Study of hydrological mechanisms for solutes transport in shallow aquifer of watershed with crystalline bedrock
Étude des mécanismes hydrologiques du transport de solutés dans les aquifères superficiels des bassins versants sur socle.
Résumé
In catchments underlaid by shallow hard rock with low permeability, shallow groundwater develops along the hillslopes and plays a major role on discharge control and on solute transport. This groundwater, characterized by large seasonal variations of the water table level, develops in an aquifer mainly constituted by weathered rock and unconsolidated materials whose hydrodynamic properties remain little studied. Understanding the hydrological and hydrochemical functioning of these systems and the processes determining the solute pathways and their residence time is essential in the context where scientific research is more and more urged to assess the effect of changes in agriculture practices on diffuse pollutions. The work presented here is focused on the understanding of solute transport processes and denitrification in shallow aquifers from the analysis and the modelling of a shallow aquifer of a headwater catchment in West of France, belonging to the AgrHys Observatory (ORE). The analysis relies on data acquired in an original experimental setting allowing to monitoring spatially and temporally both water table levels and chemical composition of the groundwater along a hillslope. Hydraulic properties of the aquifer were studied experimentally both in the laboratory and in situ, allowing the calibration of a physically based 2D model (implemented with Hydrus 2D software) which adequately simulated the seasonal variations of the water table level along the hillslope. The field monitoring highlighted the link between the hydrological dynamics and the seasonal variations of the chemical composition of the groundwater, allowing proposing a conceptual model synthesizing the processes governing the transport of a conservative solute in the groundwater. The available data on spatial and temporal variations of the isotopic composition of nitrate nitrogen and oxygen did not reveal any apparent denitrification process in the aquifer. Eventually, a model for solute transport based on the hydrological model calibrated previously was used to test the hypotheses put forward from the analysis of experimental data. The main outcome of this work is that shallow groundwater exhibits large spatial and temporal variations of its chemical composition, resulting from mixing processes of storage compartments which contribution varies seasonally. During winter, fast groundwater recharge through preferential pathways plays an important role on the chemical composition variations in the upper part of the groundwater, a process that most current models are not accounting for.
Dans les bassins versants reposant sur un socle géologique peu perméable et peu profond, les nappes superficielles de versant jouent un rôle prépondérant non seulement dans la genèse des débits mais également dans le transfert des solutés. Ces nappes, caractérisées par de fortes variations saisonnières des niveaux piézométriques, se développent dans un matériau aquifère constitué principalement de roche altérée et de matériaux non consolidés dont les propriétés hydrodynamiques restent peu étudiées. La connaissance du fonctionnement hydrologique et hydrochimique de ces systèmes, des processus qui déterminent les voies de transfert des solutés et leur temps de résidence dans le milieu, est essentielle en particulier dans un contexte où la recherche est de plus en plus sollicitée pour évaluer les effets de changements de pratiques agricoles sur les pollutions diffuses. Le travail présenté ici vise à comprendre les processus de transfert de solutés et de dénitrification dans les aquifères superficiels à partir de l'étude d'un aquifère d'un bassin versant élémentaire expérimental de l'ouest de la France, appartenant à l'ORE AgrHys. L'analyse repose sur les données acquises sur un dispositif instrumental original permettant un suivi spatial et temporel du niveau de la nappe et de sa composition chimique sur un versant. Les propriétés hydrodynamiques du matériau aquifère ont été étudiées au laboratoire et in situ, ce qui a permis de calibrer un modèle hydrologique à base physique et en 2D (développé avec le code Hydrus 2D) simulant de manière satisfaisante la dynamique saisonnière des niveaux piézométriques dans le versant. Les relations mises en évidence entre le cycle hydrologique et les variations intra-annuelles de la composition chimique, nous permettent de proposer un modèle conceptuel synthétisant les mécanismes mis en jeu dans le transfert d'un soluté conservatif dans la nappe. Une étude de la variabilité spatiale et temporelle de la composition isotopique de l'azote et de l'oxygène du nitrate n'a pas révélé la présence d'une dénitrification apparente dans l'aquifère. Enfin, un modèle de transport des solutés basé sur le modèle hydrologique calibré précédemment a permis de tester les hypothèses émises à partir des données expérimentales. La principale conclusion de ce travail est que les nappes superficielles de versant présentent une variabilité spatiale et temporelle importante, qui résulte de processus de mélange à partir de compartiments dont la contribution varie saisonnièrement. En période hivernale, la recharge rapide des nappes par des écoulements préférentiels joue un rôle important dans les variations de composition chimique de la partie supérieure de la nappe, ce que la plupart des modèles actuels ne permettent pas de prendre en compte.
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