Brevet FR3082939A1 — publié le 20191227

PROCEDE ET SYSTEME DE PREVISION DE NIVEAUX DE NAPPES D'EAU SOUTERRAINES A C1NETIQUE RAPIDE AFIN D'ANTICIPER L'OCCURRENCE D'INONDATIONS PAR REMONTEES DESDITES NAPPES Domaine technique La présente invention concerne le domaine de la prévision des niveaux de nappes d'eaux souterraines. Elle concerne plus spécifiquement les nappes à cinétiques rapides, en vue d'anticiper l'occurrence d'inondations dans des zones sensibles au phénomène dit de remontée de nappes. Le risque d'inondation par remontée de nappe est présent dans les secteurs où les eaux souterraines sont très réactives aux précipitations (en termes de délai et d'amplitude de battement de nappe). Dans ces secteurs, les remontées de nappe peuvent atteindre plusieurs dizaines de mètres en moins de 24 heures. Ce type de phénomène est par conséquent très rapide et peut entrainer l'inondation d'ouvrage enterrés ou exercer des sous- pression sur les fondations de certains ouvrages. L'invention vise donc à anticiper l'occurrence de ce type de phénomène en proposant une prévision des niveaux de nappes à court voire très court terme à une échelle géographique locale. Art antérieur Dans le domaine de la prévision des remontées de nappes, des méthodes ont déjà été proposées. On peut classer ces méthodes en deux catégories, l'une étant basée sur des modèles fondés sur l'historique météorologique, l'autre étant basée sur des modèles fondés sur l'élaboration de scenarii prévisionnels. Dans la première catégorie, on pourra se référer à la demande de brevet US2005/038763 qui propose une méthode de prévision des niveaux de nappe, basée sur l'historique des observations des conditions météorologiques et des niveaux de nappe, et d'un traitement statistique de ces données historiques Cette méthode consiste à réaliser des prévisions à partir de tendances statistiques définies sur la base des données passées. Les prévisions visées sont à long terme, typiquement de plusieurs mois à plusieurs années, dans un contexte de changement 2 climatique mais n'est pas adaptée aux prévisions à très court terme, quelques heures à quelques jours. Ainsi, cette méthode concerne les nappes à cinétique lente, comme les nappes alluviales, mais n'est pas adaptée aux nappes à cinétique rapide, de type karstique par exemple En ce qui concerne la deuxième catégorie, la publication [1] décrit un outil d'aide à la décision qui vise à prévoir les niveaux de nappe et les débits de rivière à l'échelle du territoire français, en utilisant des scénarii météorologiques hypothétiques. Ici encore, les prévisions visées sont à long terme, typiquement plusieurs mois, 10 et concernent les nappes à cinétique lente, mais ne sont pas adaptées aux nappes à cinétique rapide. A ce jour, il n'existe donc pas de méthode/système de prévision de niveaux de nappes d'eaux souterraines à cinétique rapide (présentant une forte réactivité aux précipitations), qui permette de faire des prévisions à court terme, typiquement de 1 à 4 ou 15 5 jours, et de surcroît à une échelle locale Le but de l'invention est de pallier ce manque de méthode/système. Exposé de l'invention Pour ce faire, l'invention concerne, sous un de ses aspects, un procédé de prévision des niveaux d'une ou plusieurs nappes d'eau souterraine à cinétique rapide dans 20 une zone géographique déterminée comportant les étapes suivantes : a/ acquisition en temps réel, de données de (des) niveau(x) piézométriques au sein de la zone déterminée ; b/ acquisition en temps réel, de données météorologiques au moyen d'une ou plusieurs stations météorologiques au sein de la zone déterminée , 25 c/ acquisition et mise à jour en temps réel, de prévisions météorologiques à 4 ou 5 jours, obtenues par le modèle météorologique, appelé « Weather Research and Forecasting » (WRF). d/ calage d'un modèle de simulation numérique, dit « modèle pluie-niveau », adapté aux nappes à cinétique rapide, pour déterminer des niveaux de la nappe dans la zone 30 déterminée, à partir des données acquises aux étapes a/ et b/ ; 3 e/ réalisation d'une simulation numérique du modèle pluie-niveau calé selon l'étape d/, à partir des données de prévisions météorologiques acquises à l'étape c) de sorte à obtenir une prévision du(des) niveau(x) de la (des) nappe(s) dans la zone déterminée Par « calage », on entend le sens technologique usuel, à savoir un ajustement 5 des valeurs numériques attribuées aux paramètres du modèle pluie-niveau, afin que les valeurs calculées d'un niveau de nappe soient aussi proches que possible des valeurs observées de ce niveau à un instant t. L'invention consiste donc à récupérer automatiquement des données piézométriques et météorologiques acquises sur un site précis, ainsi que les données issues 10 de la prévision météorologique locale fournie par WRF, puis à alimenter le modèle pluie/niveau de manière à faire une prévision des niveaux de nappe locales à 4-5 jours. L'invention permet avant tout dans un délai court, de prévoir avec fiabilité le(s) niveau(x) de nappes d'eaux souterraines à cinétiques rapides qui peu(ven)t être atteint(s) dans 1 à 4 ou 5 jours 15 Chaque étape du procédé peut engendrer des incertitudes - l'acquisition des données pluviométriques acquise sur le terrain ne peut jamais parfaitement reproduire le(s) niveau(x) de nappe(s), du fait de l'hétérogénéité des précipitations à l'échelle d'une zone (bassin versant) , - le modèle pluie/niveau est initialement utilisé à un pas de temps journalier mais 20 la cinétique des remontées de nappe peut se faire à un pas de temps très court, typiquement de 30 min ; - le calage du modèle présente une incertitude très dépendante de l'observateur ; - les prévisions météorologiques peuvent rapidement changer d'un jour à l'autre. L'invention permet avantageusement de faire tourner un modèle qui permet de 25 réévaluer en continu toutes les prévisions, de manière à réduire l'impact de ces incertitudes, c'est-à-dire à affiner le degré de fiabilité des prévisions. De préférence, le temps réel des étapes a/ et b/ est inférieur à1 heure, de préférence encore compris entre 10 et 30 minutes. Selon une variante avantageuse, l'étape d/ de calage est réalisée par itérations 30 par un opérateur ou de manière automatique par le modèle lui-même. 4 Selon un mode de réalisation avantageux, les données piézométriques et météorologiques sont envoyées par télétransmission à un serveur central dans lequel les modèles numériques sont hébergés. Selon un autre mode de réalisation, comprenant ultérieurement à l'étape e/ : 5 - une étape f/ de comparaison du(des) niveau(x) de nappes avec un seuil d'alerte et en cas de dépassement de ce dernier, - une étape g/ de déclenchement d'une alarme et/ou de mise en oeuvre de moyens actifs de pompage Avantageusement, la résolution temporelle du modèle pluie-niveau correspond 10 au pas de temps des données météorologiques acquises lors de l'étape b/ L'invention concerne également un système de mise en oeuvre du procédé qui vient d'être décrit, comprenant : - un serveur central hébergeant les données et modèles numériques; - un ou plusieurs piézomètres équipés d'un capteur de pression dans la zone 15 géographique déterminée ; - une ou plusieurs stations météorologiques agencée(s) dans la zone géographique déterminée ; dans lequel le(s) piézomètre(s) et la(les) station(s) météorologique(s) sont reliés au serveur central afin de transmettre leurs données de mesure en temps réel. 20 Selon une variante avantageuse, le(s) piézomètre(s) et la(les) station(s) météorologique(s) sont munis d'émetteurs de télétransmission pour transmettre en temps réel les données au serveur central. Selon un mode de réalisation avantageux, le système comprend une alarme et/ou des moyens actifs de pompage, dont l'unité de commande est reliée au serveur central. 25 L'invention concerne également l'utilisation du procédé décrit précédemment et/ou du système précédemment, pour l'aide à la décision opérationnelle en situation de crise liée à une remontée de la ou des nappes d'eau souterraine à cinétique rapide. Description détaillée D'autres avantages et caractéristiques de l'invention ressortiront mieux à la 30 lecture de la description détaillée d'exemples de mise en oeuvre de l'invention faite à titre illustratif et non limitatif en référence aux figures suivantes, parmi lesquelles : 5 - la figure 1 est un organigramme de la méthode de prévision des nappes selon l'invention ; - la figure 2 illustre sous forme de courbes un exemple de chroniques respectivement des hauteurs de pluie, de température et hauteurs de nappe mesurées ainsi 5 que les hauteurs de nappes obtenues par la simulation selon l'invention, avant et après une date To. La figure 1 illustre l'enchaînement des différentes étapes mises en oeuvre dans la méthode de prévision de niveaux de nappes dans une zone locale, selon l'invention. Les hauteurs de nappe sont mesurées dans des piézomètres dit de référence 10 (forage conforme et représentatif du comportement hydrodynamique de la nappe suivie) implantés dans les secteurs jugés les plus sensibles au phénomène d'inondation par remontée de nappe. Ces piézomètres sont équipés d'un capteur de pression enregistrant les variations des hauteurs de nappe (au pas de temps adapté à la réactivité de la nappe, typiquement 30 minutes) ainsi que d'une station de télétransmission permettant 15 d'enregistrer et de télétransmettre en temps réel les mesures. Par ailleurs, une ou plusieurs stations météorologiques locales permettent d'enregistrer en temps réel et au pas de temps 10 minutes, certains paramètres tels que la hauteur des précipitations, la température au sol et l'humidité relative météorologiques qui sont nécessaires à la mise en oeuvre de la méthode. 20 La première étape de la méthode consiste donc à faire l'acquisition de données de mesures météorologiques et piézométriques issues des divers équipements précités, de leur appliquer un traitement (homogénéisation et correction), et de les stocker dans le système pour ensuite alimenter le modèle pluie-niveau Le modèle pluie-niveau choisi est celui d'un modèle adapté aux nappes à 25 cinétique rapide Les inventeurs ont porté leur choix sur le modèle décrit dans la publication [2]. Ce modèle pluie/niveau permet de reconstituer les niveaux de nappe à cinétique rapide à partir des données météorologiques La finalité de l'étape est de déterminer les paramètres de calage qui permettent 30 de reconstituer au mieux les données piézométriques mesurées à partir des données météorologiques relevées. 6 Le calage du modèle pluie/niveau est réalisé manuellement par l'opérateur, par itérations, tel que décrit dans [2]. Afin d'améliorer les performances du modèle, les inventeurs ont en outre affiné la résolution temporelle du modèle initialement figée au pas de temps journalier, et ce afin 5 de correspondre au mieux aux pas de temps des données météorologiques enregistrées Ainsi, la résolution peut être de 1 heure, 30 minutes ou 10 minutes. Cet affinage de résolution permet d'augmenter significativement la précision de la reconstitution des niveaux de nappe. On peut également envisager de réaliser le calage de manière automatique sur 10 la base de plusieurs critères permettant d'évaluer la justesse de la simulation. Les inventeurs pensent ainsi améliorer considérablement la méthode initiale décrite dans [2], avec comme avantages - - une optimisation de la précision du modèle ; - un gain de temps significatif sur le paramétrage ; 15 - une discrétisation plus fine du milieu (nombre de niveaux verticaux) ; - l'estimation d'un indice de confiance de la prévision des niveaux, basée sur l'inter-comparaison des réponses suivant le ou les critères de justesse choisis. A partir des données de prévisions météorologiques simulées avec l'outil WRF pour la zone d'intérêt, on réalise alors la simulation numérique des niveaux de nappe à l'aide 20 du modèle pluie-niveau calé au préalable. Les simulation WRF sont réalisées quotidiennement et à 4,5 jours, elles se chevauchent donc. Ainsi à un instant T correspondent 4 ou 5 prévisions. La disparité des prévisions de niveau de nappe obtenues suivant la prévision utilisée permet d'évaluer l'indice de confiance sur le niveau H réellement atteint par la nappe 25 On réalise alors une comparaison de H avec au moins un seuil d'alerte S Ce seuil peut être déterminé en fonction de plusieurs paramètres intrinsèques à la zone locale, tels que la côte des fondations, des ouvrages enterrés, l'implantation et la disponibilité des dispositifs de pompage/drainage, ... De préférence, cette étape ultime de comparaison se fait à partir du plus haut 30 des niveaux de nappe prévus. En cas de dépassement, une alerte peut être envoyée. 7 La figure 2 illustre sur un même graphe la courbe d'une simulation selon l'invention d'un niveau de nappe à cinétique rapide dans une zone locale et la courbe de mesures réelles du niveau de la nappe On précise ici que les journées choisies bien que datant de Novembre 2011, sont particulièrement significatives car au cours de cette période, il s'est produit un événement pluvieux exceptionnel dans la zone locale qui a entrainé la plus forte remontée de nappe jamais observée dans ladite zone L'invention n'est pas limitée aux exemples qui viennent d'être décrits on peut notamment combiner entre elles des caractéristiques des exemples illustrés au sein de 10 variantes non illustrées. 8 REFERENCES C1TEES [1]: H. Bessi ère, B. Mougin, Y. Vigier, J. Nicolas, S. Loigerot, 2017. «AlétéE,au des nappes: a decision making tool to characterize in almost real-time groudwater quantitative state». Revue "Géologues" numéro 195 - Décembre 2017; 5 [2]: K. Najib *, H Jourde, S. Pistre, 2008 "A methodology for extreme grounchvater s'urge predetermination in carbonate aquiférs: Groundwater flood irequency analysis". REVENDICATIONS1. Procédé de prévision des niveaux d'une ou plusieurs nappes d'eau souterraine à cinétique rapide dans une zone géographique déterminée comportant les étapes suivantes : a/ acquisition en temps réel, de données de niveau(x) piézométrique(s) au sein de la zone déterminée ; b/ acquisition en temps réel, de données météorologiques au moyen d'une ou plusieurs stations météorologiques au sein de la zone déterminée ; cl acquisition et mise à jour en temps réel, de prévisions météorologiques à 4 ou 5 jours, obtenues par le modèle météorologique, appelé « Weather Research and Forecasting» (WRF). d/ calage d'un modèle de simulation numérique, dit « modèle pluie-niveau », adapté aux nappes à cinétique rapide, pour déterminer des niveaux de la nappe dans la zone déterminée, à partir des données acquises aux étapes a/ et b/ e/ réalisation d'une simulation numérique du modèle pluie-niveau calé selon l'étape d/, à partir des données de prévisions météorologiques acquises à l'étape c) de sorte à obtenir une prévision du(des) niveau(x) de la (des) nappe(s) dans la zone déterminée. 2. Procédé selon la revendication 1, le temps réel des étapes a/ et b/ étant inférieur à 1 heure, de préférence compris entre 10 et 30 minutes. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, l'étape d/ de calage étant réalisée par itérations par un opérateur ou de manière automatique par le modèle lui-même. 4. Procédé selon l'une des revendications précédentes, les données piézométriques et météorologiques étant envoyées par télétransmission à un serveur central dans lequel les modèles numériques sont hébergés. 5. Procédé selon l'une des revendications précédentes, comprenant ultérieurement à l'étape e/ : - une étape fi de comparaison du(des) niveau(x) de nappes avec un seuil d'alerte et en cas de dépassement de ce dernier, - une étape g/ de déclenchement d'une alarme et/ou de mise en oeuvre de moyens actifs de pompage 6. Procédé selon l'une des revendications précédentes, la résolution temporelle du modèle pluie-niveau correspondant au pas de temps des données météorologiques acquises lors de l'étape b/. I 0 7. Système de mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendications 1 à 6, comprenant : - un serveur central hébergeant les données et modèles numériques; - un ou plusieurs piézomètres équipés d'un capteur de pression dans la zone 5 géographique déterminée ; - une ou plusieurs stations météorologiques agencée(s) dans la zone géographique déterminée ; dans lequel le(s) piézomètre(s) et la(les) station(s) météorologique(s) sont reliés au serveur central afin de transmettre leurs données de mesure en temps réel. 10 8. Système selon la revendication 7, le(s) piézomètre(s) et la(les) station(s) météorologique(s) étant munis d'émetteurs de télétransmission pour transmettre en temps ré& les données au serveur central. 9. Système selon la revendication 7 ou 8, comprenant une alarme et/ou des moyens actifs de pompage, dont l'unité de commande est reliée au serveur central. 15 10. Utilisation du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 et/ou du système selon l'une des revendications 7 à 9, pour l'aide à la décision opérationnelle en situation de crise liée à une remontée de la ou des nappes d'eau souterraine à cinétique rapide.