Dans la région Nord-Pas de Calais (Nord de la France), les concentrations en nitrates mesurées dans la nappe de la craie, principal aquifère exploité pour l’alimentation en eau potable des populations,  atteignent ou dépassent fréquemment le seuil de potabilité fixé à 50 mg/l par le Décret n°2001-1220 du 20 décembre 2001. La nappe de la craie dans le secteur de Béthune, en bordure nord du bassin minier, présente des caractéristiques hydrogéologiques très favorables. La craie est à cet endroit recouverte par des formations sableuses et argileuses du Cénozoïque, ce qui provoque la mise en captivité de la nappe. Le caractère captif de la nappe permet l’existence du processus naturel de dénitrification, conduisant à la dégradation rapide des nitrates et se traduisant par l’obtention d’une eau de bonne qualité.
La nappe de la craie dans le secteur de Béthune présente de bonnes caractéristiques aussi bien sur le plan quantitatif que qualitatif, permettant l’alimentation en eau potable du bassin minier. Afin de pouvoir gérer au mieux cette ressource en eau, la réalisation d’une modélisation hydrodynamique est nécessaire. Les simulations numériques impliquent souvent la manipulation à grande échelle des données  d'entrée. La production de ces données par Système d'information géographique  (SIG) offre une plate-forme intégrée de modélisation, de gestion, d’analyse et d'affichage des données, et facilite par la suite la modélisation. La démarche adoptée a été tout d’abord de créer un modèle conceptuel de données selon la méthode HBDS afin  de structurer les données et de simplifier le problème. Ensuite, un modèle physique de données a été réalisé dans un système d’information géographique (ARCGIS9.3).Toutes les données d’entrée de la modélisation hydrodynamique ont été préparées dans le SIG selon un modèle construit  spécialement  pour exécuter une chaine de procédure  consécutive pour avoir à la fin des fichiers XYZ utilisables directement  dans le logiciel de la modélisation hydrodynamique (Modflow).

La zone étudiée (figure 1) se situe dans la région Nord Pas-de-Calais (Nord de la France). Elle fait partie du bassin hydrographique Artois-Picardie.

Une coupe géologique (figure 2) d’orientation Nord-sud permet de diviser le secteur en deux parties distinctes :
·    la partie sud, où la craie est affleurante.
·    la partie nord constituée par des terrains du Cénozoïque représentés du haut vers le bas, par les sables d’Ostricourt d’une épaisseur moyenne de 10 à 15m et par les argiles de Louvil d’une épaisseur comprise entre 10 à 15m.

Les terrains du Mésosoïque sont composés par la craie du Sénonien d’une épaisseur de l’ordre de 50m qui surmonte la craie du Turonien supérieur. Cette dernière a une épaisseur moyenne d’une dizaine de mètres. Les différentes couches géologiques présentent un pendage général vers le Nord. Les formations crayeuses ne sont donc plus à l’affleurement, mais recouvertes par une épaisseur croissante de formations tertiaires sableuses et argileuses en proportion variable.
La craie du Sénonien renferme l’aquifère principal. Dans la partie Nord de la zone d’étude, la nappe de la craie est donc protégée par cette couverture de terrains tertiaires qui est en partie granulaire, en partie argileuse, lui conférant un triple rôle : de filtre, de tampon et d’écran peu perméable vis-à-vis des flux de pollutions de surface. L’existence d’un phénomène de dénitrification sous cette couverture, en milieu anaérobie, contribue à la protection de la ressource en eau potable vis-à-vis des pollutions azotées (nitrates).

Les données d’entrée de la modélisation hydrodynamique, telles que le toit et mur des couches présentant le modèle, la conductivité,  la piézométrie initiale,  doivent être en format XYZ^*.La préparation des fichiers contenant ces paramètres est une tâche difficile et  prend beaucoup de temps. L’utilisation des SIG pour la préparation des données permet de simplifier cette tâche. L’application des  systèmes d'information géographique (SIG) peut améliorer la capacité et l'efficacité des modèles relatifs aux des eaux souterraines (Mane et al 2007, Tsou et al 2001). Les  SIG ont  la capacité de manipuler  à grande échelle des données spatiales et non spatiales et d’effectuer des analyses spatiales complexes sur des cartes superposées.

La première étape dans l’élaboration  d’un  SIG c’est la Construction  d’un Modèle conceptuel de Données, La construction du MCD est une étape indispensable et précède toute création d’un SIG. Il doit être évolutif afin de permettre l'intégration de nouveaux phénomènes (Arab et al. 2005). Le   MCD  a été élaboré selon la méthode HBDS (Hypergraph Based Data Structure) inventée par F. Bouillé (Un modèle universel de banque de données, portable et simultanément partageable, 1977). C’est une méthode de modélisation des données s'appuyant sur la théorie des hypergraphes. Le modèle HBDS est une méthode générale de la structuration de l’information spatiale, thématique et temporelle qui s’appuie sur une approche phénoménologique, fondée sur la théorie des ensembles, qui régit les phénomènes de toutes natures ainsi que leur organisation, et sur la théorie des graphes y compris le concept d’hypergraphe (Berge. C, 1970). Le but de la   modélisation HBDS est  de structurer les données afin de  passer du général au générique et de la complexité à la simplicité, pour bien comprendre les différents phénomènes qui influencent le fonctionnement des eaux souterraines. La méthode HBDS utilise quatre éléments basiques dans sa conception : Classe, objet, attribut et association(figure 3). La classe est l'ensemble des éléments appelés objets. Les hyperclasses regroupent les classes sémantiques qui font partie d'un même sujet.  Les objets d'une classe sont caractérisés par des attributs et peuvent avoir des relations avec des objets de la même classe ou avec d'autres classes, appelé lien entre classes. (Bouille, F., 1977).

La description du monde réel, des entités, des caractères et des relations, peut s’exprimer de plusieurs façons :

La création du modèle conceptuel de données (MCD) est une étape essentielle, puisqu’elle Permet de faire le lien entre la problématique de l’étude et la construction du Système D’Information Géographique (SIG) (Thierry, S.G., 2005).

Le modèle MCD  (figure 4) est représenté par un projet conceptuel, formalisant graphiquement les hyperclasses, les classes, les attributs et les liens qui expriment les phénomènes simples ou complexes du monde réel. Le MCD se constitue de deux hypergraphes : Surface et Sous-sols, dans lesquels il y a des hyperclasses comprenant des classes portant des valuations. Les associations entre classes,  les attributs, et le lien entre objets sont symbolisés sur le schéma.

L’élaboration du MCD est indépendante des techniques des logiciels de SIG, tandis que la création d’un Modèle Physique de Données (MPD) nécessite une plate forme qui représente son support physique (Bouille, F., 1977). Dans le cadre de notre étude, nous avons travaillé avec les produits proposés par ESRI notamment ArcGis. ArcGis Desktop est  une plate-forme SIG complète qui permet d’élaborer un système d’information géographique sous forme de trois logiciels offrant trois niveaux de fonctionnalité supérieure : ArcView, ArcEditor et ArcInfo. De plus, il comprend une suite d’applications comme ArcMap, ArcCatalog, ArcToolbox, tout d’abord,  L’application que nous allons utiliser est ArcCatalog, car elle permet d’accéder à un modèle de données nommé « geodatabase », implantée sous Arcview, et qui constituera notre plate-forme pour créer notre MPD. L'objet, l'entité dans l'Arc Gis, est un élément d'une classe. Les attributs caractérisent l'objet. Chaque élément basique du modèle hypergraphique a sa propre représentation graphique dans ArcGis  (tableau 2).

Les Geodatabases (figure 4)  en Arc GIS  représentent une image physique du modèle conceptuel de données, elles permettent de structurer l'information spatiale (géographique) et/ou aspatiale (thématique), le modèle physique peut être réalisé  en remplaçant chaque hypergraphe par une Geodatabase, chaque hyperclasse par featurclass et chaque classe par featurclass, ce qui permet d'organiser et présenter des données spatialement référencées, ainsi que de produire des cartes.

Dans cette étape toutes les données d’entrée de la modélisation hydrogéologique ont  été élaborées dans les SIG. Il s’agit du toit et du mur des trois horizons géologiques représentés dans le modèle, les sables d’Ostricourt, l’argile de Louvil  et la craie, ainsi que tous les paramètres hydrodynamiques du modèle comme par exemple la conductivité hydraulique.  En réalité, il est impossible d'obtenir de données en chaque point désiré. L’interpolation permet déterminer la distribution spatiale d’un phénomène à partir d’un ensemble d’échantillons et prédit les valeurs de l'inconnue à partir des données observées connues. Les données de base utilisées ont été extraites à partir d’un ensemble d’échantillons fournis par la BBS (banque de données du sous sol) du BRGM (Bureau de recherches géologiques et minières). Le krigeage est la méthode géostatistique utilisée  qui s'avère utile et performante (Matheron, G., 1963). C’est la méthode optimale et la plus précise (Gratton, 2002). Il a été largement utilisé dans les géosciences (Journel and Huijbregts, 1981). Les cartes krigées  doivent se transformer en points XYZ, afin de faciliter le travail et ne pas répéter les démarches pour chacune des données. Un modèle selon (model builder) (figure 5) est construit  spécialement  pour exécuter une chaine des procédures consécutives et avoir à la fin des fichiers XYZ (figure 6) utilisables directement  dans Modflow.

La gestion de la nappe de la craie dans le secteur de Béthune (Nord de la France), nécessite la réalisation d’une modélisation hydrogéologique.
L’utilisation du système d’information géographique présente un outil fiable pour la préparation des données d’entrée de la modélisation hydrogéologique. Le modèle conceptuel de données MCD préparé selon la méthode HBDS  a permis de visualiser les liens qui existent entre  les différents phénomènes étudiés.
Le  modèle physique de données  se présentant par les Geodatabases a été réalisé essentiellement dans le but de structurer l'information spatiale (géographique) et/ou aspatiale (thématique), le traitement, la manipulation et  la création des données d’entrée se sont effectués avec  un modèle conçu  dans (ArcGis 9.3).

Arab, R., Minelli, F., Pirot, F., 2005.De la modélisation à implémentation: proposition d’une méthodologie pour le recensement des mares dans le Nord-Pas-de-Calais, in : conférence francophone ESRI.

Berge, C., 1970.Graphes et des Hypergraphes, Dunod Université, p. 516.

Bouille, F., 1977. Un modèle universel de banque de données simultanément partageable et répartie, thèse d’état es sciences (spécialité mathématiques, mention : informatique), Paris, Université Paris VI.

Gratton, Y., 2002. Le krigeage : la méthode optimale d’interpolation spatiale,  les articles de l’Institut d’Analyse Géographique.

Hamel, P., 1996.  S.I.G. du Grand Caen, Thèse de doctorat, GEOSYSCOM, Caen.
Journel, G. and Huijbregts, CH. J., 1981. Mining Geostatistics, Academic Press.

Mane, M. S., Singh, D. K., Singh A.K., Bhattacharya A. K., 2007. Development of GIS interface Con2grid for groundwater model, CURRENT SCIENCE, VOL. 92, NO. 9, 10 MAY 2007.

Matheron, G. (1963). Principles of Geostatistics. Economic Geol., 58, 1246-1268.

Pirot, F., Thierry, S.G., 2004, Du concept HBDS à la geodatabase topologique : 25 ans les séparent, in : Conférence Francophone ESRI.

Thierry, S.G., 2005. Comprendre pour mesurer, ou mesurer pour comprendre ? HDBS : pour une approche conceptuelle de la modélisation géographique du monde réel.

Tsou, Ming-Shu and Whittemore, D. O., 2001. User interface for groundwater modeling: Arc View Extension. J. Hydrol. Eng., 2001, 6, 251–258.