297 864 - 280 475 109 2-5 31.2 293 483 13 363 - 1152 - 410 625 117 1-5 41.1 445 500 15 460 - 1420 - 415 835 170 1-5(%) - 31 35 1 33 - 100 - 29 59 12 Etiage (31.11.1976) 1 9.9 15 9 2 113 0 139 0 7 105 27 2 0.6 1 40 0 35 0 76 43 33 0 0 3 11.9 8 60 3 15 43 129 52 77 0 0 4 12.5 11 145 2 23 52 233 200 33 0 0 5 6.2 9 176 5 204 200 594 - 306 225 63 2-5 31.2 29 421 10 227 - 737 - 449 225 63 1-5 41.1 44 430 12 390 - 876 - 456 330 90 1-5(%) - 5 49 1 45 - 100 - 52 38 10 Hautes eaux (8.4.1980) I 9.9 350 25 2 83 0 460 0 5 363 92 2 0.6 16 40 0 60 0 116 89 27 0 0 3 11.9 100 85 5 25 89 304 241 63 0 0 4 12.5 183 215 4 40 241 683 360 27 277 19 5 6.2 . 180 205 7 474 360 1226 - 251 837 138 2-5 31.2 479 545 16 599 - 1639 - 368 1114 157 1-5 41.1 829 570 18 682 - 2099 - 373 1477 249 1-5(%) - 39 27 1 33 - 100 - 18 70 12 24 Bulletin d'Hydrogéologie No 18 (2000) • ve t—\ S^ .1980 Sg. S CU (état 1.10 Ol ion et d'e en de la n figure 2) yen i rei SS* 3 d'ali men un état m tableau 6 tentiel mo aires na ^S to .tS u- i= S .t: 3 3'S O X =9 •V O > CU W CU T3 CwC- m a ¦ O O JOfr<* Pasquœr : Bilans hydrologiques de la nappe alluviale du Gäu La répartition des alimentations par secteur est essentiellement fonction du rôle respectif de I et I' d'une part, de I et U d'autre part. En amont de Gunzgen, I joue un rôle majeur en hautes eaux, et Y en étiage. En aval de Gunzgen, U joue un rôle majeur en hautes eaux, et I' en étiage. On a donc modulé l'alimentation comme suit : - Ie bilan d'étiage a été défini avec Ie = 0.1 I, conformément au rapport des pluies efficaces. I' a été réduit de moitié sauf pour la Dünnem, dont les tronçons d'infiltration sont nettement plus longs en étiage. U et u ont été choisis de manière à équilibrer le bilan. Dans le secteur 1, Ue est anormalement plus grand que U. L'ajustement du modèle (PASQUiER 2000, article suivant dans ce numéro) montrera qu'il faut en déplacer une partie dans le secteur 3, vers l'est. Dans les secteurs 2, 3 et 4, U a été maintenu en dessous de sa valeur moyenne, ce qui a pour conséquence de minimiser u3, u4 et u5. Les perméabilités sont donc probablement plus fortes dans la partie supérieure de l'aquifere. Globalement, on obtient Ie = 0.11, Te = 0.86 I\ Ue = 0.85 U. L'alimentation de la nappe se répartit alors comme suit (fourchettes d'erreur proportionnelles à celles de l'état moyen) : Ae(876 ±170) = Ie(44 ±4) + Fe(430 ±43) + I"e(12 ±4) + Ue(390 ±119) (2.4) - Ie bilan de hautes eaux a été modulé suivant les principes inverses du bilan d'étiage. I a été augmenté, selon les secteurs, d'autant plus fortement que I moyen représente une plus grande part des précipitations, soit, des secteurs 1 à 5, d'un facteur 2.3, 2.3, 1.2, 1.65 et 2.3, soit en moyenne 1.86. I' a été modulé de manière inverse à Ia situation d'étiage (I'h =1.14 T), et U également (Uh = 1.48U). Les débits de transit (u) sont un peu plus faibles que prévu d'après la situation moyenne, sauf pour u4. Les alimentations se répartissent comme suit (fourchettes d'erreur proportionnelles à celles de l'état moyen) : Ah(2099 ±354) = lh(289 ±84) + I'h(570 ±57) + I"h(18 ±6) + Uh(682 ±207) (2.5) On remarquera qu'on obtient un même ordre de grandeur des erreurs calculées pour Ae et Ze d'une part (±170 et ±108), Ah et Zh d'autre part (±354 et ±407). 5. Conclusions Le travail sur les bilans a permis d'ajuster les paramètres d'alimentation de la nappe alluviale du Gau avec une certaine sécurité, car il nécessite la cohérence entre les termes des écoulements météoriques, de surface et souterrains. Cette cohérence a été recherchée non seulement pour lasurface de la nappe et son bassin-versant, mais aussi, au moins pour les ordres de grandeur, pour les bassins voisins jusqu'aux grands exutoires régionaux (Aar, Birse, Ergolz, tunnels de base du Hauenstein et de Granges). Les résultats ont révélé des transferts probables d'eau souterraine des régions internes du Jura (aires de recharge : Birse, Ergolz) vers les régions bordières (aires d'exutoire : Dünnern, Aar) où se situe la nappe. En moyenne, l'alimentation de la nappe est fournie pour 31 % par l'infiltration des précipitations, pour 36 % par l'infiltration des cours d'eau, et 26 Bulletin d'Hydrogeologie No 18 (2000) PASQUIER : Bilans hydrologiques de la nappe alluviale du Gau pour 33 % par les apports souterrains à partir des versants et du substratum. Ces proportions varient localement. La nappe alluviale du Gäu a été subdivisée en secteurs pour l'étude des variations locales des termes de l'alimentation. Ce travail sur les bilans sectoriels de la nappe nous a amenés à admettre : - une augmentation des transmissivités dans la plaine (-facteur 3) et une diminution dans Ia cluse (~ facteur 2); - un écoulement longitudinal des eaux souterraines dans la première chaîne du Jura, d'Oensingen vers la zone de Kapppel-Wangen, et du Weissenstein vers la région d'Oberbipp; - une nette influence de la nature lithologique et de l'épaisseur de la zone non saturée sur les infiltrations, qui doivent être modulées régionalement (de 0.5 à 1.6 fois la valeur moyenne). Enfin, le bilan des alimentations et des exutoires pour l'état moyen de la nappe a été modulé pour les états d'étiage et de hautes eaux. Dans la partie centrale delà nappe, l'alimentation est fournie en majorité par l'infiltration des précipitations (I) en hautes eaux, et par celle des cours d'eau (I') en étiage. Dans Ia partie avaï de la nappe, l'apport par les versants (U) et l'infiltration des cours d'eau (I') jouent un rôle majeur pour tout état hydrologique, mais Ie premier est prépondérant en hautes eaux et la seconde en étiage. Les bilans du tableau 6 ne sont sans doute pas exacts, mais ils sont suffisamment détaillés pour permettre un bon calibrage du modèle de simulation numérique de la nappe alluviale du Gau. Remerciements Je tiens à remercier le Prof. P. Perrochet et Ie Dr. M. Bouzelboudjen du Centre d'hydrogéologie de l'Université de Neuchâtel pour leurs critiques constructives lors de la relecture de cet article. Celui-ci résume une partie importante de ma thèse de doctorat déposée en 1986, et à ce titre je remercie chaleureusement pour leur soutien et leurs conseils Messieurs A. Burger (directeur de thèse), H, Schmassmann, L. Kiraly, F. Zwahlen (membres du jury) et I. Müller. Les données et résultats présentés dans cet article ont été obtenus grâce à la collaboration de nombreux bureaux privés et institutions publiques, principalement l'Office de l'Economie Hydraulique et Energétique du canton de Beme, le "Kantonales Amt für Wasserwirtschaft" du canton de Soleure et la Ville d'Olten. Références AWS, Amt für Wasserwirtschaft Solothum dès 1979. Hydrographisches Jahrbuch des Kantons Solothum. Baldinger F. & Schmassmann H. 1955. Gutachten über den Einfluss einer Kies- und Sand- gewinnung bei der Mühle in Rickenbach (Kanton Solothum) auf die Grundwassemutzung im Dünnemtal. Expertenbericht an das schweizerische Bundesgericht, non publié. Bulletin dHydrogeologie No 18 (2000) 27 Pasquœr : Bilans hydrologiques de la nappe alluviale du Gäu Burger A. 1983. Prospection et captage des eaux souterraines des roches carbonatées du Jura. Gaz- Eaux-Eaux usées, 9:533-583. Chow Ven Te 1964. Handbook of applied Hydrology, Mc Graw-Hill. Collis-George N. 1977. Infiltration equations for simple soil systems. Water Res. Research 13, 2 : 395-403. CSD Colombi-Schmutz-Dorthe AG 1975. Trinkwasserversorgung KKW-Graben, Hydrogeolo- gischer Bericht über den Pumpversuch. Bericht z.H. Bemische Kraftwerke AG vom 20.12.1975, non publié. CSD Colombi-Schmutz-Dorthe AG 1980. Rekultivierungskonzept Kiesgruben Aaregäu, Hydro- geologisches Gutachten. Bericht BE 1261 vom 29.7.1980 an das Kant. Amt für Wasserwirtschaft, Solothum, non publié. EAWAG 1957. Bericht über die Grundwasseruntersuchungen im Gheid. Bericht No 1725 an der Wasserversorgung, Ölten, non publié. Froehlicher H. 1963. Erweiterung der Wasserversorgung Hägendorf, Sondierungen und Pumpversuch in Kappel 1963. Kant. Amt für Wasserwirtschaft, Solothum, non publié. Froehlicher H. 1966. Das Grundwasservorkommen im Dünnerngäu und die Möglichkeiten seiner Nutzung. Kant. Amt für Wasserwirtschaft, Solothum, non publié. Lafforgue A. 1978. Détermination des variations de la capacité d'absorption d'un sol en place sans averses simulées. Bull, des Sciences Hydrologiques, 23, 3, 9. LUESCHER P. 1975. Beiträge zur Hydrographie, Hydrometeorologie und Hydrologie des Dünnerntais (Solothurner Jura). Diss. Univ. Bern. Matousek F. 1985. Hydrogeologie der Vorderen Frenke. Diss. ETH Zurich. Motor Columbus Ingenieurunternehmung AG 1981. Grundlagen fur Schutz und Bewirtschaftung der Grundwasser des Kantons Bern, Hydrogeologie Laufental (Schlussbericht). Bern (WEA). Pasquœr F. 1980. Ajustement par modèle mathématique d'un système hydrogéologique dans le Jura. Rapport inédit, déposé au Centre d'hydrogéologie de l'Université de Neuchâtel, non publié. Pasquœr F. 1982a. Fluctuations chimiques et alimentation de la nappe alluviale du Gäu soleurois. Bull, du Centre d'hydrogéologie de Neuchâtel, 4 : 103-144. Pasquœr F. 1982b. Inventaire des sources les plus importantes du Jura nord-ouest (entre Granges, Ölten, Liestal et Delémont). Bull, du Centre d'hydrogéologie de Neuchâtel, 4 : 259-270. Pasquœr F. 1986. Hydrodynamique de la nappe du Gäu (cantons de Soleure et Berne). Thèse de doctorat, Univ. Neuchâtel. Pasquier F. 1987. Indices de l'alimentation de la nappe alluviale du Gäu (SO/BE) par le karst. Bull. du Centre d'hydrogéologie de Neuchâtel, 7 : 327-334. Pasquœr F. 2000. Calibrage d'un modèle d'écoulement des eaux souterraines (nappe alluviale du Gäu, cantons de Berne et Soleure, Suisse). Bull. d'Hydrogéologie, ce volume. Primault B. 1981. Extension de la validité de la formule suisse de calcul de l'évapotranspiration. Rapports de travail de l'Institut Suisse de Météorologie, 103. 28 Bulletin d'Hydrogéologie No 18 (2000) Pasquœr : Bilans hydrologiques de la nappe alluviale du Gau Schuepp M., Bouet M., Bider M, & Urfer C. 1978, !Climatologie der Schweiz, Band II : Regionale Ki imabe Schreibungen, 1. Teil : Gesamtübersicht, Westschweiz, Wallis, Jura und Juranordfuss sowie Mittelland. Schweiz. Meteor. Zentralanstalt, Zurich. Sevruk B. 1982. Regionalization of the systematic error in Swiss summer precipitation measurements for hydrological purposes. Proc. Symp. Hydrolog. Basins, Sondertr. Landes- hydrologie, Bern, 1982. SHGN, Service hydrologique et géologique national. Annuaire hydrologique de la Suisse. Dép. féd. de l'Intérieur. Sdeber-Cassina-Moser 1981. Infiltrationsverhältaisse im Dünnern-Abschnitt Rickenbach Wangen. Bericht SO 104 an die Bürgergemeinde Wangen bei Ölten, non publié. Staedtische Werke Ölten. Messdaten des Grundwassers im Gheid, Daten ab 1950. Studiengruppe "Verdunstung" Der SNG 1978. Die Verdunstung in der Schweiz, Beitr. zur Geol. der Schweiz, Hydrologie, 25. TROEHLER B. 1976. Zur Grösse der Grundwassemeubildung durch Niederschläge in Talebenen des schweizerischen Mittellandes. Gas Wasser Abwasser, 56. Jg., No 7. TURC L. 1954. Le bilan d'eau des sols : relations entre les précipitations, !'evaporation et l'écoulement. Troisième journée d'hydrogéologie, Alger : 36-43. Uttinger H. 1965. Niederschlagskarte 1:500000. Beiheft Ann. Schweiz, meteorol. Zentralanstalt (Jg 1964), Zürich. Werner-Studœnburo 1981. Hydrographische Jahrestabellen 1976-1980. Wasser- und Energie- wirtschafts-amt des Kantons Bern, non publié. Werner + Partner AG & Kellerhals + Haefeu AG 1984/97. Hydrogeologie Bipperamt, Grundlagen für Schutz und Bewirtschaftung der Grundwasser des Kantons Bern. Schlussbericht, Wasser- und Energiewirtschafts-amt des Kantons Bern, non publié. Bulletin d'Hydrogeologie No 18 (2000) 29 Bulletin d'Hydrogéologie No 18 (2000): 31-48 Centre d'Hydrogeologie, Université de Neuchâtel Editions Peter Lang Calibrage d'un modèle d'écoulement des eaux souterraines de la nappe alluviale du Gäu (cantons de Berne et Soleure, Suisse) par François Pasquier * RESUME Les étapes du calibrage d'un modèle tridimensionnel à éléments finis en régime permanent de la nappe alluviale du Gäu, entre Walliswil et Olten (cantons de Berne et Soleure, Suisse), sont décrites pour les états d'étiage et de hautes eaux. Le calibrage se fonde sur l'étude de la structure et des caractéristiques de l'aquifère et sur la définition du champ des alimentations au moyen de bilans hydrologiques détaillés. En particulier, il se base sur le respect des débits aux exutoires et des débits de transit d'un secteur à l'autre de la nappe étudiés au préalable. Les résultats montrent que Ia répartition des alimentations joue un rôle prédominant, par rapport à celle des transmissivîtes, pour la restitution correcte, au niveau régional et local, des potentiels et des débits de cette nappe complexe (un exutoire majeur à chaque extrémité de la nappe, importants débits d'exfiltration en hautes eaux). La. simulation de deux états contrastés de la nappe permet d'approcher en partie la répartition verticale des caractéristiques de l'aquifère et le comportement saisonnier des alimentations. MOTS-CLES Modèle numérique, pied du Jura, alluvions, bilan des eaux souterraines, régime permanent, étiage, hautes eaux ABSTRACT The calibration phases of a 2-D finite element model for permanent flow of the Gäu alluvial aquifer between Walliswil and Olten (cantons of Berne and Solothum, Switzerland) are described for low and high water periods. The calibration is based on the structure and characteristics of the aquifer as well as on the recharge field defined by detailed hydrologie balances. The reproduction of the flow rates at the different discharge points and from one aquifer section to the other is a main criterion for calibration. The results show that the recharge distribution, at regional as well as at local scale, is a more sensitive input than transmissi vity distribution for the correct restitution of the potential and flow fields of this complex aquifer (one main discharge area at each end of the aquifer, important discharge in the river during high water periods). The simulation of two contrasted hydrologie conditions allows to approach the vertical distribution of the aquifer characteristics and the seasonal behaviour of the recharge components. * Hydrogéologue-conseil, St-Gervais 31, CH-2108 Cou vet Pasquœr : Calibrage d'un modele d'écoulement des eaux souterraines Keywords Numerical model, Jura, alluvial deposits, groundwater balance, permanent state, low water, high water 1. Introduction Le calibrage d'un modèle numérique bidimensionnel d'écoulement des eaux souterraines de Ia nappe alluviale du Gäu a été réalisé en régime permanent pour deux états hydrologiques différents, en étiage et en hautes eaux. Le présent article résume cette partie de la thèse de l'auteur (PASQUKR 1986), qui a bénéficié des connaissances antérieures sur la nappe du Gäu (EAWAG 1957, FROEHUCHER 1966, WERNER 1979). Des articles précédents (PasQUŒR 1982, 1987), basés sur les caractéristiques chimiques de l'eau souterraine et les fluctuations piézométriques, ont mis en lumière le rôle joué par les versants et le substratum calcaires dans l'alimentation de Ia nappe. Un premier article de ce volume (PASQUŒR 2000), traite de l'élaboration des bilans hydrologiques permettant de définir Ie champ des alimentations de la nappe pour des états moyen, d'étiage et de hautes eaux utilisés dans le calibrage du modèle. 2. Méthodologie Nous avons simulé la nappe du Gäu par un modèle numérique à éléments finis bidimensionnel plan (FEM 200, KJRALY 1978), en régime permanent et pour deux états hydrologiques différents, en étiage et en hautes eaux. Une simplification supplémentaire a consisté à considérer que la transmissivité est isotrope. L'équation générale qui décrit les écoulements laminaires dans une nappe bidimensionnelle en régime permanent est : div(TgradO) + q = 0 (1) où T = KD = transmissivité (m2/s) K = perméabilité (m/s) D = épaisseur de l'aquifere, zone saturée (m) O = potentiel hydraulique correspondant au niveau H (ms.m.) d'une nappe libre bidimensionnelle q = densité de source (m3/sm2), alimentation (q positif) ou prélèvement (q négatif) div, grad = opérateur différentiel La région d'écoulement est subdivisée en éléments quadratiques caractérisés par une géométrie (figure 1), une transmissivité et une alimentation distribuée. 32 Bulletin d'Hydrogeologie No 18 (2000) ppe) CS ^^ V-. C .H 3 U t< U Ui w (J O U Ui "5 O U > ¦o *~^ U U C U O IUII '5b O MD hJ W oi ^ r-, £ 3 ¦3 a ¦3 -Si a I C -2 « 3 _¦•-. CO 3 Pasquder : Calibrage d'un modele d'écoulement des eaux souterraines Des débits ou des potentiels sont imposés aux limites et à certains nœuds à l'intérieur du modèle (pompages, contact avec la rivière). Le modèle calcule le débit Q aux nœuds où le potentiel H est imposé (nœuds à niveau constant, en général aux exutoires de la nappe), et il calcule le potentiel aux nœuds où le débit est imposé (nœuds à débit constant, positif en cas d'injection, négatif en cas de soutirage, et nul par défaut sur la très grande majorité des nœuds du modèle). En bordure du modèle, nous avons introduit des éléments unidimensionnels pour faciliter l'imposition de l'alimentation distribuée provenant des versants du Gäu. La limite du modèle le long de l'Aar (régions A et Z de la figure 1) ne contient pas d'élément unidimensionnel. Enfin, l'infiltration des cours d'eau (principalement la Dünnem) a été simulée par une alimentation distribuée sur la surface et non sur la longueur, car la zone non saturée est généralement très épaisse (10 à 30 m), souvent limoneuse près de la surface, et ainsi génératrice de dispersion des infiltrations. 3. Caractéristiques de l'aquifère Les caractéristiques physiques de l'aquifère ont été étudiées à partir des profils de forage, de pompages d'essai et de mesures géophysiques (méthode radio-magnétotellurique RMT, TURBERG & Mueller 1997). La variabilité latérale et verticale de la perméabilité est illustrée par des profils hydrogéologiques, dans les parties centrale et aval de l'aquifère (figure 2). Sur de tels profils, la transmissivité a été subdivisée selon la lithologie en cinq classes alluviales possédant chacune une perméabilité typique. On peut donc y déduire directement Ia transmissivité de n'importe quel endroit. Neufs profils calibrés par des valeurs de perméabilité (profil BB' de la figure 2), ainsi que 34 profils qualitatifs tirés de la géophysique (profil AA' de la figure 2), ont été utilisés pour établir la carte des transmissivités de l'aquifère (figure 4). En moyenne, les niveaux très perméables (graviers sableux et graviers propres, K > 10' m/s) occupent 20 à 25 % de l'épaisseur de l'aquifère et représentent environ 90 % de la transmissivité. Ces niveaux sont plus fréquents dans la partie supérieure de l'aquifère, ce qui lui confère en hautes eaux une transmissivité par endroits très grande. La perméabilité moyenne est assez semblable dans le domaine des moraines remaniées (partie occidentale de la nappe, secteur 1) et dans celui des alluvions purement fluviatiles. Elle est plus faible dans les régions influencées par les cônes de déjection jurassiens (C, H, K, O, Q, W sur la figure 1) et dans celles à dominante morainique (B, F). Les plus grandes épaisseurs de gravier (régions D, E, G, J) se situent pourtant juste en aval du front de la moraine terminale wurmienne, dans la zone de partage des eaux souterraines. A l'est de Gunzgen (secteur 5), la part des limons diminue et celle des sables graveleux augmente. Le substratum de l'aquifère est constitué essentiellement de calcaires en aval de Gunzgen, de molasse entre Walliswil et Niederbipp, et de limons recouvrant la molasse entre Oensingen et Gunzgen. En dehors de la partie orientale, les calcaires sont encore, par endroits, en contact avec les graviers de l'aquifère entre Oensingen et Kestenholz (d'après la géophysique). 34 Bulletin d'Hydrogeologie No 18 (2000) Pasquœr : Calibrage d'un modele d'écoulement des eaux souterraines Figure 2 : Profils hydrogéologiques de la nappe alluviale du Gäu. 4. Caractéristiques hydrauliques de la nappe Les fluctuations piézométriques de quelques puits situés d'amont en aval de la nappe sont présentées sur la figure 3. Ces fluctuations permettent de distinguer les zones où l'alimentation de la nappe est rapide et irrégulière (apports par le substratum karstique et la Dünnern) et les zones où l'alimentation est plus régulière et retardée. L'inertie des ondes de recharge est inversement proportionnelle au taux de contact entre les graviers de l'aquifère et les calcaires du substratum ou la Dünnern. Elle croît de Ia région centrale de l'aquifère vers la région plus amont d'Oensingen et atteint son maximum dans la région SW, au Längwald, où la zone non saturée est très épaisse et recouverte de moraine. Bulletin d'Hydrogéologie No 18 (2000) 35 Pasquœr : Calibrage d'un modele d'écoulement des eaux souterraines Le champ des potentiels en étiage et en hautes eaux (figure 6) montre deux systèmes d'écoulement. L'un occupe la partie SW de l'aquifère et s'écoule vers l'Aar d'Oberbipp à Walliswil, avec un gradient de 0.25 %o dans la zone amont et d'environ 10 %o dans la zone aval. L'autre, le système d'écoulement principal, s'écoule vers l'Aar d'Oensingen à OIten, avec un gradient de 0.25 %o dans la région d'Oensingen, et d'environ 5 et 6 %c dans les régions centrale et aval. Entre deux, dans la région de Niederbipp, se trouve la zone de partage des eaux souterraines. Selon l'état hydrologique, la ligne de partage se déplace d'environ 500 m vers le NE (étiage) ou vers le SW (hautes eaux). En hautes eaux, deux exutoires temporaires s'ajoutent aux exutoires permanents. La nappe est d'une part drainée par la Dünnern entre Gunzgen et Kappel, d'autre part elle se déverse dans la nappe de l'Aaregäu au seuil de Gunzgen. N° Potentiel J (m s.m.) 461 100 mm Précipitations mens. Olien 1= Oensingeii Badmatt, 2= Oensingen Moos, 3= Oberbuchsiteii, 3= Kappel, 5= Gheid/Olten Figure 3 : Fluctuations piézométriques de la nappe du Gau. Le champ des alimentations (figure 5) a été décrit dans un précédent article de ce volume (PASQUŒR 2000). En moyenne, l'alimentation de la nappe est fournie pour 31 % par l'infiltration des précipitations, 36 % par celle des cours d'eau, et 33 % par les apports souterrains à partir des versants et du substratum. Ces proportions varient localement. Le tableau 1 fournit pour un état moyen de la nappe les valeurs d'alimentation par secteur et par type. Le débit moyen à l'exutoire de Walliswil vaut environ 260 1/s. Le débit des exutoires d'Olten vaut en moyenne environ 435 1/s, et celui des soutirages par pompage 410 I/s, en grande partie dans le secteur 5. Les débits de transit dans la nappe sont assez faibles, environ 60 1/s à la sortie de la cluse de Balsthal, 165 I/s à Kestenholz et 300 1/s à Gunzgen. L'alimentation le long de la nappe fournit le complément des débits de soutirage et d'exutoire. Elle croît constamment vers l'aval, où le contact entre les calcaires du MaIm et les graviers de l'aquifère se généralise. 36 Bulletin d'Hydrogéologie No 18 (2000) Pasquœr : Calibrage d'un modele d'écoulement des eaux souterraines 5. Choix des situations simulées Nous avons choisi comme situation d'étiage celle du 30 novembre 1976, survenant à la suite de près de deux ans sans recharge importante. Le niveau de la nappe se trouvait alors environ 0.45 m plus haut que lors de l'étiage le plus prononcé de Ia décennie, en automne 1972 (AWS 1982). Pour l'ensemble de la nappe, la situation d'étiage ne correspond pas vraiment à un régime permanent, mais à un régime où les alimentations ont eu le temps de se stabiliser à un très faible niveau. Le choix de la situation en hautes eaux était plus délicat, car les recharges de la nappe ont un caractère éminemment transitoire, et les niveaux maxima ne sont pas synchrones d'un endroit à l'autre de la nappe (voir figure 3). Nous avons choisi la situation du 8 avril 1980, qui fait suite à une période de recharge soutenue pendant cinq mois (dès novembre 1979), à la suite de trois années humides (1977 à 1979). A cette date, les niveaux de crue dans la partie occidentale de la nappe sont atteints depuis 15 jours à près de deux mois suivant les endroits, et la décrue s'amorce à peine. Dans la partie orientale, une recharge secondaire permet à la nappe d'atteindre une sorte de "niveau moyen de hautes eaux". Au printemps 1980, la nappe s'est élevée jusqu'à 0.25 m au-dessous du niveau maximal de la décennie (printemps 1970; AWS 1982). La situation de hautes eaux choisie correspond assez bien, pour l'ensemble de la nappe, à un régime pseudo-permanent, même si localement l'état hydraulique est moins stable qu'en étiage. L'amplitude des variations de niveau entre les situations d'étiage et de hautes eaux choisies atteint 4.75 m dans les parties centrale et amont de la nappe. Cela représente 84 % de l'amplitude maximale de la décennie relevée au puits d'Oberbuchsiten (5.63 m entre la crue de 1970 et l'étiage de 1972). Nous espérons ainsi saisir dans ses grandes lignes la phénoménologie des alimentations de Ia nappe, malgré l'absence d'un traitement en régime transitoire. Les exutoires permanents sont subdivisés en plusieurs émergences, qui permettent un calibrage local plus serré. - A OIten, Ia nappe se déverse d'une part dans les alluvions sous l'Aar, d'autre part dans la Dünnem. Elle est aussi captée par les systèmes de drainage de Rötzmatt. - A Walliswil, un réseau de drainage collecte d'une part les exfiltrations de la nappe du Gäu, d'autre part celles des alluvions du thalweg de l'Aar, situé plus bas que la rivière. Du côté oriental, la nappe se déverse directement dans l'Aar. En hautes eaux, les potentiels sont fixés dans quatre zones d'exutoire, deux aux extrémités et deux dans des régions plus ou moins centrales de la nappe, au seuil de Gunzgen et le long de la Dünnern entre Gunzgen et Kappel. Bulletin d'Hydrogéologie No 18 (2000) 37 "3 I 3 .°0 ."'¦¦s-* s" Pasquœr : Calibrage d'un modele d'écoulement des eaux souterraines 6. Calibrage du modèle, •¦, ?.. Pour simuler la nappe du Gäu en régime permanent, nous avons tenté de définir aussi précisément que possible les débits d'alimentation et les débits d'exutoire au moyen de bilans en situation d'étiage et de hautes eaux (PASQUER 2000). De plus, nous avons subdivisé la nappe en cinq secteurs (figure 1), chacun avec ses caractéristiques d'alimentation, et défini le débit de transit d'un secteur à l'autre. Comme les transmissivités sont moins bien connues que les débits aux exutoires, le calibrage du modèle numérique s'est fait en modifiant essentiellement Ie champ des transmissivités et accessoirement celui des alimentations, de manière à ajuster le champ des potentiels simulés à celui des potentiels observés, et à retrouver le débit estimé aux exutoires. Le tableau 1 décrit le bilan des alimentations et des exutoires des cinq secteurs de la nappe, en étiage et en hautes eaux. Les débits de contrôle aux différents exutoires et à l'entrée de chaque secteur sont considérés comme des critères aussi contraignants que les potentiels de contrôle. Le calibrage s'est effectué en plusieurs étapes, chacune avec un objectif principal. Les modifications de transmissivité sont résumées schématiquement dans le tableau 2, avec le rapport des transmissivités en étiage et en hautes eaux, et la perméabilité de la couche supérieure résultante. Les résultats du calibrage sont exprimés par le champ des transmissivités (figure 4), celui des alimentations (figure 5), ainsi que par le champ des potentiels résultants (figure 6) et les débits aux exutoires (tableau 3). 6.1 Calibrage de l'état d'étiage (30 novembre 1976) La première étape a consisté à ajuster le gradient axial et la concavité des équipotentielles d'étiage sur les chenaux perméables. Ces éléments ne peuvent être restitués que si l'alimentation de la nappe en étiage est répartie sur l'ensemble de la nappe et ne provient pas essentiellement de la cluse de Balsthal. Cela justifie Ia réduction du débit de transit à la sortie de la cluse opérée sur Ia base des bilans sectoriels de la nappe (Pasquœr 2000). La deuxième étape a consisté à ajuster approximativement les débits de transit à l'entrée des secteurs 3, 4 et 5. Pour ce faire, il a fallu opérer des transferts d'alimentation du centre de la nappe vers ses extrémités (des secteurs 3 et 4 vers les secteurs 1 et 5), ce qui a conduit à une réduction de moitié environ des transmissivités admises initialement dans la partie centrale de la nappe. Dans la zone de partage des eaux souterraines, la transmissivité du sillon perméable méridional (région G-I) a dû être réduite également, pour ajuster les directions d'écoulement. La transmissivité de ce sillon, basée sur la géophysique, était surestimée en raison de la forte épaisseur de graviers en zone non saturée (plus de 30 m). La troisième étape a consisté à ajuster la ligne de partage des eaux souterraines au sud d'Oensingen. Cette ligne sépare les secteurs 1 et 3, et son ajustement a représenté un des problèmes les plus délicats du calibrage du modèle. En effet, son déplacement affecte les bilans de tous les secteurs de la nappe, sauf celui du secteur 2 (cluse de Balsthal). Des modifications de transmissivité, dans les régions E-G-Jl, notamment une réduction dans la Bulletin d'Hydrogéologie No 18 (2000) 39 Pasquœr : Calibrage d'un modele d'écoulement des eaux souterraines région G, n'ont pas suffi à déplacer sensiblement la ligne de partage des eaux. Cette dernière a été déplacée vers le sud par une augmentation de l'alimentation dans les régions G (infiltration du Bipperkanal et apport par le substratum) et D-E-F (secteur 1) et une diminution dans les régions I-J-L (secteur 3). L'alimentation de la nappe dans ces régions est attribuée à l'infiltration des précipitations. Il résulte des corrections effectuées que cette infiltration est très forte dans le secteur 1, entre Niederbipp et le Längwald (environ 10 % des précipitations en étiage), ce qui peut s'expliquer par la présence d'une moraine perméable recouverte de prairies et de forêts, et très faible entre Oensingen et Kestenholz, dans le secteur 3 (0.25 % des précipitations en étiage), ce qui peut s'expliquer par la présence de champs cultivés sur sol limoneux. A Oensingen et au nord de Kestenholz, l'alimentation de la nappe est plus forte en raison de l'infiltration de Ia Dünnern (12 1/skm) et d'un apport par le substratum localement calcaire (6 1/skm2). La quatrième étape a consisté à relever les potentiels trop bas au puits de Niederbipp (région H), dont le débit de pompage est important (28 Us). La modification des transmissivités aux alentours ne résout pas le problème, car soit le cône de rabattement devient peu étendu et profond (erreur sur le potentiel au puits), soit il devient peu profond mais très étendu (erreur sur le potentiel aux alentours). La solution consiste à déplacer, dans le secteur 3, l'alimentation de la région J2 vers la région H en réduisant l'infiltration de la Dünnern et en augmentant l'alimentation d'environ 30 1/s à partir du versant sud de la chaîne du Weissenstein. Il faut alors réduire d'autant l'apport de ce versant au secteur 1 dans la région d'Oberbipp, et compenser le déficit d'alimentation du secteur 1 en y augmentant l'infiltration des précipitations. Ces corrections suppriment une anomalie relevée dans le bilan du versant du secteur 1 (Pasquier 2000), où l'apport du versant était plus important en étiage qu'en moyenne, et plus important en moyenne qu'en hautes eaux. La cinquième étape a consisté à ajuster certains détails locaux : dans le secteur 4, on a corrigé les potentiels trop bas aux puits de Neuendorf, Egerkingen et Härkingen (régions M2, Q et S2), tous en bordure de nappe, par un déplacement de l'alimentation du centre vers le bord. En bordure, le surplus d'alimentation dû à ces transferts peut être attribué à l'infiltration de la Dünnern dans la région U2, mais ailleurs elle doit provenir du substratum ou des flancs de l'aquifère, notamment dans la région M. Nous avons aussi légèrement augmenté la transmissivité du chenal perméable principal, et diminué celle de la région de Neuendorf (région M2). Dans le secteur 5, nous avons corrigé la répartition de !!alimentation dans la région W1-W2, pour donner un peu moins d'importance à l'infiltration de la Dünnern et un peu plus à l'apport du karst et des affluents. Pour ajuster les potentiels dans le secteur 1, nous avons transféré une partie de l'alimentation (infiltration du ruisseau d'Oberbipp) de la région B2 vers la région Bl, tout en réduisant la transmissivité dans la région Bl et en l'augmentant dans la région B2. Dans cette dernière, le sillon perméable apparaît donc beaucoup plus important que prévu, mais il est protégé des alimentations par une enveloppe morainique peu perméable. En résumé, l'alimentation a été sensiblement augmentée dans le secteur 1 (infiltration des précipitations) et diminuée dans les secteurs 3 et 4 (infiltration des précipitations et des cours d'eau). La transmissivité a été réduite dans les secteurs 1 et 3 (chenaux perméables fluvioglaciaires) et à l'extrémité orientale du secteur 4 (chenaux alluviaux, ancienne zone d'exutoire), et augmentée dans les parties occidentale et méridionale de ce même secteur (chenaux alluviaux). Bulletin d'Hydrogéologie No 18 (2000) 41 •—* /-V S U 0\ I ä O /-^ e sec « 3 a £ Va -« «) o ¦o xutoi bits i >\ » y""\ tites sé aux e: pour dé lé (écart potentie ,ux puits t aux Hm Ij 13 •s -c osé a 'm I — O CU "» *s tt D. UII U -J3 a »tenti rrap •a Poten (voir bit 3 o cd -« -« CU Cu ¦o ¦o ¦ ï 5T f • f O \ ¦ \ 8 O >. .O Jn W M 3 C a m a :al O H ¦H O g J II -H II 3 rH * W -a m H a> a> «a O) Tl • CP CU O) tn< a.3 ¦H O n)0J3û •- C (O Ä ai W n rn n m g W Jm m . •h ni ai tn .H a • -H • O E *" 3 g (D H :« w m ^ U ai ¦H S -H TI m O 3 C Il > tj e i-i 3 ai »* (O -P ¦u U) PjOJ m • 41 a^ 3 Ol 3 « +J O-H O1 C w Xl -H .Q II «J Cn tO 3 >a> o r-l (ft r-i n o ~ a» il • (U »ai -=r 13 Q) a en rtì U C-H H 3 W Cn O (O DH-H -H •- [J 1-H lu 4J U)H *w rfl H TJ W g TJ C II *-* -H ________- 332 - NAPPE DU GÄU (SO/BE O 1 2 3 k» HOixaAuaiaM mg HCOj /I < 225 225 275 275 300 » 300 S0O <-» -9.7 -M -9.5-9.7 >-9.S TEMPERATURE ( janvier 1975 v mmvm 'C <9 9-10 10-11 »« Fig. 2 : Caractéristiques physico-chimiques de la nappe du Gäu - 333 - 1 2 3 U 5 6 7 8 9 10 11 12 ^?ES 1 *• M -150 LOO U) ! -tso -(00 -350 I) -i50 -400 Fig. 3 : Profils géologiques (situation voir fig. I). 1 et 2 = zone non saturée; 1 = peu perméable, 2 = perméable. 3 et 4 = aquifère; 3 = très perméable, 4 = peu et moyennement perméable. 5 à 7 = substratum; 5 = limons, 6 = molasse, 7 = calcaire. 8 = niveau piézométrique de hautes eaux (avril 1979). 9 = forage, fora- ge projeté. 10 = mesure VLF. 11 = faille hypothétique. 12 = source. Profils piézomëtriques (situation voir fig. I). Profils piézomëtriques successifs lors de la re- charge du printemps 1979, soit états 1 = 1.1.79, 2 = 12.1.79, 3"= 10.2.79, 4 = 20.2.79,5=30.5.79. Déplacements de l*onde de recharge : variations du niveau de la nappe le long du profil A-E entre les états 1 et 2 (I), 2 et 3 (II), 3 et 4 (III), 4 et 5 (IV). Traitillé = mêmes variations, corri- gées pour éliminer l'effet des différences d'épais- seur de la zone non saturée (voir texte). Fig. 4 : A - B - BULLETIW VU CEWTRE VHVPRÖGEÖLÖGIE Wo 4, J 9.8 2 FLUCTUATIONS CHIMIQUES ET ALIMENTATION DE LA NAPPE ALLUVIALE DU GAEU SOLEUROIS pa.fi F. PAS(HiTER Résumé On examine le caractère chimique des eaux souterraines dans la nappe alluviale du Gäu soleurois et bernois, de Niederbipp à Olten (Plateau suisse, au pied du Jura). On étudie principale- ment les fluctuations de l'état carbonate pour l'année 1975, à l'aide de deux paramètres, la conductibilité électrique et le pH, dans quatre puits offrant des situations hydrogéologiques différentes. Ces fluctuations sont comparées aux recharges de la nappe, ainsi qu'aux fluctuations des ions caractéristiques (seulement en fin d'année), dont on connaît par ailleurs la répartition spatiale. Cette dernière est liée à des provinces alimentaires mises en lumière notamment par une corrélation en- tre les teneurs en sulfates et en oxygène 18. La comparaison de tous ces éléments permet d'éclaircir quelque peu les modes d'alimentation de la nappe, notamment de distinguer les alimen- tations provenant de la zone non saturée, caractérisées par un système carbonate ouvert aux échanges de CO-, des alimentations profondes ou latérales en zone saturée, caractérisées par un système carbonate fermé aux échanges de CO_. Il apparaît que l'alimentation de base de la nappe est de ce second type et provient essentiellement du Jura. (M Centre d'hydrogéologie. Université de NeuchStel. 103 kbòtfiact The chemical characters of the underground waters of the Gau alluvial aquifer (Cantons of Soleure and Berne) have been exa- mined , from Niederbipp to Olten (Swiss Plateau, at the foot of the Jura). In four wells showing different hydrogeological si- tuations, a study has been made chiefly on the fluctuations of the carbonate state for the year 1975, by means of two parame- ters : the electrical conductibility and the pH. These fluc- tuations have been compared with the recharge of the aquifer, and with the fluctuations (only at year's end) of characteris- tic ions whose spatial distribution is known by other means. This spatial distribution is linked to recharge provinces which are enlightened for example by a correlation between the concen- 1 8 trations of sulphates and 0 . By comparing all these elements, the different modes of recharge of the aquifer could be worked out. In particular, the refill originating from the un-satu- . rated zone, having a carbonate system open to CO. exchanges, could be distinguished from the deep-seated or lateral refill through the saturated zone, having a carbonate system lacking CO2 exchanges. The fundamental recharge of the aquifer seems to be of the second type and originates essentially from the Jura. 104 1, SITUATION L'aquifère alluvial du Gäu soleurois s'étend au pied du Jura entre Niederbipp (BEÏ et Ölten. Sa partie amont est située dans le canton de Berne- C'est un corps de graviers sableux d'environ 20 km de long, 2 km de large et 30 m d'épaisseur noyée. L'épaisseur de la zo- ne non saturée passe d'environ 30 m en amont à environ 5 m en aval. En surface, la plaine est occupée en grande partie par des champs cultivés. Au cours de l'année 1975, nous avons fait prélever, grâce à l'amabilité des responsables des puits de Niederbipp, Neuen- dorf, Kappel et de la graviere de Aebiholz (Oensingen), quel- ques séquences d'échantillons, à raison d'un par semaine, dans quatre puits représentatifs de différentes zones de la nappe. IF-O3. M Ces prélèvements avaient pour but d'estimer les variations tem- porelles du chimisme de la nappe. Comparées aux variations spatiales établies à partir de plusieurs campagnes de prélè- vements simultanés, les variations temporelles du chimisme de- vaient permettre de mieux comprendre les conditions d'alimenta- tion de la nappe. 2. FIABILITÉ DES MESURES En raison de l'analyse différée de la plupart des échantillons, quelques remarques préliminaires s'imposent. Les échantillons ont été conservés à température ambiante, à l'abri de la lumiè- 105 106 re et dans les bouteilles de polyethylene. 2.1. pH et conductibilité Les échantillons ont été analysés en une fois après chaque sé- quence de prélèvements, c'est-à-dire après une durée de sto- ckage de quelques jours à 80 jours, sans que les bouteilles aient été ouvertes. On constate une dérive des valeurs du pH, qui a pu être bien caractérisée par l'examen des séquences à conductibilité stable. En approximation linéaire, cette dérive vaut pour Niederbipp : +0.010 unité pH/jour pour Aebiholz : +0.002 unité pH/jour pour Neuendorf : +0.008 unité pH/jour pour Kappel : +0.0075 unité pH/jour Il est probable que cette dérive soit inversement proportion- nelle à l'indice de saturation. Un examen plus approfondi, effectué en 1981 à Niederbipp, mon- tre qu'en général la dérive n'est pas linéaire : elle est pres- que nulle les cinq premiers jours, puis vaut 0.02 unités pH/ jour du 5e au 20e jour environ, puis redevient négligeable. Les valeurs mesurées sur le terrain correspondent aux valeurs mesurées en laboratoire, sauf pendant certaines périodes d'ali- mentation oü l'eau, sous-saturée, se dégaze après le prélève- ment, ce qui occasionne une montée du pH. Les valeurs qui s'é- cartent fortement de la norme IF-ig. 2 à 5] ne reflètent donc pas forcément des variations de pH in situ, mais bien plus, semble-t-il, la précarité de l'état carbonate des eaux pendant certaines périodes. Même comprises ainsi, les fluctuations du 107 pH sont le reflet d'événements affectant la nappe. La conductibilité électrique à 200C (K2Q) varie également avec le temps de conservation, à cause des changements d'éguilibre dus à la dérive du pH. Ce phénomène est sensible si les bou- teilles stockées ont été entamées (d'après différents tests de K20 -1 conservation : -100 S—r— £-350 US.cm ), mais il reste né- pH gligeable, au moins dans les deux premiers mois de conserva- tion, si les bouteilles n'ont pas été ouvertes. Pour les sé- quences considérées ici, nous avons pu dans certains cas esti- mer la dérive de K9 à environ -0.2 unité/jour, soit environ AK20 -1 ¦;—rr~ = -25 pS.cm . Dans d'autres cas, la dérive semblait ApH ' nulle ou même positive. Nous avons donc renoncé à corriger les valeurs de la conductibilité électrique. 2.2. Anions et cations Nous avons complété en automne 1980 les analyses effectuées en 1975, et établi des corrélations pour les différents ions. On constate qu'après un stockage de 5 à 6 ans, bouteilles en- tamées, les teneurs en sodium, potassium, magnésium et chloru- res sont restées stables, moyennant de légères dérives positi- ves ou négatives suivant les ions. Les teneurs en sulfates sont un peu moins stables. Plus exactement, les facteurs de-corrélations trouvés sont les suivants : K+(1975) - 1-° X K+(1980) (±8 %' " - 4) Na+ (1975) = 0.8 x Na+ (1980) (±8 %, n = 7) 108 M9++(1975) = 1-11 XMg++(1980) (±5 %' n ' 6) Cl-(1975) = 1.12 xCl-(1980) (±5 l, n = 4) S04-(1975> = °-9 X SOr(1980) <±1S *' " = 18) Les teneurs en calcium ont fortement diminué pour se stabiliser aux environs de 30 mg/lf soit une diminution respective d'un facteur 2.65 pour Aebiholz, 3.65 pour Niederbipp et Kappe1, 4.05 pour Neuendorf. Les teneurs en bicarbonates, non mesurées en 1980, ont proba- blement suivi une évolution analogue. Les teneurs en ni.tn.atzo analysées en 1980 n'ont pu être compa- rées que par leur ordre de grandeur avec celles de 1975, car nous ne disposions plus des échantillons analysés alors, sauf dans un cas. Les échantillons ont conòzivé,, apn.zò ctnq ano, tzu.fi tznzax oKi.gtne.tlz, au moins en ce qui concerne l'ordre de grandeur. Les valeurs de Ca et NO, des analyses de 1980 ont été représentées par un point (au lieu d'un cercle) sur les [FIg. Z à 5]. 2.3. Balance ionique Les résultats des analyses que nous avons rassemblés à titre illustratif dans le tableau 1 montrent que la balance ionique est bien équilibrée [labt. I]. La différence entre cations et anions, due notamment à l'imprécision des analyses, se situe entre 1.5 et 4 % du total des anions. 109 3 M U 3 Xi Q) Ch CU (O G OJ « -P -H 3 O Q* 0> 3 •H G O u g Ul f—i C. CC Ul Kl \D O O CT. \û r-i Ul r» -.^ O C TT vO r-l LO Kl Kl Ul CO Ki > C MD Ul •—t (Vl Ul r- Tf rH O Kl rH Tf rH VJ • * .-H E TT O O C Ul TT C O O Ul CT- (V) . + i—I i—i -^ C Ul Tf \G r- (VJ TJ- MT C rH MD ra rH CsI Kl (Vl rH cr O O * * * * • * • • fcf e Tf C C O (VJ cr cr c C E •H •s- Kl Kl (Vl (V) V) .—i * ,—, * » • * C --.^ CT TT Ol er. Ul Ul Kl (VJ Cv CtL K-. C-J ^—' Cl C e tvi u-1 C CC (VJ C O TT O r- Kl -f \0 r- •-« VC Ci rH CC Ul fsl ¦* CC rvi f- r- • ^ (vj (Vl (Vl C CO CC r-. C C. O rH * * • '• * * rH O Tf C O O rH O c cr O E s~\ .C E Ki r-j CC i-----> •r-< ,—. * • • LO C cr CT. f. .-i Ki Tf Kl (VI • • • • «^ Tf CC C Tf VC Ul r» t— r-- r- CC LO C" rH (V) TT Tf Kl 1—t \C rH cr cr (VJ CT. r- VT • * ¦ E sC C CT cr r-» O O cr cr- r- C Kl 11 i-1. + * •*^. tt Tf C. TT r- Tf r- ée u~, rH ¦—i r-< TT Tî cr Ki r-> cr C * • * * • * * • rH E \C cr- cr cr. Kl C O cr a; E y—« C oc ^c t-- (V) cr cr C- (-H * • • < • • (C "^. r— K-. cr Ul Ki CC Tf Ki •*" t. E cr rH Ki 1—t rvi >-H «___' Ul r- .—t c: r*- TT r-( rv) L.1 & Ki O Tf (VJ • --v, (V) KI- CC O Tf T— r~ Tf r- O (Vl r- CT CC TT Tf Ti- t—l TT LT. (Vî CT Ki (v; rH CC E u"; C C er I'- ^D cr C cr r- cr Ki •""- rH ! P •v^ (vi (V) CO cr Tf C: Tf r- C i—I CC rvi Tf TT (V] (V) fVI Cr; ¦ (H O • • ¦ • • * > •' ,C E Ui cr O O Kl C O CT J-. E ID , (Vï Ul C VC t~- ¦^ i—i i—v • < • * • 0> ¦v^ t—1 i—i O Tf Cl r~ Ul (Vl •h t CT. (V) Ki r—I rvi ">L E ri V-* rH LO i-H C CT. (VJ Ul ve cr Tf Tf rH Cl Ki r- V^- c; r- ui r- C cr c-. r- Tf cr cr * cr OC Ki Tf Kl cr rH tv- rH cr rH rH Ul rH \o 4 ¦ (—( E UÌ C C cr r-~ «. O CO CC Kl (Vl C. Kl rH O c; Ci »H (V) >—t rvi s: E r-) <-< t I V) V) C -H O I V) C O -----tn---------- C O -r-l Ki (Vj. I I « O + + CTj -H O -H C C Tf Kl I ?J -H (Vl (V) + *-> *-> -H ?-» (O r~\ U O O r-* O C n) o/, c3 + o n "era •v». ^o — LC ^ U H< U ?! ZZ Ui t-u ¦q < u < ^ U CC C- V) 3 O tn O > ¦ H Ci V) O Vl rH « C Vl > • H +J (C E ¦ r-l X O r- C- C- (C *J c C V) V) (U V, /O X. ¦*-> C O J-I (C C- OJ r- ?J C a> • >—i V) C J-. O 3 -H CJ 4-> rH (Ö CO rH > K) U tn ^ a o rH L) On voit également que la conductibilité de l'eau est condition- née à plus de 80 % par les bicarbonates de calcium, et à envi- ron 10 % par les sulfates et le magnésium. Les nitrates et les chlorures jouent un rôle sensiblement égal, sauf au droit de la cluse de Balsthal : peu de chlorures à Aebiholz et peu de nitrates à Oensingen. Le sodium est environ 3 fois plus impor- tant que le potassium.! 3. FLUCTUATIONS DES PARAMÈTRES CHIMIQUES On peut voir sur les [F-tg. 2 5 5], l'évolution des paramètres chimiques au cours de l'année 1975, spécialement de K_0 et du pH, pour les quatre puits mentionnés. Sur ces figures, les u- nités des échelles sont grosso modo proportionnelles à la va- leur moyenne du paramètre représenté, ceci de manière à ne fai- re ressortir que les variations significatives. L'examen de K_n montre que les valeurs sont en général très stables au cours de l'année, quel que soit le niveau piézomé- trique de la nappe, sauf pour quelques courtes périodes géné- ralement consécutives à de fortes pluies. Le pH réagit également pour ces périodes, parfois dans le même sens que K_n (par ex. Kappel en juillet et novembre, Nieder- bipp en mars-avril et décembre), mais en général en sens inver- se de K--., conformément aux lois d'équilibre des systèmes car- bonates ouverts à l'atmosphère, lois concrétisées par exemple par les courbes de TILLMANS (in BURGER, MISEREZ). Les périodes de variations brusques et importantes du pH et de K-_ se situent : 111 en mars (pas d'information pour Kappel), au début juin (pas d'information pour Kappel), à la fin juillet-début août (sauf pour Neuendorf), à la fin novembre (sauf pour Neuendorf et Kappel). Les ions caractéristiques (Na+, K+, Mg++, SO , Cl , NO ) 'va- rient également, mais de manière difficilement compréhensible à première vue. Nous y reviendrons- 4. VARIATIONS TEMPORELLES DE L'ÉQUILIBRE CARBONATE Nous avons tenté de comprendre les variations sommairement dé- crites au § 3. en termes dAéquilibres carbonates, en utilisant les variables pH et K- (en lieu et place de [HCO ], la con-. ductibilité électrique étant essentiellement déterminée par les bicarbonates/calcium). Les variations du système carbonate sont ainsi représentées sur les [VIq. 6 F r s O) 8: Q Uj a. S o 116 aux interfaces liquide-gazeux et liquide-solide peuvent être par contre beaucoup plus lentes, et peuvent par conséquent maintenir l'eau dans un état de non-équilibre sensible. Il se- rait préférable par conséquent de parler de variations de l'é- tat carbonate plutôt que de variations de l'équilibre carbona- te. Il faut distinguer, même sans considérations cinétiques, deux cas conditionnant fort différemment les réactions : ^0 Le-6 òyòtlme.6 IzKmiò aux échanges de CO» avec l'atmosphère, où le carbone total (C ) peut être considéré comme constant. Ils sont représentés en pratique par des parties de la nappe où le contact avec la zone non saturée est malaisé (par ex. nappe semi-captive, niveaux profonds). Dans de tels systèmes, le pH, entre 6.5 et 8.5 environ, est conditionné par le rapport entre [H CO*) et ICO""], puisque [HCO"] = C est invaria- ble. IHCO-] représente l'alcalinité de l'eau (Aie). Les variations de [H CO *] peuvent être dues à des variations thermodynamiques (P, T) et cinétiques (vitesses d'écoulement). On a alors ûlog [H CO *] = - UpH (flèche (?) de la [Fig. 6a] ).De plus, les variations du flux chimique occasion- nent des mélanges d'eau dont la résultante est caractérisée par les moyennes pondérées de C et Aie. Les phénomènes de di- lution entrent dans cette catégorie. Le pH dépend du pouvoir tampon du mélange. Ce dernier diminue fortement entre les pH 7.0 et 7.5 {flèche (T) de la [F-tg. 6a] ). 1° lit* òy&£è.mzò ouvzktò aux échanges de CO avec l'atmosphère, où le carbonne total C_ est variable. Ils sont représentés en pratique par les parties de la nappe où le contact avec la zone M [H2CO3*] = CH2CO3I + [C02-aq] = [CO3.aq] 117 non saturée est aisé. Comme C varie, le pH est conditionné principalement par la teneur en bicarbonates : [H+] = [HCO3] + 2[CO3"] + (OH-] 2°a Si pCO est constant, les variations de pH sont dues à d'autres causes, par ex. à des apports de bases ou d'acides. On a alors Alog [HC0~] = ApH {flèche (?) de la [Fig. 6a] ) + - H- -V & 2°b Si pC0„ varie, H + HCO3 t H2CO + CO3 + H3O, et Alog [HCO3] = - ApH (flèche (?) de la [fig. 6a] ). C'est le cas décrit par les courbes d'équilibre de TILLMANS. [Tig. 6 zt 7] * La caractérisation d'une eau devrait se faire au moyen de l'alcalinité, qui est une quantité conservative indépendante de la température et de la pression, tandis que le pH et [H-CO.*] en sont dépendants. Pour les eaux naturelles qui nous concernent, [Ale] = [HCO3] + 2[CO3-] + [OH-] - [H+] = [HCO-]. En système fermé, l'alcalinité n'est donc pas affectée par les variations de [H5CO*]. Considérons maintenant les variations de l'état carbonate sur les [F-Og. 6 zt 7], On constate que : Lé point représentant l'état carbonate se déplace dans l'es- pace défini par les courbes de TILLMANS pour 100C et 300C. Considérant qu'en pratique le point devrait se trouver approxi- mativement sur la courbe pour 300C (MISEREZ, p. 222), les eaux ont un caractère plutôt incrustant. Le point oscille autour d'un noyau d'attraction caractéris- tique de !'"équilibre" de l'eau en régime permanent, puis dévie 118 ZWM 300- 350- iOO- «0- FIG. 6a SCHEMA DES DEPUCEMENTS 500 I/V FB AEBIHOLZ ------mais- mai "'S _,—" juin - aoûl ..-¦-¦ s*pi._ noy. „.--dec. I^PH 6.9 550- 7.5 7.6 7.7 ^-------......\j~T~f~ s*~) .......ns/ K2O (/U S) PW NEUENDORF avril-mai 197S juin- juillet aoùt-oct. nov.-dec. I F^cg. ó] : Déplacements de l'état carbonate pour Aebiholz et Neuendorf. Les carbonates sont représentés par la conductibilité élec- trique de l'eau (K!0). Com- mentaires dans le texte. 400 - —- mart-awM 1975 — P*' __juin- sept. _--oct. ..-no».- àie. trpt-oct. no*. [ F-tg. 7 ] : Déplacements de l'état carbonate pour Niederbipp et Kappe1. Les carbonates sont représentés par la conductibilité élec- trique de l'eau (K2o)- Com- mentaires dans le texte. brusquement pour revenir par oscillations successives au noyau d'attraction, décrivant ainsi un parcours qui rappelle les phé- nomènes oscillatoires, de convection ou même de turbulence fai- ble. Les noyaux d'attraction sont caractérisés par les couples de valeurs suivants : pH - 7.08/K - 608 pour Kappel pH = 7.10/KQ = 600 pour Neuendorf pH = 7.16/K20 = 610 pour Niederbipp pH = 7.52/K0 = 425 pour Aebiholz Ces noyaux peuvent être reliés par une droite représentant la relation pH/K pour la nappe en écoulement permanent. En ef- fet, de nombreuses variations internes aux puits respectifs sont sensiblement parallèles à cette droite, qui se définit ainsi : pH = 8.43 - 0.0022 K20 On peut grouper les variations en trois types : a) Petites variations autour du noyau d'attraction, de nature os.cillatoire (Aebiholz, Niederbipp, Kappel) ou convective-tur- bulente (Neuendorf), plutôt liées à des systèmes fermés. b) Grandes variations de nature oscillatoire conformes aux courbes d'équilibre de TILLMANS, généralement en été 1975. El- les sont caractéristiques de systèmes ouverts où interviennent des échanges de CO_ avec l'atmosphère. c) Grandes variations de nature oscillatoire plus ou moins perpendiculaires aux courbes d'équilibre de TILLMANS, générale- ment au printemps et en automne 1975. Elles sont caractéristi- ques de systèmes fermés où interviennent des variations du flux 121 physico-chimique et/ou des variations des conditions thermody- namiques et/ou de cinétique des écoulements. Nous ne sommes pas en mesure, dans le cadre de cette étude, de déterminer quels sont ici les facteurs prépondérants. Les quatre puits s'individualisent par rapport aux descriptions ci-dessus : A&bihotz et Nç.u.zndoi& [ F-ûj. 6] pour leur fort noyau d'at- traction et leur prédilection pour les variations de type b), ces dernières étant nettement plus fortes à Aebiholz. Il est temps de remarquer ici que ces deux puits sont éloignés de la bordure jurassienne de la nappe, ce qui pourrait expliquer d'u- ne part leur assez grande inertie chimique, d'autre part la prépondérance, lors des variations de l'état carbonate, des alimentations de plaine à travers la zone non saturée. N-iede-tb-cpp et Ka.ppe.1 [FXg. 7) pour leur faible noyau d'at- traction et l'ampleur ainsi que la fréquence de leurs varia- tions de typeb) et surtout cJ, ces dernières étant plus marquées à Niederbipp. Inversement aux deux premiers, ces deux puits sont placés près de la bordure jurassienne de la nappe, ce qui favorise une alimentation plus particulièrement liée aux écou- lements souterrains en zone saturée à partir des versants (systèmes fermés), avec de ftéquents mélanges d'eaux. Ils se distinguent en outre par des températures moyennes plus éle- vées (10.4 et 10.60C, contre 9.5 et 9.90C pour Aebiholz et Neuendorf). 122 5. VARIATIONS SPATIALES DES IONS CARACTÉRISTIQUES Cornine nous l'avons mentionné au § 3., les variations temporel- les des ions caractéristiques sont difficiles à interpréter. C'est pourquoi nous aborderons d'abord l'étude des variations spatiales de ces ions, ce qui nous amènera à diviser la nappe en provinces chimiques, et aussi à spécifier l'origine des ions respectifs. L'étude des variations spatiales est basée sur des campagnes de mesures simultanées effectuées en juillet 1974, janvier 1975 et juillet 1975, la plus complète étant celle de juillet 1974. C'est cette dernière qui sera donc représentée sur les [F-tg. S à 101, sauf spécification contraire. Les teneurs en 6u.£.£ate.& f F-tg. Sa] décroissent assez régu- lièrement en fonction de la distance à la bordure jurassienne de la nappe. Par rapport à cette répartition, on remarquera : a) des anomalies positives à Egerkingen et à Aebiholz, b) des anomalies négatives entre Kappel et Wangen, et dans une certaine mesure à Niederbipp. On notera également que la partie aval de la nappe, où aboutis- sent des rivières chargées en sulfates (principalement le Ric- kenbach, dont le bassin versant touche le Trias), n'est pas plus chargée en sulfates que la partie amont. La répartition des sulfates indique assez clairement qu'ils proviennent en grande partie (teneurs supérieures à 10 mg/1) des formations du Jura comprises entre le Dogger et le Muschel- kalk. Les teneurs en n-it^ate.6 (campagne partielle d'avril 1980, [F-tg. Bb] ) augmentent avec la distance à la bordure jurassien- 123 ne de la nappe, à l'inverse des teneurs en sulfates. Elles sont spécialement faibles à la sortie de la Cluse de Balsthal. Par rapport à cette répartition, on remarquera : a) une anomalie négative à Aebiholz, b) une anomalie positive à Niederbipp, et dans une plus faible mesure à Egerkingen et à Kappel. Les fortes teneurs en nitrates (plus de 10 mg/1) apparaissent donc comme essentiellement liées aux infiltrations à partir de la plaine cultivée du Gau. Les teneurs en chZoKafiQ.& (moyenne 1974, 1975 et 1980, [F^g. ScJ ï sont les plus fortes dans les zones de Niederbipp- Sud (autoroute) et dans la partie centrale de la nappe entre Niederbuchsiten, Härkingen et Kappel (autoroute ?). Elles sont relativement faibles à Oensingen et Längwald-WaHiswil, et très faibles à la sortie de la Cluse de Balsthal et à Aebiholz. Cette répartition semble indiquer que les fortes teneurs en chlorures (plus de 5 mg/lï sont liées essentiellement aux zones urbaines et à l'autoroute. Les teneurs en magni&.itim [f-ig. 9a] sont réparties grosso mo- do de manière inverse à celles en sulfates. Elles apparaissent spécialement fortes entre Niederbipp-Sud et le Längwald, dans la zone des moraines terminales wurmiennes, et entre Neuendorf et Gunzgen, où subaffleure la molasse. Les fortes teneurs en magnésium (plus de 10 mg/1) sont peut-être liées à ces deux ty- pes de formations géologiques. Les teneurs en òodlum [flg. 9b] sont réparties de manière assez semblables à celles en chlorures. Elles sont toutefois faibles à Niederbuchsiten, alors que celles en chlorures y sont fortes. Comme pour les chlorures, les fortes teneurs en so- dium (plus de 5 mg/1) semblent généralement liées aux zones ur- 124 baines, mais peut-être aussi aux terrains morainiques (Nieder- bippi. Les teneurs en pota.o6A.wm [FXg. 9c] sont réparties de manière assez semblable à celles en sulfates. Toutefois, entre Nieder- buchsiten et Härkingen, on note une augmentation nettement plus forte des teneurs en potassium que de celles en sulfates. Le potassium est certainement partiellement lié aux engrais, mais les concentrations les plus fortes (plus de 2 mg/1) semblent plutôt liées aux formations du Jura. On ne peut comparer la répartition du potassium ni à celle des nitrates, ni à celle des chlorures. Pour résumer très schématiquement, on peut grouper les ions ca- ractéristiques par couples de répartition spatiale affine comme suit : 1° pota.66lu.rn zt 6ul&ate.6 (en provenance du Jura), 1°. magnl6Â,u.m ut n-itn.atz6 (en provenance de la plaine et des bas versants), 3° 6odtam zt cktonufizò (en provenance des zones urbaines). Tzmpznatu.fiZ6 zt oxyglnz 1$ La comparaison des températures moyennes [FXg. 10a] et de l'é- cart Temp.(juillet 74) - Temp.(moyenne) [FXg. 10b] fait res- sortir quelques zones fortement individualisées, à savoir : Apports froids et rapides (synchronicité saisonnière Temp. (eau)/Temp.(air) : Niederbuchsiten - Neuendorf? Apports chauds et rapides : Niederbipp, Kappel-Wangen; Apports froids et lents (déphasage saisonnier Temp.(eau)/ 125 126 127 128 Temp. {air). ) : Aebiholz, Oensingen-Cluse, Längwald; Apports chauds et lents : Gheid-Olten. Les apports froids témoignent d'un bassin versant élevé et/ou de circulations peu profondes, les apports rapides de bassins versants peu étendus et proches. Les teneurs en oxygène 18 (janvier 75, [F-ïg. 10c] ) font res- sortir les zones suivantes : Apports froids (bassin versant élevé) : l'axe Cluse de Balsthal-Oensingen-Aebiholz; Apports chauds (bassin versant bas) : l'axe Niederbipp- Längwald, et la région de Kappe1. Dans le centre de la nappe, malgré de faibles différences des teneurs en oxygène 18, on dénote une tendance aux valeurs plus faibles (bassin versant plus élevé) en s'approchant du Jura, qui rappelle la répartition des sulfates. Sur la base des températures, des teneurs en ions caractéris- tiques et en oxygène 18, on peut diviser la nappe en provinces qui s'individualisent : par leur alimentation à partir du Jura (Cluse de Balsthal, Oensingen, Aebiholz, et dans une certaine mesure la bordure jurassienne de la nappe à partir et en aval d'Egerkingen). Ces provinces "jurassiennes" se caractérisent par leur faible te- neur en oxygène 18, nitrates, chlorures, magnésium et sodium, par leur forte teneur en sulfates et en potassium, ainsi que par une température de l'eau relativement basse (9 à 100C); 129 par leur alimentation à partir de la plaine du Gau par in- filtration verticale {zone centrale de Niederbuchsiten à Gunz- gen), ou à partir des contreforts du Jura formés d'éboulis, de molasse, de moraine (régions de Niederbipp et de Kappel-Wangen). Ces provinces "de plaine" se caractérisent par leur forte te- neur en oxygène 18, nitrates, chlorures, magnésium et sodium, par leur teneur relativement faible en sulfates et en potas- sium, ainsi que par une température moyenne de l'eau relative- ment élevée (plus de 10.30C). Il existe naturellement des intermédiaires entre ces deux ex- trêmes, notamment au centre de la nappe entre Oberbuchsiten, Neuendorf, Härkingen et Egerkingen. Il existe également des zones temporairement sous l'influence de l'une ou l'autre des provinces, suivant l'état hydraulique de la nappe. C'est par- ticulièrement le cas dans la zone d'exutoire Sud-Ouest de la nappe, entre Holzhäusern-Längwald et Walliswil. L'alimentation par infiltration à partir de la Dünnern n'a pas été considérée isolément, car elle joue probablement un rôle négligeable dans les exemples étudiés. Du point de vue des ions caractéristiques, elle s'apparente aux alimentations en provenance du Jura. 6. RELATIONS SULFATES/OXYGÈNE 18 Nous avons cherché à étayer la relation inverse, en soi logi- que, existant entre les teneurs en sulfates et celles en oxy- gène 18, puisque les sulfates sont supposés provenir des forma- tions du Jura, soit d'une altitude supérieure à celle de la plaine. Rappelons pour mémoire que la teneur en oxygène 18 di- 130 minue avec la température, donc, pour une eau souterraine, avec l'altitude de son bassin versant. La figure 11 illustre la relation entre les teneurs en sulfa- tes et en oxygène 18 pour les eaux prélevées à Neuendorf, Kap- pel et Oensingen-Mops en 1974, 1975 et 1980 [F-tg. M]. On constate qu'il existe une corrélation, relativement floue, en- tre sulfates et oxygène 18. La dispersion des points dépend de l'importance variable des alimentations de plaine par rapport à celles du Jura (M. La pente et l'origine de la droite de cor- rélation dépendent de l'état hydraulique de la nappe (comparer Neuendorf 1974 et Neuendorf 1975) et de la situation géologi- que. A Oensingen-Moos par exemple, la pente de la corrélation est plus forte qu'ailleurs, ce qui veut dire qu'une faible va- riation de l'altitude du bassin versant se traduit par une for- te variation des teneurs en sulfates. Ce fait exprime proba- blement la concurrence entre les alimentations du Dogger, au coeur de la Cluse, et celles du MaIm, aux extrémités de la Cluse. Les bassins alimentaires du Malm et du Dogger sont ap- proximativement à la même altitude. Les valeurs de l'oxygène 18 en 1974 suggèrent qu'en période d'étiage prédominent les a- limentations à partir du MaIm. La figure 12 relie deux à deux des valeurs mesurées d'une part en janvier 1975, au début de la recharge principale de la nap- pe, d'autre part en avril 1980, juste après une très importan- te recharge printanière, pour neuf puits et une source de la nappe, ainsi que pour deux sources voisines (Hubel-Neuendorf et Hun-Balsthal) [F-tg. 12]. Entre ces deux états hydrauliques de la nappe, on a en moyenne les différences suivantes : Yij-\)