fonctionnement hydrologique dune zone humide : conséquences sur son potentiel épurateur. exemple...
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Fonctionnement hydrologique d’une zone humide : conséquences sur son potentiel épurateur.
Exemple du bassin versant du ru des Roises
DEA HHGG 27-09-02 2
Contexte et objectifs du travail
Les fonctions environnementales d’une zone humide
Dénitrification et fonctionnement hydrologique En milieu anaérobie, réduction des nitrates en azote N2, oxydation de la matière organique.
Efficacité d’une zone humide comme zone tampon Quelle part de l’eau du bassin versant passe dans la zone concernée par la dénitrification ? Quel est le temps de séjour moyen de l’eau dans cette zone ?
DEA HHGG 27-09-02 3
Plan de l’exposé
I - La zone humide d’étude
II - Démarche d’étude
III - Partition de l’eau au sein de la zone humide
IV - Évaluation du temps de résidence de l’eau
I- La zone humide d’étude
DEA HHGG 27-09-02 5
N
0 500 m
RU
DES
ROI S
ES
SALON
COURCEMAINCHAMPFLEURY
80
121
90100
105
101
131
121
Culture et forêt sur craie blanche du Sénonien. Tourbes en zone humide.
33 piézomètres, un pluviomètre, mesures de débit, 3
essais de pompage.
Limite BV
1268 ha
Le bassin versant du ru temporaire des Roises
Zone humide, 3.2 ha
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100 m
Ru à sec
Le ru des Roises dans la zone humide en « basses eaux » (septembre-octobre)
Tourbe Alluvions et colluvions crayeusesTourbe imperméable
Niveau de la nappe de la craie
2 m
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100 m
Ru
Le ru des Roises dans la zone humide : « hautes eaux » (avril)
Niveau de la nappe de la craie Exfiltrations d’eau dans les tourbes
2 m
Niveau de la nappe de la tourbe
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100 m
Ru
Le ru des Roises dans la zone humide : « drainage des tourbes » (juillet)
Niveau de la nappe de la craie
2 m
Niveau de la nappe de la tourbe
II – Démarche suivie pour estimer la part de l’eau passant par les tourbes
Idée :
Faire un bilan d’eau dans la zone,
le comparer à la quantité d’eau transitant dans le bassin versant.
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N
0 500 m
RU
DES
ROI S
ES
SALON
COURCEMAINCHAMPFLEURY
80
121
90100
105
101
131
121
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Mare
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ZH10#
ZH12#
C1
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Mare
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ZH10#
ZH12
ZH1ZH1TZH1ZH1T
C1
PiézomètresProfils modélisés
Pont = exutoire du bassin versant
Limites de la zone de tourbes
100 m
Quels flux d’entrée de la zone humide?
Flux longitudinal L
Flux transversal T
Flux L en coupe
craie
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Entrée du bassin versant = pluies efficaces
Flux longitudinalFlux transversal
Quels flux d’entrée de la zone humide?
Flux transversal T
Flux transversal T
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Mare
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ZH10#
ZH12#
C1
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Mare
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ZH10#
ZH12
ZH1ZH1TZH1ZH1T
C1
PiézomètresProfils modélisés
Pont = exutoire du bassin versant
Limites de la zone de tourbes Flux longitudinal L
tourbe craie
Flux L en coupe
craie
Flux T en coupe
tourbe
craie
100 m
craieru
DEA HHGG 27-09-02 12
Comment déterminer ces flux?
modélisation à l’échelle du bassin versant (logiciel Modflow, écoulement souterrain saturé)
Flux L arrivant en amont de la zone humide Flux T de la nappe de la craie vers la zone humide
modélisation complémentaire à l’échelle d’un profil de la zone humide
(Hydrus 2D, prise en compte zone non saturée ) Flux T : distinction flux tourbe/craie
Les deux modélisations proposées s’appuient sur les données hydrométriques de terrain (niveau des nappes et débit du ru).
III - Partition de l’eau au sein de la zone humide
2 flux à déterminer :
Flux longitudinal L,
Flux transversal T.
DEA HHGG 27-09-02 14
Flux L : modélisation à l’aide du logiciel Modflow
Hypothèses de fonctionnement
Bassin hydrogéologique avec ru = bassin topographique, ru=charge imposée.
Régime des hautes eaux = pseudo permanent.
Craie imperméable à 70m NGF.
Entrée du modèle
Régime permanent : recharge avec bilan climatique et débit du ru.
Calage perméabilité 98/99, validation 92/93, 93/94, 97/98, 99/00.
Régime transitoire : réserve utile du sol de 100 mm.
Calage porosité de drainage 98/99, validation 93/94.
DEA HHGG 27-09-02 15
Flux L : résultats de la modélisation avec Modflow
Perméabilité de 2.10-3 m/s
Perméabilité de 6.10-4 m/s
Perméabilité de 2.10-5 m/s
Calage période 98/99
Validation période 93/94
DEA HHGG 27-09-02 16
Flux L : résultats de la modélisation avec Modflow
Perméabilité de 2.10-3 m/s
Perméabilité de 6.10-4 m/s
Perméabilité de 2.10-5 m/s
Flux L = 50 à 70 % des pluies efficaces
Flux L
Flux T
Le flux T est composé d’eau provenant essentiellement des zones agricoles (riche en nitrate)
Les flux d’eau sont connus en tous points en 93/94 et 98/99
DEA HHGG 27-09-02 17
Flux transversal T
• 2 périodes étudiées : hautes eaux (mars-avril) et période de drainage des tourbes (juillet) en régime permanent en 1994.
Flux T total
• Flux T total en amont des profils étudiés obtenu avec Modflow
Quels paramètres hydrodynamiques ? Quelles conditions aux limites ?
• Pour distinguer les flux de la craie et de la tourbe utilisation d’Hydrus 2D
craie
rutourbe
nappe de la craie
DEA HHGG 27-09-02 18
Flux T : perméabilité de la tourbe et de la craie
Perméabilité de la craie obtenue par Modflow : 2.10-3 m/s
Mesure de perméabilités à saturation de la tourbe 12 échantillons non remaniés prélevés à différentes profondeurs perméamètre à charge constante
Perméabilité entre 4.10-4 et 10-6 m/s suivant la profondeur 3 échantillons considérés comme imperméables
Courbe reliant teneur en eau et pression pour 4 échantillons
DEA HHGG 27-09-02 19
tourbecraie Couche imperméable Présence possible d’imperméable
Flux T : système modélisé et conditions aux limites
Flux obtenu par Modflow = flux imposé
Ru = charge imposée aval Surface de suintement
Les conditions aux limites dépendent de la période choisie.
Les hauteurs d’eau simulées sont comparées aux données piézométriques.
Flux imposé pour le profil aval
DEA HHGG 27-09-02 20
Flux passant par les tourbes : résultats en « hautes eaux » (avril)
Piézomètres
C11
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CZH12ZH12
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Mare
ZH10#
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Mare
ZH10#
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#t##
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ZH1ZH1TZH1ZH1T
Profils modélisés
Limites de la zone de tourbes
Flux T en coupe
Part de l’eau qui passe dans la tourbe : entre 15 et 35 % de l’eau du bassin versant
Flux TProfil aval : 70 % de l’eau passe par la tourbe
Flux T
Profil amont : 50 % de l’eau passe par la tourbe
Flux L: 50 à 70 % des pluies efficaces
100 m
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Période de « drainage des tourbes » (juillet)
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Mare
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ZH10#
ZH12#
C1
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Mare
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ZH10#
ZH12
ZH1ZH1TZH1ZH1T
C1
PiézomètresProfils modélisés
Limites de la zone de tourbes
Flux L: 50 à 70 % des pluies efficaces
Flux T
Flux T
Flux T en coupe
Part de l’eau qui passe dans la tourbe : entre 0.5 et 20 % de l’eau du bassin versant
Profil amont : 1.5 % de l’eau passe par la tourbe
Profil aval : 40 % de l’eau passe par la tourbe
100 m
IV – Évaluation du temps de résidence de l’eau dans la tourbe
DEA HHGG 27-09-02 23
Méthode proposée pour calculer le temps de séjour
Utilisation de la modélisation à l’échelle d’un profil de la zone humide, 2 méthodes de calcul :
Évaluation du stock d’eau contenu dans les tourbes
Évaluation du champs de vitesse de l’eau dans les tourbes
moyennefiltrationdevitesse
tourbeslesdanstraverséelongueurporositéséjourdeTemps
.
entrantflux
stockéeaudvolumeséjourdeTemps
'
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Longueur de tourbe : 60 m
Longueur de tourbe : 80 m
Évaluation du temps de résidence
Piézomètres
C11
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CZH12ZH12
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Mare
ZH10#
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Mare
ZH10#
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ZH1ZH1TZH1ZH1T
Profils modélisés
Limites de la zone de tourbes
Hautes eaux : 7 jours
Drainage des tourbes : 600
jours (incompatible avec durée de cette période)
Hautes eaux : 10 à 22 jours
Drainage des tourbes : 1 000
jours (incompatible avec durée de cette période)
100 m
Conclusion
DEA HHGG 27-09-02 26
Principaux résultats
En « hautes eaux », conditions hydrologiques favorables (mais temps de séjour suffisant?)
En période de « drainage des tourbes », faible part de l’eau du bassin versant concernée
L’eau qui passe dans les tourbes provient des zones cultivées (dilution de l’eau du ru par les eaux venant de la forêt)
DEA HHGG 27-09-02 27
Incertitudes sur la géométrie et le fonctionnement du système
tourbecraie Couche imperméable Présence possible d’imperméable
Ru
présence de l’horizon peu perméable sous le ru
perméabilité de la craie et de la tourbe
Test de plusieurs scénarios avec Hydrus 2D
géométrie du bord
Flux passant sous le ru
DEA HHGG 27-09-02 28
Perspectives de travail
Expérimentations complémentaires : Temps de dénitrification dans le site étudié Perméabilité de la craie au niveau de la zone humide
Modélisation du transport de nitrate dans le bassin versant Apport suivant assolements, transport en zone non saturée, transport en
nappe avec Modflow
Application à la gestion des eaux sur ce bassin : 3 axes L’occupation du sol (rôle de la forêt) Amélioration des pratiques culturales La zone humide : un vannage augmenterait-il son efficacité?
Fin