Analyse et modélisation de l’impact hydrodynamique et biogéochimique des lacs de gravières sur la nappe alluviale en val de Seine

Titre
Publication TypeThesis
Year of Publication1998
AuthorsSchanen, O
Thesis Typemasters
Abstract

Une étude interdisciplinaire a été engagée à l’initiative de l’U.N.P.G. (Union Nationale des Producteurs de Granulats), et du PIREN-Seine (Programme Interdisciplinaire de Recherche sur l’Environnement de la Seine, du CNRS), afin d’analyser et modéliser l’impact hydrodynamique et biogéochimique des lacs de gravières sur la nappe alluviale et de quantifier, en particulier, la contribution de ces milieux vis-à-vis des transferts d’éléments nutritifs vers la rivière. L’étude a porté sur 9 lacs de gravières, situés à proximité de la rivière et répartis sur deux communes, Egligny et Vimpelles, dans la Bassée (77). Ces lacs de gravières ont été réaménagés en plans d’eau à l’aide de remblais hétérogènes, constitués principalement d’alluvions limono-argileuses peu perméables, répartis sur leur pourtour. Ils diffèrent par leur géométrie (1-22 ha, 1-3 m de profondeur), leur âge (5 - 30 ans), et deux plans d’eau du secteur de Vimpelles, très artificialisés, recoivent des rejets d’eau de lavage de granulats. Le site a été équipé de 16 piézomètres.

L’analyse des écoulements souterrains a nécessité le suivi saisonnier de la piézométrie. La nappe est mise en charge au niveau des gravières, en rapport avec le colmatage partiel des berges et la faible perméabilité des remblais. Ceci tend à limiter les échanges, habituellement importants et alternés, entre la nappe et la rivière. L’évapotranspiration s’exer{\c c}ant au niveau des gravières engendre un déficit d’alimentation de la nappe estimé à 7-8 l.s-1.km-2, et pouvant atteindre 13 l.s-1.km-2 les années sèches, contribuant à la diminution du niveau de la nappe à ces périodes. Le suivi saisonnier de la qualité de l’eau a fait l’objet de nombreux prélèvements et la mesure des paramètres physico-chimiques et biologiques. Il a, en particulier, révélé le caractère désoxygéné de la nappe, résultant principalement des remblais peu perméables, ce qui est suceptible d’avoir un impact biogéochimique sur les transferts de matière.

La quantification de l’impact biogéochimique des gravières sur la nappe, a nécessité la connaissance fine des écoulements, et la détermination de paramètres hydrologique et hydrogéologique comme le temps de séjour de l’eau dans les plans d’eau et les perméabilité du milieu poreux aux interfaces nappe/gravières. Elle a conduit à l’élaboration d’un modèle, capable de déterminer les transmissivités du milieux poreux aux interfaces et les débits associés, par optimisation du bilan hydrologique des gravières (2). Le modèle a été testé sur les cinq gravières du secteur de Vimpelles. Son calage a nécessité l’estimation de l’évapotranspiration réelle, paramètre sensible du modèle, à l’aide d’un bac d’évaporation. Les perméabilités restituées sont en accord avec le degré de colmatage qualitatif déterminé pour certaines interfaces et l’erreur sur le bilan hydrologique est inférieure à 12% pour les trois gravières non artificialisées du secteur. La validation du modèle a été entreprise par des tra{\c c}ages afin de déterminer le temps de résidence de l’eau dans les gravières et les perméabilités de certaines interfaces. Mais leur interprétation s’est avérée délicate compte tenu de l’adsorption des traceurs utilisés (le brome et l’iode), sur la matière particulaire. Concernant l’iode, une expérimentation au laboratoire a permis de vérifier le phénomène et de le quantifier à l’échelle des gravières. Ainsi, les tra{\c c}ages ne remettent pas en cause la cohérence du modèle et différents éléments permettent de le valider, directement et indirectement.

L’estimation de la contribution des lacs de gravières aux flux de nutriments et de carbone organique a été envisagée selon deux approches: l’une, à l’échelle des gravières, à l’aide d’un modèle de fonctionnement écologique (modèle RIVE), et l’autre, à l’échelle des systèmes constitués par les gravières et leur ceinture de remblais, sur la base des flux de matière établis aux interfaces. La seconde approche, actuellement la plus aboutie, a permis de montrer que les milieux étudiés se comportent, dans l’ensemble, comme des pièges vis-à-vis de ces éléments qu’ils interceptent par la nappe. Ils retiendraient de 31à 85% d’azote (42 à 61 kg N.ha-1.an-1), jusqu’à 50 % de phosphore (1,1 kg P.ha-1.an-1), jusqu’à 33 % de silice dissoute (75 kg SiO2.ha-1.an-1), et de 7 à 85 % de carbone organique (8 à 3554 kg Corg.ha-1.an-1). Cependant, certaines gravières exportent plus de phosphore et de carbone organique qu’elles n’en interceptent par la nappe, ce qui résulte de la non prise en compte, dans les bilans, des apports atmosphériques ainsi que des apports d’origine terrestre (érosion des sols et des berges, débris végétaux). En considérant des apports atmosphériques de 8,8 kg N.ha-1.an-1 et de 0,66 kg P.ha-1.an-1 (1), les systèmes étudiés piégeraient de 51à 69,9 kg N.ha-1.an-1 et de 0,38 à 1,76 kg P.ha-1.an-1. Les capacités de piégeages mises en évidence seraient encore sous-estimées compte tenu de la non prise en compte, dans les bilans, des apports d’origine terrestre difficilement quantifiables que ces milieux de petite superficie sont susceptibles de recevoir.

(1) RYDING S. O. & RAST W. (1994). Le contrôle de l’eutrophisation des lacs et des réservoirs. Sciences de l’Environnement. Masson. Unesco Eds 1-294.
(2) SCHANEN O., BENDJOUDI H., LEVASSOR A. & FUSTEC E. (1998). Quantification des écoulements Nappe-Gravières, en zone alluviale, par optimisation des paramètres du bilan hydrologique. C. R. Acad. Sci., 326: 107-112.