Gestion équilibrée de la ressource en eau[...]

Apport d’une approche couplée physique et géochimie des eaux souterraines pour caractériser la diversité des fonctionnements hydrodynamiques transitoires. Cas de la plaine du Forez.: 

Réunion de travail RDI Bruxelles 30-31 mai 2012 Apport d’une approche couplée physique et géochimie des eaux souterraines pour caractériser la diversité des fonctionnements hydrodynamiques transitoires. Cas de la plaine du Forez. Union européenne Fonds européen de développement régional (FEDER) 1 Assistance méthodologique: M. Batton -Hubert; D. Graillot ; D. Mimoun; C. Renac (UJM); Y. Rossier (LTHE) Equipe terrain: J. Villot ; G. Bouron ; C. Retrus ; A. Da Silva; F. Catimel ; S. Lefebvre. Cadre: PLGN Plan Loire Grandeur Nature (plate-forme RDI) Jordan Ré- Bahuaud Département GSE Géosciences et Environnement CNRS : UMR 5600, EVS F-42023

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Modélisation des ressources en eau Sommaire I- Présentation du site d’étude II- Problématique, objectif et méthodologie du travail de thèse III- Méthodologie de caractérisation du fonctionnement hydrogéologique des aquifères superficiels Origine de la recharge des aquifères superficiels : Approche géochimique des écoulements Fonctionnement hydrodynamique transitoire des aquifères superficiels : Approche physique des écoulements IV- Résultats Approche physique Approche géochimique V – Conclusions et perspectives 2

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Cara ctéristiques de la plaine du Forez : - 750 km² (environ 40 km de long sur 20 km de large), massifs cristallins du Forez à l’Ouest et monts du Lyonnais à l’Est - Zone en plein développement démographique et économique avec une activité agricole intense - Conflits d’usage (Irrigation, AEP) - SAGE Loire en Rhône-Alpes I- Présentation du site d’étude Contexte géographique 3 La Loire

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Objectif: Assurer une gestion durable et équilibrée de la ressource en eau souterraine Diagnostic SAGE Loire: Nappe sensible aux risques de sécheresse (étiage sévère) Faible épaisseur de la nappe superficielle Fleuve sensible aux crues ( nov 2008: 3000 m 3 /s) Incision du lit de la Loire et relations nappe/rivière Vulnérabilité aux pollutions agricoles et urbaines Connaissances éparses du fonctionnement de l’ hydrosystème Usages: AEP, Irrigation, Industriel  conflits d’usage coupe d’une formation alluviale aquifère (gravière) Photo : G. Bouron I- Présentation du site d’étude Objectifs de gestion 4

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Kilomètres L’ Anzieux La Coise Le Lignon Le Vizézy Le Furan La Loire Chalain-le-Comtal Cleppé Montrond-les-Bains Saint-Galmier Villes principales Traits de coupe Sélection d’affluents Piézomètres de suivi A B Légende carte Socle I aire (Socle cristallin) Sédiments III aire (sables-argileux) Alluvions Anciennes IV aire (sablo-graveleux) Alluvions Récentes IV aire (sablo-graveleux) I- Présentation du site d’étude Contexte géologique et hydrogéologique 5

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Modélisation des ressources en eau Sommaire I- Présentation du site d’étude II- Problématique, objectif et méthodologie du travail de thèse III- Méthodologie de caractérisation du fonctionnement hydrogéologique des aquifères superficiels Origine de la recharge des aquifères superficiels : Approche géochimique des écoulements Fonctionnement hydrodynamique transitoire des aquifères superficiels : Approche physique des écoulements IV- Résultats Approche physique Approche géochimique V – Conclusions et perspectives 6

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Synthèse des données brutes : Géométrie des formations aquifères et niveaux piézométriques, Singularités hydrogéologiques (pompages, rivières, drain, zone de recharge, …), Propriétés hydrodynamiques (perméabilité et coefficient d’emmagasinement). Imprécisions (pouvant atteindre 5 m en altitude), Inégale densité et répartition spatiale des données. Synthèse des données interprétées : Cartes piézométriques BE, HE, Carte résistivité, Carte substratum, Résultats de modèles déterministes ( Balbigny , Bonson et Feurs). Inégale répartition spatiale des données interprétées, Vision statique du problème hydrogéologique (régime permanent des écoulements), Contradictions entre différentes études. Synthèse des analyses géochimiques : Caractérisation géochimique des pluies, eaux superficielles (rivières) et eau profondes. Pas de caractérisation géochimique des aquifères superficiels. Synthèse des données temporelles : Suivi des fluctuations piézométriques (4 points). Aucune caractérisation de la dynamique transitoire des nappes. 7 TV Argiles sableuses Sables argileux Sables fins Sables argileux Argiles 1.0 - 3.0 - 5.0 - 9.0 - 11.5 - 24.5 - Exemple de log forage Sables grossiers et graviers (formation aquifère) II- Problèmes, objectifs et méthodologie Synthèse de l’existant Sources : - Bases de données nationales (BD Alti , ADES, BSS, Infoterre , Carthage, etc.), - Anciennes études hydrogéologiques (CPGF, BRGM, SOGREAH, EMSE, UJM, etc.), - Nouvelles campagnes hydrogéologiques d’acquisition (233 puits sondés). 50 cm

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Bilan : Connaissance éparse, incomplète et statique du fonctionnement hydrogéologique, Pas de mise en évidence d’interactions avec les aquifères profonds,  Modélisation des écoulements transitoires à l’échelle de la plaine du Forez difficilement envisageable. Problématique scientifique : Comment dans ce contexte peut-on améliorer significativement la compréhension du fonctionnement de l’hydrosystème? Deux questions traitées : Origine de la recharge des aquifères superficiels ? Fonctionnement hydrodynamique transitoire des aquifères superficiels ? Objectifs du travail de thèse : Mise en œuvre d’une méthodologie permettant de caractériser la diversité des fonctionnements hydrodynamiques transitoires des aquifères superficiels, Mise en évidence des interactions entre les aquifères profonds et superficiels dans un hydrosystème complexe. Méthodologie : Modélisation physique transitoire des écoulements (coupes transversales), Acquisition et interprétation de données géochimiques (Ions majeurs, δ 18 0, δ 2 H, δ 13 C et A 14 C). II- Problématique, objectifs et méthodologie 8 Coupe d’un affleurement d’alluvions en bord de Loire Craintilleux (42) Photo : R. Déchomets

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Modélisation des ressources en eau Sommaire I- Présentation du site d’étude II- Problématique, objectif et méthodologie du travail de thèse III- Méthodologie de caractérisation du fonctionnement hydrogéologique des aquifères superficiels Origine de la recharge des aquifères superficiels : Approche géochimique des écoulements Fonctionnement hydrodynamique transitoire des aquifères superficiels : Approche physique des écoulements IV- Résultats Approche physique Approche géochimique V – Conclusions et perspectives 9

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III- Mise en œuvre de la méthodologie de caractérisation hydrodynamique Approche géochimique des écoulements souterrains 10 Objectifs de la caractérisation géochimique :  Hydrogéochimie des eaux (IS, TDS, PCO 2 , NO 3 - ) et fractionnement en isotopes stables ( 13 C, 18 O, 2 H) et radioactif s ( 14 C) permettant : - Caractérisation interactions eau-atmosphère-sol-roche, - Caractérisation mélanges entre eaux d’origines différentes (par ex: apports profonds). ? ? ? ? ? ? ? ? ?  Déterminer l’origine de la recharge des aquifères superficiels

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Modélisation des ressources en eau Sommaire I- Présentation du site d’étude II- Problématique, objectif et méthodologie du travail de thèse III- Méthodologie de caractérisation du fonctionnement hydrogéologique des aquifères superficiels Origine de la recharge des aquifères superficiels : Approche géochimique des écoulements Fonctionnement hydrodynamique transitoire des aquifères superficiels : Approche physique des écoulements IV- Résultats Approche physique Approche géochimique V – Conclusions et perspectives 11

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III- Mise en œuvre de la méthodologie de caractérisation hydrodynamique Approche physique : Méthode d’identification des signaux piézométriques (1/2) i gradient moyen amont/aval Influence facteurs naturels

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 Déterminer le fonctionnement hydrodynamique transitoire des aquifères superficiels III- Mise en œuvre de la méthodologie de caractérisation hydrodynamique Approche physique : Méthode d’identification des signaux piézométriques (2/2) Amplitude = f°(S, P  I eff ) Décalage temporelle = f°(D, Sol et ZNS) Inertie = f°(Sol  I eff , K, S) Vitesse charge = f°(P  I eff , ZNS, D) Vitesse décharge = f°(K, α , i) Tendance = f°(P  I eff ) Variabilité inter et intra-annuelle = f°(P  I eff )

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III- Mise en œuvre de la méthodologie de caractérisation hydrodynamique Approche physique : Hypothèses de fonctionnement 14 - Corrélation avec précipitations - Cycle saisonnier (BE et HE) - Pas de corrélation avec précipitations - Pas de cycle saisonnier apparent (BE et HE) Approche physique : - Cleppé / Montrond  fonctionnement hydrodynamique à dominante libre - Chalain / Saint-Galmier  fonctionnement hydrodynamique pseudo-libre ou captif

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III- Mise en œuvre de la méthodologie de caractérisation hydrodynamique Approche physique : Mise en œuvre des expériences numériques 2D coupes 15 ? ? ? ?

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Modélisation des ressources en eau Sommaire I- Présentation du site d’étude II- Problématique, objectif et méthodologie du travail de thèse III- Méthodologie de caractérisation du fonctionnement hydrogéologique des aquifères superficiels Origine de la recharge des aquifères superficiels : Approche géochimique des écoulements Fonctionnement hydrodynamique transitoire des aquifères superficiels : Approche physique des écoulements IV- Résultats Approche physique Approche géochimique V – Conclusions et perspectives 16

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2009 2010 2007 2008 2006 IV- Résultats Approche physique des écoulements en régime transitoire (1/2) 17 Fonctionnement « LIBRE » Montrond / Cleppé Critère de Nash : 51 Impact des pompages? Arrêt de l’exploitation AEP (Montrond)

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IV- Résultats Approche physique des écoulements en régime transitoire (2/2) 18 Fonctionnement « PSEUDO-LIBRE » Chalain /Saint-Galmier Critère de Nash : 77

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IV- Résultats Approche géochimique des écoulements (exemple du 13 C vs 14 C) Pôle Atmosphérique Pôle Matière Organique Pôle Minéral Pôle Hydrothermal CHALAIN MONTROND CLEPPE SAINT-GALMIER

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IV- Résultats Approche géochimique des écoulements Essai de quantification des mélanges Analyse de sensibilité : Loi de conservation de la matière : Caractéristiques isotopiques : Exemple de l’échantillon de Saint-Galmier Equation de mélange entre une composante superficielle et profonde :

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IV- Résultats Approche couplée géochimique et physique 21 Proportion de la composante superficielle (%) Proportion de la composante profonde (%) 81 < α < 94 6 < β < 19 Proportion de la composante superficielle (%) Proportion de la composante profonde (%) 98 < α < 99 1 < β < 2 Echantillon de Saint-Galmier : Echantillon de Montrond : Résultats de l’analyse de sensibilité :

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I- Présentation du site d’étude II- Problématique, objectif et méthodologie du travail de thèse III- Méthodologie de caractérisation du fonctionnement hydrogéologique des aquifères superficiels Origine de la recharge des aquifères superficiels : Approche géochimique des écoulements Fonctionnement hydrodynamique transitoire des aquifères superficiels : Approche physique des écoulements IV- Résultats Approche physique Approche géochimique V – Conclusions et perspectives Modélisation des ressources en eau Sommaire 22

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Conclusions : Apport de connaissances sur la caractérisation du fonctionnement transitoire des aquifères de la plaine du Forez, Mise en évidence des interactions entre les aquifères profonds et superficiels, Complémentarité des approches géochimiques et physiques, Ce travail de recherche définit les modalités de mise en œuvre d’une modélisation à l’échelle de l’hydrosystème (acquisition de nouvelles données et éléments à prendre en compte pour la modélisation). Perspectives : Identification des « hydrogéofaciès » (signature piézométrique + géochimie) représentant le fonctionnement hydrodynamique à l’échelle de la plaine du Forez, Réflexion sur l’applicabilité de la méthodologie à d’autres contextes, Amélioration de la méthodologie existante se basant notamment sur l’analyse physique et géochimique d’un plus grand nombre de points d’observations. V- Conclusions et perspectives 23

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24 Merci de votre attention

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A 14 C en PCM δ 13 C en ‰ v-PDB δ 18 O en ‰ v-SMOW δ 2 H en ‰ v-SMOW PCO 2 (eq. Atm.) IS calcite NO 3 - (mg/L) TDS Chalain-le-Comtal 103.7 ± 0.6 -18.88 ± 0.1 -8.4 ± 0.1 -58.5 ± 0.1 0.04506 -0.39 3.7 813 Cleppé 105.7 ± 0.5 -24.05 ± 0.1 -9.44 ± 0.1 -67.1 ± 0.1 0.05383 -1.05 < 1 390 Montrond-les Bains 97 ± 0.5 -19.46 ± 0.1 -8.46 ± 0.1 -59.2 ± 0.1 0.0147 -0.62 49.6 491 St-Galmier 28.1 ± 0.3 -9.03 ± 0.1 -8.84 ± 0.1 -55.5 ± 0.1 0.09367 -1.46 26.1 440 Annexe 1 Approche chimique des écoulements (indices géochimiques) 25

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Annexe 2 Illustration d’un résultat de modèle « 2D Coupe » 26 Chalain

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IV- Résultats Approche chimique des écoulements (exemple du 13 C vs 14 C) 27

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IV- Résultats Approche géochimique des écoulements (exemple du 13 C vs 14 C) Pôle Atmosphérique Pôle Matière Organique Pôle Minéral Pôle Hydrothermal CHALAIN : A 14 C = 103,7 ± 0,6 PCM δ 13 C = -18,88 ± 0,01 ‰ v-PDB MONTROND : A 14 C = 97 ± 0,5 PCM δ 13 C = -19,46 ± 0,01 ‰ v-PDB CLEPPE : A 14 C = 105,7 ± 0,5 PCM δ 13 C = -24,05 ± 0,01 ‰ v-PDB SAINT-GALMIER : A 14 C = 28,1 ± 0,3 PCM δ 13 C = -9,03 ± 0,01 ‰ v-PDB

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IV- Résultats Approche chimique des écoulements (analyse en ions majeurs) 29  Pas de mise en évidences d’échanges entre compartiments aquifères à partir de l’analyse en ions majeurs