présentée par : myriam dedewanou thèse dirigée par: ary bruand, stéphane binet, hervé noel
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1
Vulnérabilité spécifique des forages vis-à-vis des phytosanitaires
Modélisation analytique application au Val d’Orléans
Présentée par : Myriam DEDEWANOUThèse dirigée par: Ary BRUAND, Stéphane BINET, Hervé NOEL
30 juin 2014
Thèse CIFRE
Ecole EGRIN
2
Consommation dans le monde
Goodplanet.info, 2008
En kg/ha de terre agricole
> 104,5 - 102 - 4,51,1 - 20,4 – 1,10 – 0,4
Utilisation des phytosanitaires dans l’agriculture
=> Impact sur les eaux de surface et souterraines
3. Site d’étude 4. Implémentation & Tests 6. Conclusions & Perspectives2. Méthodologie 5. Application DTS1. Contexte
3
Concentrations moyennes en phytosanitaires dans les eaux souterraines
Moyenne, par nappe, en 2011 (µg/l) :
SOeS d’après la BDRHFV1 du BRGM, Agences de l’eau, Offices de l’eau BRGM, banque de données ADES, 2013, réseaux RCS et RCO
Traitement: SOeS, 2013
Seuil de potabilité = 0,1 µg/lSeuil eaux brutes = 2 µg/l
Impact des pratiques sur la ressource en eau souterraine
Plus de 0,5 (10)
Entre 0,1 et 0,5 (54)
Moins de 0,1 (84)
Pas de quantification (48)
Pas de mesure (26)
Nappe avec un seul (40)point de mesure
=> Pose la question de la vulnérabilité de la ressource
3. Site d’étude 4. Implémentation & Tests 6. Conclusions & Perspectives2. Méthodologie 5. Application DTS1. Contexte
4
Vulnérabilité intrinsèque :
ÞSensibilité des eaux souterraines à la pollution de surface
ÞCaractéristiques physiques du milieu (critères de vulnérabilité)
ÞContaminant ne réagit pas avec le milieu
Vulnérabilité spécifique :ÞIntègre les propriétés physico-chimiques des contaminants
ÞNotion de temps de transfert des contaminants dans le milieu
Vulnérabilité de l’eau souterraine: définitions
Risque = Vulnérabilité du milieu souterrain x Aléa (application en phytosanitaire)
Approche spatialisée qui relie une source à une cible
3. Site d’étude 4. Implémentation & Tests 6. Conclusions & Perspectives2. Méthodologie 5. Application DTS1. Contexte
5
AquifèreZone Non Saturée (ZNS)
Zone Saturée (ZS)
Onéma / Agences de l'eau, 2013 Musy et Soutter, 1991
Surface du sol
ZONENON SATUREE
ZONESATUREE
Nappes souterraines
Frange capillaire
Eau
Air+
Eau
Zone racinaire
Bassin versant hydrogéologique: Source et cible
CIBLE
3. Site d’étude 4. Implémentation & Tests 6. Conclusions & Perspectives2. Méthodologie 5. Application DTS1. Contexte
SOURCE
6
BASE DE DONNEESObservations de terrain
Méthode la plus utilisée: indices multi-
critères
Carte de vulnérabilité
Outil opérationnel d’évaluation de la vulnérabilité
Indice:
3. Site d’étude 4. Calibrations & Tests 6. Conclusions & Perspectives2. Méthodologie 5. Application DTS1. Contexte
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Etude de la vulnérabilité par des méthodes multi-critèresCritères de vulnérabilité Traitements Résultats
Couverture protectrice: → Type de sol → Nature ZNS
Profondeur de la nappe
Type d’aquifère
Type de recharge Conditions
d’infiltration
Zone
Non
Sat
urée
(Z
NS)
Zone
Sa
turé
e (Z
S)Fl
ux
Arbre de décisions ou formulations mathématiques:
Indice DRASTIC = cc*Cp
Méthodes et auteurs :
® DRASTIC (Aller et al., 1987)® EPIK (Doerfliger et Zwahlen., 1998)® RISKE (Petelet-Giraud et al., 2001)® SINTACS (Civita., 1994)
Indices de vulnérabilité
(+) Permet de spatialiser l’information : Indice de vulnérabilité(-) Subjectif, donc difficile à valider
i=1
3. Site d’étude 4. Implémentation & Tests 6. Conclusions & Perspectives2. Méthodologie 5. Application DTS1. Contexte
8
COST Action 620, Modèle OTC (Origine – Trajet – Cible) selon l’approche européenne (modifié de Goldscheider et al. 2004)
Nouveau concept : Vulnérabilité au forage
Estimation des temps de séjour
(+) Considération des zones situées entre les points de rejet et les zones de captage (+) Plus pragmatique : validation possible avec les données au captage(-) Difficulté d’estimation des temps de séjour
Vulnérabilité de l’aquifère
Ecoulement vertical
Vulnérabilité au captage
Ecoulement horizontal
Cible : Captage
3. Site d’étude 4. Implémentation & Tests 6. Conclusions & Perspectives2. Méthodologie 5. Application DTS1. Contexte
Source Contaminant
9
3. Site d’étude 4. Implémentation & Tests 6. Conclusions & Perspectives2. Méthodologie 5. Application DTS1. Contexte
Estimation des temps de séjour des contaminants dans le solOutils de modélisation: typologie
Composantes du sol et du sous-sol Modèles de calcul des flux
Zone Saturée (ZS)
Zone Non Saturée (ZNS)
Sol
Entrée flux
Modèle agronomique
Modèle zone saturée
Modèle zone non saturée
Sortie flux
10
Estimation des temps de séjour des contaminants dans le sol
Agriflux (Banton et al., 2003)
MACRO (Larsbo et Jarvis, 2003)
Footways
(+) Développements avancés des outils de modélisation agronomique(+) Prise en compte des interactions entre matière organique/contaminants(-) Difficile d’évaluer le gain d’une politique agricole sur la qualité de l’eau au captage(-) Peu de couplage avec les écoulements souterrains
Outils de modélisation en agronomie
Masse infiltréeMi
ZNS
SOL
Footways modifié , 2013
Masse appliquéeM0
3. Site d’étude 4. Implémentation & Tests 6. Conclusions & Perspectives2. Méthodologie 5. Application DTS1. Contexte
11
Modélisation hydrogéologique
Numérique Analytique Empirique
Phénomènes physiques X X -
Dimension3D
distribué
1D / 2D
semi-distribuéEntrée /sortie
Hypothèses Nombreuses Simplificatrices Réductrices
ParamétrisationComplexe oui non non
Estimation des temps de séjour des contaminants dans le sous-sol
(+) Modélise les temps de séjour au captage(-) Sur-paramétrisation, fonction de la connaissance hydrogéologique du site
temps
3. Site d’étude 4. Implémentation & Tests 6. Conclusions & Perspectives2. Méthodologie 5. Application DTS1. Contexte
Conc
entr
ation
NASH
12
® Peut-on faire le lien entre les activités de surface et les concentrations
observées au captage d’eau potable?
® Peut-on définir un indice de vulnérabilité spécifique qui puisse être calibré ?
® Peut-on spatialiser des zones vulnérables ou à risque pour la qualité de l’eau au
captage ?
Questions scientifiques
3. Site d’étude 4. Implémentation & Tests 6. Conclusions & Perspectives2. Méthodologie 5. Application DTS1. Contexte
13
Objectif
® Développer un outil analytique semi-distribué reliant les pratiques agricoles à la qualité des eaux au captage
Exigences
® Utiliser les données issues des bases de données existantes
® Définir un indice qui puisse être validé
® Pouvoir spatialiser, sur le bassin versant, les secteurs qui participent au dépassement des concentrations au captage
Hypothèses majeures
® Somme d’écoulement en 1D
® Pas d’échange latéral dans les écoulements souterrains
® Flux d’eau constant dans le système
3. Site d’étude 4. Implémentation & Tests 6. Conclusions & Perspectives5. Application DTS1. Contexte 2. Méthodologie
14
Zone Non Saturée(ZNS)
Zone Saturée(ZS)
L
L
CaptageC(t)
Bassin versantAin, Min
A01, M01 A0n, M0n
Estimation des paramètres
hydrodispersifs pour chacun des réservoirs
Lien entre les activités de surface et les concentrations au captage ? Modèle conceptuel
3. Site d’étude 4. Implémentation & Tests 6. Conclusions & Perspectives5. Application DTS1. Contexte 2. Méthodologie
15
Transports advectif et dispersif
Lien entre les activités de surface et les concentrations au captage ?
3. Site d’étude 4. Implémentation & Tests 6. Conclusions & Perspectives5. Application DTS1. Contexte 2. Méthodologie
Vitesse de filtration => Transport advectif
Point d’injection
Disp
ersio
n tr
ansv
ersa
le
t1 t2 t3
Dispersion longitudinale => transport dispersif Paul W. Grant
u :
D :
=> Quel modèle repose sur ces types de transferts ?
16
Equation du transport en 1D: Solution d’advection / dispersion / dégradation
𝑪(𝒙,𝒕) = 𝑴𝟐𝑨ξ𝝅𝑫𝒕𝐞𝐱𝐩ቀ− (𝒙−𝒖𝒕)²𝟒𝑫𝒕 ቁ
Wilson (1978)
u, D, , , A, x, M = 7 paramètres sont nécessaires Dont A et x = géométrieM = Apport massique
𝒕ҧ = 𝑽𝒆𝒖 𝑨
x
C(x, t)
M, Pe, t et = 4 paramètres sont nécessaires La géométrie est incluse dans Pe et t
𝑬ሺ𝒕ሻ= ඨ 𝑷𝒆𝟒𝝅𝒕𝒕ҧ𝐞𝐱𝐩ቈ−𝑷𝒆 ሺ𝒕ҧ− 𝒕ሻ𝟐𝟒𝒕𝒕ҧ 𝐞𝐱𝐩ሺ− 𝐭ሻ A u, M
𝑷𝒆= 𝒖𝒙𝑫 𝑪ሺ𝒕ሻ= 𝑴ඨ𝑷𝒆𝟒𝝅𝒕𝒕ҧ 𝐞𝐱𝐩ቈ−𝑷𝒆 ሺ𝒕ҧ− 𝒕ሻ2𝟒𝒕𝒕ҧ 𝑬ሺ𝒕ሻ= ඨ 𝑷𝒆𝟒𝝅𝒕𝒕ҧ𝐞𝐱𝐩ቈ−𝑷𝒆 ሺ𝒕ҧ− 𝒕ሻ𝟐𝟒𝒕𝒕ҧ 𝐞𝐱𝐩ሺ− 𝐭ሻ
Lien entre les activités de surface et les concentrations au captage ?
3. Site d’étude 4. Implémentation & Tests 6. Conclusions & Perspectives5. Application DTS1. Contexte 2. Méthodologie
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Réponse impulsionnelle des temps de séjour en sortie de réservoir
® Théorie des réservoirs (Danckwerts, 1958)
Distribution des temps de séjour des contaminants x
𝑬ሺ𝒕ሻ= ඨ 𝑷𝒆𝟒𝝅𝒕𝒕ҧ𝐞𝐱𝐩ቈ−𝑷𝒆 ሺ𝒕ҧ− 𝒕ሻ𝟐𝟒𝒕𝒕ҧ 𝐞𝐱𝐩ሺ− 𝐭ሻ
Lien entre les activités de surface et les concentrations au captage ?
3. Site d’étude 4. Implémentation & Tests 6. Conclusions & Perspectives5. Application DTS1. Contexte 2. Méthodologie
𝑬(𝒕) = 𝐐 𝐂(𝐭)𝑴
Delmas et Wilhelm modifiée
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Zone Non Saturée(ZNS)
Zone Saturée(ZS)
L
L
Lien entre les activités de surface et les concentrations au captage ? Modèle conceptuel
3. Site d’étude 4. Implémentation & Tests 6. Conclusions & Perspectives5. Application DTS1. Contexte 2. Méthodologie
Bassin versantAin, Min
A01, M01 A0n, M0n
Filet d’écoulement (n)
Estimation des <paramètres équivalents>
CaptageC(t)
t
19
Paramètres équivalents par filet d’écoulement
t²t²
²t =
ji
ji PePe ...
Aris (1959)
< Pe >
Nombre de Pécletéquivalent
Temps de séjouréquivalent
Distribution des temps de séjour équivalents
𝑬𝒏ሺ𝒕ሻ= ට 𝟒𝝅𝒕𝒕ҧ𝒏ۄ����������𝑷𝒆𝒏ۃ������� 𝐞𝐱𝐩 ቂ− ²𝟒𝒕𝒕ҧ𝒏(𝒕ҧ𝒏−𝒕) ۄ����������𝑷𝒆𝒏ۃ������� ቃ exp (- t)
3. Site d’étude 4. Calibrations & Tests 6. Conclusions & Perspectives5. Application DTS1. Contexte 2. Méthodologie
Lien entre les activités de surface et les concentrations au captage ?
Filet d’écoulementParamètres équivalents
E1(t)
Apport d’eau (Q) et de masse (M)
E2(t)
E3(t)
< 𝐭ҧ> = 𝐕𝐞𝐧𝐀ۄ����������𝐮𝐧ۃ�������
𝐢𝟎 n
20
Outil DARCI sous ArcGis:
Automatisation du calcul des paramètres équivalents
® Développé sous ArcGIS en VB.NET (Visual Basic for Application)
® Calcul des: ® Temps de séjour® Nombres de Péclet
par réservoir (ZNS et ZS) et par filet d’écoulement (paramètres équivalents)
Lien entre les activités de surface et les concentrations au captage ?
3. Site d’étude 4. Calibrations & Tests 6. Conclusions & Perspectives5. Application DTS1. Contexte 2. Méthodologie
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Utilise la réponse impulsionnelle pour modéliser les concentrations
Evolution de la qualité de l’eau au captage
Produit de convolution
t
Q : Flux transitant à travers le système bilan hydrologique
C(µg/l)
Lien entre les activités de surface et les concentrations au captage ?
3. Site d’étude 4. Implémentation & Tests 6. Conclusions & Perspectives5. Application DTS1. Contexte 2. Méthodologie
𝑪ሺ𝒕ሻ= 𝟏𝑸 𝑬ሺ𝒕−𝒕ҧሻ𝑴𝒕ҧ𝒅𝒕𝒕𝟎
Filet d’écoulementParamètres équivalents
E1(t)
Apport d’eau (Q) et de masse (M)
E2(t)
E3(t)
C(t)
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Si Md (x, y) = 1 carte de vulnérabilité
Si Md (x, y) variable carte de risque
Peut-on définir un indice de vulnérabilité spécifique qui puisse être calibré ?
Détermination de l’indice de vulnérabilité spécifique
3. Site d’étude 4. Implémentation & Tests 6. Conclusions & Perspectives5. Application DTS1. Contexte 2. Méthodologie
Limite arbitraire
23
C(t)
Filets d’écoulements
géoréférencés permettant de
localiser des lieux d’injection
qui participent au
dépassement du seuil.
Lieux d’injection qui participent au dépassement du seuil
Peut-on spatialiser des zones vulnérables ou à risque pour la qualité de l’eau au captage ?
Localisation des secteurs contributifs
3. Site d’étude 4. Implémentation & Tests 6. Conclusions & Perspectives5. Application DTS1. Contexte 2. Méthodologie
A01, M01 A0n, M0n
Filet d’écoulement (n)
24
La méthodologie DTS:® Relie les activités de surface et la qualité au captage® Permet une analyse de vulnérabilité et de risque® Etablit un indice de vulnérabilité® Cible des secteurs sensibles
Tests de la méthodologie DTS sur un site d’étude
® Présentation du site® Validation sur une pratique historique: Atrazine® Application sur les pratiques de 2010
Conclusion intermédiaire
3. Site d’étude 4. Implémentation & Tests 6. Conclusions & Perspectives5. Application DTS1. Contexte 2. Méthodologie
25
Le Val d’Orléans – Localisation géographique
4. Implémentation & Tests 6. Conclusions & Perspectives5. Application DTS1. Contexte 2. Méthodologie 3. Site d’étude
26
® Succession de dépôts sédimentaires
d’origine lacustre
® Formations géologiques des:
Alluvions de la Loire
Calcaires de BeauceAquifères
Martin, 2007
Le Val d’Orléans – Géologie
4. Implémentation & Tests 6. Conclusions & Perspectives5. Application DTS1. Contexte 2. Méthodologie 3. Site d’étude
27
Modifié d’après Martin, 2007
Desprez, 1967
Nappe des calcaires de Beauce
Le Val d’Orléans – Piézométrie de la nappe captée
4. Implémentation & Tests 6. Conclusions & Perspectives5. Application DTS1. Contexte 2. Méthodologie 3. Site d’étude
Pertes de Loire: 86% - Précipitations efficaces: 14%
Binet et al., 2012
pertes de Loire
Résurgences
Carte des conduits karstiques les plus probables
Perte Loire Conduit karstique
Le Val d’Orléans – Système karstique et bilan hydrologique
4. Implémentation & Tests 6. Conclusions & Perspectives5. Application DTS1. Contexte 2. Méthodologie 3. Site d’étude
28
Bilan hydrologique de nombreux auteurs: Chéry, 1983; Livrozet, 1984; Gonzalès, 1991; Lepiller, 2006; Lelonge et Jozja, 2008; Gutierrez et Binet, 2010.
1 m
29
1990
1993
1995
1998
2001
2004
2006
2009
2012
2014
0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
0.3
Captage du Gouffre
Captage du Theuriet
Captage du Bouchet
Conc
entr
ation
(µg/
l)
Interdiction Atrazine en
2003
Seuil de potabilité
Le Val d’Orléans – Qualité des eaux souterraines
4. Implémentation & Tests 6. Conclusions & Perspectives5. Application DTS1. Contexte 2. Méthodologie 3. Site d’étude
Atrazine aux captages du Val
30
3 méthodes d’estimation de Mi en fonction des données:
® Données bibliographiques (Flury, 1996)
Mi: Masse infiltrée sous racinaire:
a : Ratio de masse qui s’infiltre
® Résultats de modélisationex: MACRO (Larsbo et Jarvis, 2003): Footways
® Données d’observation in-situ
Mi = a * M0
Estimation des masses infiltrées
Apport de masse en surface : M0
Flux de masse
ZNS
Sol a
Mi
6. Conclusions & Perspectives5. Application DTS1. Contexte 2. Méthodologie 3. Site d’étude 4. Implémentation & Tests
31
Estimation des débitsQ : Débits transitant à travers le système bilan hydrologique
Q min = 186.106 m3/an; Q moy = 310.106 m3/an; Q max = 430.106 m3/an
Bilan hydrologique de nombreux auteurs: Chéry, 1983; Livrozet, 1984; Gonzalès, 1991; Lepiller, 2006 Lelong et Jozja, 2008; Gutierrez et Binet, 2010.
6. Conclusions & Perspectives5. Application DTS1. Contexte 2. Méthodologie 3. Site d’étude 4. Implémentation & Tests
32
Attribution des valeurs de paramètres en zone non saturée
Attribution paramètres:
® Vd® ® ® L
SableArgile / sableSable / ArgileSable calcaire
6. Conclusions & Perspectives5. Application DTS1. Contexte 2. Méthodologie 3. Site d’étude 4. Implémentation & Tests
Type de sol (Lassabatere, 2006) Ѳsat
sol agricole (roujan) 0.33sol sableux (chernobyl) 0.31dépôt fluvioglaciaire (site django reinhardt) 0.40
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Attribution des valeurs de paramètres en zone saturée : Calcaire de Beauce
Attribution paramètres:
® Vd® ne® ® L
6. Conclusions & Perspectives5. Application DTS1. Contexte 2. Méthodologie 3. Site d’étude 4. Implémentation & Tests
Captages du Val d’Orléans Conduit
karstiqueMatrice calcaire
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Calcul des paramètres équivalents spatialisésBase de données
Critères de vulnérabilité
Couverture protectrice:→ Type de sol→ Nature de la ZNS
Carte piézométrique:® Profondeur nappe® Sens écoulement
Type d’aquifère
ZON
E N
ON
SAT
URE
EZO
NE
SATU
REE
Temps moyen séjour (ZNS)
Nombre de Péclet (ZNS)
Temps moyen séjour (ZS)
Nombre de Péclet (ZS)
Temps moyen Séjour
(Equivalent)
Nombre de
Péclet(Equivalent)
6. Conclusions & Perspectives5. Application DTS1. Contexte 2. Méthodologie 3. Site d’étude 4. Implémentation & Tests
35
Temps de séjour relativement
courts
® Temps de séjour équivalents
Valeurs des temps de séjours équivalents contrôlés par la ZNS
Calcul des paramètres équivalents spatialisés
6. Conclusions & Perspectives5. Application DTS1. Contexte 2. Méthodologie 3. Site d’étude 4. Implémentation & Tests
36
® Pe > 1 advection dominante® Pe très élevé > 2000 dans les zones de pertes karstiquesQuestion: risque de pertes non cartographiées => fort impact sur le Péclet
® Nombre de Péclet équivalent
Calcul des paramètres équivalents spatialisés6. Conclusions & Perspectives5. Application DTS1. Contexte 2. Méthodologie 3. Site d’étude 4. Implémentation & Tests
37
Test: Résultat d’une réponse impulsionnelle à partir de l’implémentation pré-définie
6. Conclusions & Perspectives5. Application DTS1. Contexte 2. Méthodologie 3. Site d’étude 4. Implémentation & Tests
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 240.000
0.010
0.020
0.030
0.040
0.050
0.060 DTS_T1
Mois
1/T
® Le pic se manifeste autour des temps de séjour allant de 1 à 2 mois® Atténuation rapide des pics jusqu’à une valeur quasi nulle à 12 mois
38
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 240.000
0.020
0.040
0.060
0.080
0.100
0.120 DTS_T2 DTS_T1 DTS_T3
Mois
DTS
® Intensité des pics peut être doublée par la présence de pertes
® Tendance à la sous estimation
Zone non saturée
® DTS 1 : Valeur de paramètres établis suite à la caractérisation du site
® DTS 2 : Valeur de paramètres homogènes à tout le secteur : Sable
® DTS 3 : Ajout de pertes avec des temps de séjour inférieurs à 1 mois
Sensibilité des résultats à la description de la zone non saturée
6. Conclusions & Perspectives5. Application DTS1. Contexte 2. Méthodologie 3. Site d’étude 4. Implémentation & Tests
Application réalisée sur les parcelles de maïs, à un pas de temps mensuel, entre 1960 et 2003
39
M0
(+) Ordre de grandeur respecté
(+) Si retard de 44 jours
(+) Corrélation coefficient de NASH = 70 %
Pour les tests sur l’Atrazine, on choisit a= 0.05 (Flury 1996)
Validation sur une pratique historique : Atrazine
6. Conclusions & Perspectives5. Application DTS1. Contexte 2. Méthodologie 3. Site d’étude 4. Implémentation & Tests
40
1. Contexte 2. Méthodologie 3. Site d’étude 4. Implémentation & Tests 5. Application DTS 6. Conclusions & Perspectives
Conclusions
Filet d’écoulementParamètres équivalents
Apport d’eau (Q) et de masse (M)
C(t)
® Démarche intègre tous les chemins d’écoulement
® Etablissement des paramètres équivalents
® Développement d’une automatisation : DARCI
® Possibilité de la transposer sur d’autres sites
® Utilisation des données existantes
® Aspect calibré de manière qualitative
® Intérêt pour un gestionnaire de la ressource en eau
® Article à soumettreLimites de la méthode:
® Flux en régime permanant
® Valeurs des descripteurs hydrodynamiques constants
41
® Hiérarchiser l’impact des paramètres sur les résultats de la méthode DTS
® Tester la méthodologie avec d’autres solutions analytiques
® Valider sur des sites à dominante dispersive (Nombre de Péclet petit)
1. Contexte 2. Méthodologie 3. Site d’étude 4. Implémentation & Tests 5. Application DTS 6. Conclusions & Perspectives
Perspectives
Opérationnelles
® Modèle DTS en cours d’application dans le cadre d’un projet à Chartres
® Outil d’aide à la décision et production de scénarios liés aux pratiques agricoles
Scientifiques
42
MERCI DE VOTRE ATTENTION
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