Comment la modélisation peut aider à mieux gérer la ressource en eau

André Fourno, IFP Énergies nouvelles ; Benoit Noetinger, IFP Énergies nouvelles et Youri Hamon, IFP Énergies nouvelles

Alors que les arrêtés de restriction d’usage de l’eau en raison de la sécheresse se multiplient depuis le début du mois de juin 2025, une question se pose : peut-on mieux prévoir l’évolution de ces ressources grâce aux outils numériques ? Les aquifères (roches poreuses souterraines) et la complexité de leurs structures sont difficiles à appréhender pour les chercheurs depuis la surface de la Terre. La modélisation numérique a beaucoup à apporter à leur connaissance, afin de mieux anticiper les épisodes extrêmes liés à l’eau et mieux gérer cette ressource.

Les eaux souterraines, qui représentent 99 % de l’eau douce liquide sur terre et 25 % de l’eau utilisée par l’homme, constituent la plus grande réserve d’eau douce accessible sur la planète et jouent un rôle crucial dans le développement des sociétés humaines et des écosystèmes.

Malheureusement, les activités anthropiques affectent fortement la ressource, que ce soit par une augmentation de la demande, par l’imperméabilisation des surfaces ou par différentes contaminations…

À ces menaces s’ajoutent les perturbations des cycles et des processus naturels. Le changement climatique entraîne ainsi des modifications des régimes hydrologiques, telles que la répartition annuelle des pluies et leur intensité, ainsi que l’augmentation de l’évaporation.

Si remédier à cette situation passe par une adaptation de nos comportements, cela exige également une meilleure connaissance des hydrosystèmes, afin de permettre l’évaluation de la ressource et de son évolution.

Sa gestion pérenne, durable et résiliente se heurte à de nombreuses problématiques, aussi rencontrées dans le secteur énergétique (hydrogène, géothermie, stockage de chaleur, stockage de CO₂…

Il s’agit donc de considérer les solutions mises en place dans ces secteurs afin de les adapter à la gestion des ressources en eau. Ce savoir-faire vise à obtenir une représentation 3D de la répartition des fluides dans le sous-sol et à prédire leur dynamique, à l’instar des prévisions météorologiques.

Les aquifères : des formations géologiques diverses et mal connues

Comme l’hydrogène, le CO₂ ou les hydrocarbures, l’eau souterraine est stockée dans la porosité de la roche et dans ses fractures, au sein de « réservoirs » dans lesquels elle peut circuler librement. On parle alors d’aquifères. Ces entités géologiques sont par nature très hétérogènes : nature des roches, épaisseur et morphologie des couches géologiques, failles et fractures y sont légion et affectent fortement la circulation de l’eau souterraine.

Pour comprendre cette hétérogénéité du sous-sol, les scientifiques n’ont que peu d’informations directes.L’étude de la géologie (cartographie géologique, descriptions des différentes unités lithologiques et des réseaux de failles et fractures, étude de carottes de forage) permet de comprendre l’organisation du sous-sol.

Les géologues utilisent également des informations indirectes, obtenues par les techniques géophysiques, qui permettent de déterminer des propriétés physiques du milieu (porosité, perméabilité, degré de saturation…) et d’identifier les différentes zones aquifères.

Enfin, grâce à des prélèvements d’échantillons d’eau et à l’analyse de leurs compositions (anions et cations majeurs ou traces, carbone organique ou inorganique, isotopes), il est possible de déterminer l’origine de l’eau (eau météorique infiltrée, eau marine, eau profonde crustale…), les terrains drainés, mais également les temps de résidence de l’eau au sein de l’aquifère.

Ces travaux permettent alors d’obtenir une image de la géométrie du sous-sol et de la dynamique du fluide (volume et vitesse d’écoulement de l’eau), constituant une représentation conceptuelle.

Modéliser le comportement des eaux sous terre

Cependant, les données de subsurface collectées ne reflètent qu’une faible fraction de la complexité géologique de ces aquifères. Afin de confronter les concepts précédemment établis au comportement réel des eaux souterraines, des représentations numériques sont donc établies.

Les modèles numériques du sous-sol sont largement utilisés dans plusieurs champs d’application des géosciences : les énergies fossiles, mais aussi le stockage géologique de CO₂, la géothermie et bien sûr… la ressource en eau !

Dans le domaine de l’hydrogéologie, différentes techniques de modélisation peuvent être utilisées, selon le type d’aquifère et son comportement hydrodynamique.

Les aquifères sédimentaires profonds constitués de couches de sédiments variés sont parfois situés à des profondeurs importantes. C’est, par exemple, le cas des formations du miocène, de plus de 350 mètres d’épaisseur, de la région de Carpentras, qui abritent l’aquifère du même nom. Celles-ci vont se caractériser par une forte hétérogénéité : plusieurs compartiments aquifères peuvent ainsi être superposés les uns sur les autres, séparés par des intervalles imperméables (aquitards), formant un « mille-feuille » géologique.

Représenter la complexité des aquifères

La distribution de ces hétérogénéités peut alors être modélisée par des approches géostatistiques, corrélées à des informations de structure (histoire géologique, déformations, failles…). On parle de « modèles distribués », car ils « distribuent » des propriétés géologiques (nature de la roche, porosité, perméabilité…) de manière spatialisée au sein d’une grille numérique 3D représentant la structure de l’aquifère.

Ces modèles distribués se complexifient lorsque l’aquifère est fracturé et karstique. Ces systèmes hydrogéologiques sont formés par la dissolution des roches carbonatées par l’eau météorique qui s’infiltre, le plus souvent le long des failles et fractures. Ces aquifères, qui sont très largement répandus autour de la Méditerranée (aquifères des Corbières, du Lez, ou des monts de Vaucluse…), ont une importante capacité de stockage d’eau.

Ils se caractérisent par des écoulements souterrains avec deux voire trois vitesses d’écoulement, chacune associée à un milieu particulier : lente dans la roche, rapide au sein des fractures, très rapide dans les drains et conduits karstiques avec des échanges de fluide entre ces différents milieux. Les approches distribuées s’appuient alors sur autant de maillages (représentation numérique d’un milieu) que de milieux contribuant à l’écoulement, afin de modéliser correctement les échanges entre eux.

Anticiper les épisodes extrêmes et alerter sur les risques

Le point fort des approches distribuées est de pouvoir définir, anticiper et visualiser le comportement de l’eau souterraine (comme on le ferait pour un front nuageux en météorologie), mais également de positionner des capteurs permanents (comme cela a été abordé dans le projet SENSE) pour alerter de façon fiable les pouvoirs publics sur l’impact d’un épisode extrême (pluvieux ou sécheresse).

En outre, elles sont le point de passage obligé pour profiter des derniers résultats de la recherche sur les « approches big data » et sur les IA les plus avancées. Cependant, les résultats obtenus dépendent fortement des données disponibles. Si les résultats ne donnent pas satisfaction, il est nécessaire de revoir les concepts ou la distribution des propriétés. Loin d’être un échec, cette phase permet toujours d’améliorer notre connaissance de l’hydrosystème.

Des modélisations dites « globales » assez anciennes reliant par des modèles de type boîte noire (déjà parfois des réseaux neuronaux !) les données de pluie mesurées aux niveaux d’eau et débits observés ont également été mises au point à l’échelle de l’aquifère. Elles sont rapides et faciles d’utilisation, toutefois mal adaptées pour visualiser et anticiper l’évolution de la recharge et des volumes d’eau en place dans un contexte de changements globaux, avec notamment la multiplication des évènements extrêmes.

Loin d’être en concurrence, ces approches doivent être considérées comme complémentaires. Une première représentation du comportement actuel de l’aquifère peut être obtenue avec les approches globales, et faciliter l’utilisation et la paramétrisation des approches distribuées.

Des outils d’aide à la décision

Ces dernières années, la prise en considération des problématiques « eau » par les pouvoirs publics a mis en lumière le besoin d’évaluation de cette ressource. Le développement d’approches méthodologiques pluridisciplinaires couplant caractérisation et modélisation est une des clés pour lever ce verrou scientifique.

De tels travaux sont au cœur de nombreux programmes de recherche, comme le programme OneWater – Eau bien commun, le programme européen Water4all ou l’ERC Synergy KARST et de chaires de recherche telles que GeEAUde ou EACC.

Ils apportent une meilleure vision de cette ressource dite invisible, et visent à alerter l’ensemble des acteurs sur les problèmes d’une surexploitation ou d’une mauvaise gestion, à anticiper les impacts des changements globaux tout en fournissant des outils d’aide à la décision utilisables par les scientifiques, par les responsables politiques et par les consommateurs.

André Fourno, Chercheur, IFP Énergies nouvelles ; Benoit Noetinger, Chercheur, IFP Énergies nouvelles et Youri Hamon, Ingénieur de Recherche, IFP Énergies nouvelles

Cet article est republié à partir de The Conversation sous licence Creative Commons. Lire l’article original.