Etude des mécanismes hydrologiques et biogéochimiques de la recharge des nappes à surface libre
Résumé
Ce travail vise à étudier les mécanismes hydrologiques et biogéochimiques de la recharge des nappes à surface libre. La recharge des nappes à surface libre est un maillon essentiel dans le cycle hydrochimique des bassins versants sur socle. Avant d'être transférés de la nappe vers le réseau hydrographique, les solutés transitent dans la zone non saturée constituée de sol et d'altérite. Nous nous intéressons aux solutés anioniques et plus particulièrement aux nitrates compte tenu des enjeux environnementaux que revêt la pollution diffuse azotée.
Les mécanismes hydrologiques et biogéochimiques de la recharge des nappes ont été caractérisés et étudiés en conditions naturelles sur le bassin versant de Kerbernez sur l'ensemble du continuum zone non saturé / zone de fluctuation de nappe / zone saturée en permanence, par modélisation numérique sur un versant théorique et par traçage sur une colonne d'arène granitique. L'activité bactérienne dans la zone non saturée profonde a été quantifiée par expérimentations en batch.
Les observations faites dans la nappe à Kerbernez montrent que si les concentrations sont très stables en profondeur, elles présentent de fortes variations en surface à l'échelle de l'année hydrologique, particulièrement dans la zone de fluctuation de nappe. La zone de fluctuation de nappe est une zone active de mélange entre des eaux d'origine et d'âge différents, et où des transferts latéraux rapides peuvent avoir lieu.
L'inaptitude des modèles classiques de transfert (Convection-Dispersion et Mobile-Immobile) à reproduire les traits caractéristiques des variations chimiques dans la zone de fluctuation de nappe a été montrée, confirmant la nécessité de prendre en compte l'hétérogénéité des écoulements.
Ainsi, nous proposons une représentation du milieu sous forme de deux compartiments de porosité mobile, un lent et un rapide, expliquant l'origine des fortes variations chimiques intra-annuelles dans la zone de fluctuation de nappe.
Les courbes d'élution en sortie de colonne au laboratoire montrent que la dispersion des solutés augmente en régime de fluctuation de nappe par rapport aux régimes d'écoulement stationnaire. Ces fortes dispersions seraient le résultat de l'activation alternée de chacun des deux compartiments de porosité mobile, activation contrôlée par le degré de saturation du milieu.
Les variations inter-annuelles des concentrations en conditions naturelles dans la zone non saturée nous ont conduit à définir un troisième compartiment de porosité immobile échangeant par diffusion avec les autres compartiments de porosité. Nous avons par ailleurs montré à partir de l'analyse des concentrations mesurées sur le terrain et dans les incubations au laboratoire que de la dénitrification hétérotrophe se produisait dans la zone non saturée profonde. Le compartiment immobile de la porosité serait le lieu de cette dénitrification.
Les mécanismes hydrologiques et biogéochimiques de la recharge des nappes ont été caractérisés et étudiés en conditions naturelles sur le bassin versant de Kerbernez sur l'ensemble du continuum zone non saturé / zone de fluctuation de nappe / zone saturée en permanence, par modélisation numérique sur un versant théorique et par traçage sur une colonne d'arène granitique. L'activité bactérienne dans la zone non saturée profonde a été quantifiée par expérimentations en batch.
Les observations faites dans la nappe à Kerbernez montrent que si les concentrations sont très stables en profondeur, elles présentent de fortes variations en surface à l'échelle de l'année hydrologique, particulièrement dans la zone de fluctuation de nappe. La zone de fluctuation de nappe est une zone active de mélange entre des eaux d'origine et d'âge différents, et où des transferts latéraux rapides peuvent avoir lieu.
L'inaptitude des modèles classiques de transfert (Convection-Dispersion et Mobile-Immobile) à reproduire les traits caractéristiques des variations chimiques dans la zone de fluctuation de nappe a été montrée, confirmant la nécessité de prendre en compte l'hétérogénéité des écoulements.
Ainsi, nous proposons une représentation du milieu sous forme de deux compartiments de porosité mobile, un lent et un rapide, expliquant l'origine des fortes variations chimiques intra-annuelles dans la zone de fluctuation de nappe.
Les courbes d'élution en sortie de colonne au laboratoire montrent que la dispersion des solutés augmente en régime de fluctuation de nappe par rapport aux régimes d'écoulement stationnaire. Ces fortes dispersions seraient le résultat de l'activation alternée de chacun des deux compartiments de porosité mobile, activation contrôlée par le degré de saturation du milieu.
Les variations inter-annuelles des concentrations en conditions naturelles dans la zone non saturée nous ont conduit à définir un troisième compartiment de porosité immobile échangeant par diffusion avec les autres compartiments de porosité. Nous avons par ailleurs montré à partir de l'analyse des concentrations mesurées sur le terrain et dans les incubations au laboratoire que de la dénitrification hétérotrophe se produisait dans la zone non saturée profonde. Le compartiment immobile de la porosité serait le lieu de cette dénitrification.
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