Monitoring des sources pour anticiper les effets du changement climatique sur l’eau potable

En Suisse, environ 80% de l’eau potable provient des eaux souterraines, dont près de la moitié des sources [1]. En milieu alpin, et notamment en Valais, les sources constituent la principale ressource d’alimentation en eau potable, avec près de 3000 sources d’intérêt publique recensées [2]. Ces résurgences d’eau souterraine, issues de la recharge des aquifères, offrent un approvisionnement en général de bonne qualité.

Facteurs influant sur le régime des sources

Le régime des sources dépend étroitement des paramètres météorologiques de leur bassin d’alimentation. Leur réactivité – et donc la manière dont elle répondent aux forçages météorologiques – dépend des caractéristiques hydrogéologiques et de la taille des aquifères qu’elles drainent. La dynamique de leurs débits peut donc varier fortement d’une source à l’autre, comme illustré en figure 1. Avec le réchauffement climatique, la réduction du couvert neigeux, l’augmentation de l’évapotranspiration et l’intensification des sécheresses, les ressources en eaux souterraines de montagne sont particulièrement menacées. Dans les Alpes, où le climat se réchauffe deux fois plus vite qu’ailleurs, les projections s’accordent sur plus de précipitations en hiver mais une baisse en été combinée à une fonte de neige plus précoce. Cette redistribution saisonnière pourrait conduire à des étiages estivaux plus sévères et plus fréquents. Ces évolutions posent un risque croissant de tensions d’usage pendant les périodes de sécheresses. Il est donc essentiel d’anticiper la réponse des sources au changement climatique afin d’adapter la gestion de l’eau potable. Pourtant, le fonctionnement des aquifères de montagne et la dynamique des sources restent encore peu étudiés, en particulier pour les systèmes non karstiques dans le contexte du changement climatique [3]. Le manque de données de débit représentant la dynamique naturelle des sources, leur faible valorisation ou leur usage strictement opérationnel limitent la compréhension à long terme de ces ressources.
Dans ce contexte, plusieurs communes s’interrogent aujourd’hui sur la vulnérabilité future de leurs sources. Cet article présente une démarche de diagnostic appliqué à un ensemble de sources alpines, visant à (1) illustrer la variabilité de leur comportement et leur sensibilité aux sécheresses et ainsi identifier les ressources stratégiques, et (2) simuler l’évolution future de leurs débits sous l’effet des évolutions climatiques. À travers ces exemples, il s’agit aussi de sensibiliser à l’importance du monitoring des sources, non seulement pour la gestion à court terme, mais comme base stratégique de l’adaptation au changement climatique à plus long terme.

Méthode

Mesures de débit des sources

Les mesures effectuées aux captages d’eau potable sont en général orientées vers des objectifs opérationnels (mesures de la quantité d’eau distribuée, contrôle du fonctionnement des ouvrages, détection de baisses d’alimentation, gestion de la distribution etc). Le débit des sources, c’est-à-dire celui qui sort naturellement du système souterrain, est moins souvent mesuré, alors qu’il s’agit d’une donnée fondamentale pour toute analyse de la ressource, notamment dans le contexte du changement climatique. Pour que ce suivi soit utile à l’évaluation du fonctionnement de la ressource et de sa réponse aux sécheresses, plusieurs critères de qualité doivent être réunis , tels que décrits ci-dessous:

• Bonne continuité: la mesure doit se faire en continu sur une période d’au moins 3 ans, idéalement à pas de temps journalier.
• Plage de mesure complète: les bas débits doivent être captés avec précision (pas de seuil trop large ni de chambre surdimensionnée), et les hauts débits ne doivent pas être perdus (ce qui est le cas lors de l’activation d’un trop-plein qui n’est pas monitoré par exemple, tel qu’illustré par S5 en figure 1).
• Fiabilité des données: la série doit être dépourvue d’artéfacts (valeurs aberrantes, dérives des capteurs, etc.), ce qui implique un entretien régulier, des contrôles de terrain, des mesures de calage (jaugeages) et un suivi des interventions.
• Cohérence des drains mesurés: si plusieurs drains alimentent une source, il faut documenter toute modification (ajout/retrait temporaire), afin de garantir une série homogène dans le temps.

La mesure fiable du débit nécessite des moyens modérés, si le captage ou les conduites le permettent, mais un suivi relativement rigoureux. Il est recommandé d’ajouter à la mesure de débit, une sonde immergée en permanence, située proche de l’arrivée d’eau dans le captage et qui mesure la conductivité électrique et la température, réglée au même pas de temps que la mesure de débit. Il est de plus conseillé de rentrer les données récoltées directement dans une base de données sous un format standardisé.

Indicateurs de résistance à la sécheresse

L’analyse statistique des chroniques de débit permet de caractériser le régime hydrologique des sources, de détecter d’éventuelles tendances temporelles, et de calculer plusieurs indicateurs de résistance à la sécheresse. Plus la série est longue, plus l’analyse est robuste. Plusieurs indicateurs peuvent être calculés, en fonction de la durée et de la qualité des séries de débit disponibles. Les indices standardisés (par exemple le Standardized Streamflow Index – SSI) qui permettent d’identifier la réponse aux déficits hydriques et les indices liés aux analyses fréquentielles des débits minimums annuels, qui permettent d’estimer la probabilité d’occurrence de bas débits extrêmes, n’ont pas pu être calculés dans cette étude car ils nécessitent une longue série de données (plus de 15 ans – 30 ans conseillé – pour le SSI et au moins 10 ans pour l’analyse fréquentielle). Ainsi les indicateurs calculés dans cette étude sont:

• des indicateurs statistiques simples tels que le Winter Flow Index (WFI; Q_NM7/Q_mean; [4]) ou l'IRSAK (Indicateur de Résistance à la Sécheresse développer pour les Aquifères Karstiques, calculé ici: Q_min/Q_NM7) qui permettent d’évaluer la réactivité des sources (avec: Q_NM7 = débit minimum sur 7 jours consécutifs, Q_mean = débit moyen et Q_min = débit minimum),
• des indicateurs liés à la décroissance des débits [5] tels que le temps de demi-décroissance (T_1/2) et le coefficient de tarissement (α), qui renseignent sur la vitesse à laquelle le système hydrogéologique se vide.

Le calcul de ces indicateurs de décroissance se fait par extraction des périodes de décroissance des débits qui sont ensuite mises ensemble puis ajustées avec une formule de décroissance, tel qu’illustré en figure 2. Pour identifier les ressources stratégiques – c’est-à-dire les sources les moins sensibles aux sécheresses saisonnières – ces indicateurs ont été combinés au sein d’un indice synthétique de résistance. Chaque indicateur (WFI, IRSAK, T_1/2 et α) a servi à classer les sources selon trois niveaux de résistance (bonne, moyenne ou faible), puis ces classes ont été agrégées à l’aide d’une constante de pondération: 1 pour le WFI, 1 pour l’IRSAK, 5 pour le temps de demi-décroissance (T_1/2) et 2 pour le coefficient de tarissement (α).
Bien qu’ils permettent une première classification qualitative des sources, ces indicateurs sont basés sur les conditions passées et ne prennent pas en compte l’évolution future des conditions météorologiques. Afin d'évaluer quantitativement l'évolution des débits des sources avec le changement climatique, la modélisation a été utilisée.
Modélisation du débit des sources et scénarios climatiques
Dans cette étude, trois sources situées en zone alpine ont été modélisées. S1 est située à une altitude de 1520 m, S2 à 2085 m et S3 à 1320 m. Ces trois sources sortent au niveau de dépôts quaternaires (moraines, alluvions et éboulis) situés à proximité de roches consolidées qui sont observables sur les versants (granite pour S3 et gneiss pour S1 et S2).

Description des modèles

Pour modéliser le débit des sources des modèles hydrogéologiques ou hydrologiques, distribués ou semi-distribués, peuvent être utilisés. En raison notamment des données disponibles et des connaissances hydrogéologiques des sites, un modèle hydrologique semi-distribué a été utilisé. Le logiciel RS MINERVE [6] qui contient plusieurs modèles hydrologiques de type réservoirs a été utilisés. Pour les sources 1 et 2: le modèle HBV [7, 8], implémenté dans le logiciel RS MINERVE a été utilisé. Afin de mieux représenter le comportement inertiel des sources, un modèle qui reprend les équations générales du modèle GARDENIA [9] a été utilisé pour la source S3.
Les deux modèles sont constitués de quatre réservoirs pour simuler le débit:

• un réservoir neige dans lequel l’accumulation et la fonte de la neige sont calculées par une méthode de degrés-jours,
• un réservoir sol, modélisant l’infiltration et l’évapotranspiration réelle selon le stock d’eau dans le sol,
• des réservoirs souterrains simulant les écoulements rapides (superficiels), moyens (intermédiaires) et lents (profonds).

Les réservoirs sont exécutés sur la base d’un ensemble de bandes d’élévation préalablement définies. Ce modèle conceptuel est basé sur les hypothèses suivantes:

• il n’y a pas d’autre entrée dans le système que les flux générés par les réservoirs et les précipitations décrits ci-dessus et
• les aquifères répondent comme des réservoirs linéaires.

L’évapotranspiration potentielle est calculée avec la formule de Oudin basée sur la latitude et la température journalière de l’air [10]. L’évapotranspiration réelle est ensuite calculée en réduisant l’évapotranspiration potentielle en fonction du déficit hydrique du sol [9, 11].

Setup et calibration des modèles

Les bassins de recharge hydrogéologique alimentant les sources ne correspondent en général pas à leurs bassins versants topographiques. Leur délimitation a été définie en prenant en compte des informations hydrogéologiques à disposition (géologie, essais de traçage etc.). La taille des aires d’alimentation a été estimée à l’aide d’un bilan hydrique simplifié:

avec A la surface estimée du bassin, Q le débit moyen annuel, P les précipitations moyennes annuelles et ETR l’évapotranspiration réelle moyenne annuelle.
Le bassin d’alimentation est divisé en quatre sous-bassins, chacun correspondant à une bande d’altitude différente. Cela permet de mieux prendre en compte les variations météorologiques et nivologiques selon l’altitude. La répartition des aires d’alimentation entre les sous-bassins a été définie de manière itérative, tout en prenant en compte la géologie et en s’appuyant sur les résultats obtenus lors de la calibration.
Les données météorologiques d’entrée sont communes à l’ensemble du bassin. Pour chaque source, elles proviennent des stations météorologiques les plus proches. La hauteur de neige modélisée a également été validée avec les données de hauteur de neige aux stations pour les trois sources, ainsi que de couvert de neige pour la source S3 (MODIS). La comparaison montre une bonne concordance avec les données mesurées, tant pour les niveaux que pour les variations saisonnières d’accumulation et de fonte.
Le modèle a été calibré en optimisant la fonction objectif basée sur les coefficients de Nash (Nash-Sutcliffe classique et logarithmique). L’objectif est de minimiser l’écart entre les débits mesurés et simulés, tout en restituant de manière réaliste le comportement des sources et notamment les bas débits. Les modèles ont été calibrés sur toute la période de mesure excepté les 3 dernières années qui ont été utilisées comme période de validation. Les débits simulés et mesurés sont présentés en figure 3.
L’évaluation de la performance du modèle hydrologique est globalement satisfaisante, avec notamment un coefficient de Nash-Sutcliffe de 0,8 pour S1 et S2 et de 0,5 pour S3. Pour les trois sources, les cycles saisonniers ainsi que les variations du débit, notamment durant la phase de récession (période pendant laquelle le réservoir souterrain se vide progressivement et conditionne les bas débits estivaux), sont reproduits adéquatement.

Implémentation des scénarios climatiques

Une fois le modèle hydrologique calibré, huit chaînes de modèles climatiques provenant des simulations CH2018 [12] et couplant GCM (modèles globaux) et RCM (modèles régionaux) ont été utilisées pour simuler l’évolution future du débit des sources. Cet article se concentre sur le scénario RCP 8.5, scénario pessimiste correspondant à une poursuite des émissions élevées. Ces 8 modèles climatiques ont été choisis de manière à couvrir une large gamme de trajectoires de températures et de précipitations jusqu’en 2100 (DMI-HIRHAM_ECEARTH_EUR11, KNMI-RACMO_HADGEM_EUR44, MPICSC-REMO1_MPIESM_EUR11/44, MPICSC-REMO2_MPIESM_EUR11/44, SMHI-RCA_ECEARTH_EUR11, SMHI-RCA_MIROC_EUR44). Les résultats sont présentés sur la base de la médiane des débits simulés obtenus avec ces 8 modèles. Les variations saisonnières sont comparées sur la base des valeurs moyennes sur 30 ans avec une période de référence (1993–2022) comparée à 2 périodes futures (2060: 2045–2074 et 2085: 2070–2099).