Dimensionnement des aires d'alimentation Zu
L’environnement pratique
Dimensionnement des aires d’alimentation Zu
Office fédéral de l’environnement, des forêts et du paysage OFEFP
L’environnement pratique
Dimensionnement des aires d’alimentation Zu
Publié par l’Office fédéral de l’environnement, des forêts et du paysage OFEFP Berne, 2005
Valeur juridique de cette publication Editeur La présente publication est une aide à l’exécution Office fédéral de l’environnement, des forêts et du élaborée par l’OFEFP en tant qu’autorité de paysage (OFEFP) surveillance. Destinée en premier lieu aux autorités L’OFEFP est un office du Département fédéral de d’exécution, elle concrétise des notions juridiques l’environnement, des transports, de l’énergie et de la indéterminées provenant de lois et d’ordonnances et communication (DETEC) favorise ainsi une application uniforme de la législation. Si les autorités d’exécution en tiennent Auteur compte, elles peuvent partir du principe que leurs Daniele Biaggi, Institut Géotechnique SA, Berne décisions seront conformes au droit fédéral. D’autres solutions sont aussi licites dans la mesure où elles sont Accompagnement OFEFP conformes au droit en vigueur. Les aides à l’exécution Benjamin Meylan, de l’OFEFP (appelées aussi directives, instructions, section de la protection des eaux souterraines recommandations, manuels, aides pratiques) paraissent dans la collection « L’environnement Traduction pratique ». Peter Polack et J. Mayoraz, Institut Géotechnique SA
Document de base Graphisme, mise en page T. BUSSARD, L. TACHER, A. PARRIAUX, D. BAYARD Ursula Nöthiger-Koch, Uerkheim et V. MAITRE 2004 : Dimensionnement des aires d’alimentation Zu. Document de base. Paru dans : Illustration Documents Environnement N° 183, OFEFP/BUWAL, Hans-Peter Hauser, AVD, Berne 143 p. Disponible sur CD en format pdf. Illustration couverture Stefan Werthmüller, Thun
Commande OFEFP Documentation CH-3003 Berne Fax +41 (0) 31 324 02 16 E-Mail : docu@buwal.admin.ch Internet : www.buwalshop.ch
Numéro de commande: VU-2509-F
© OFEFP 2005
2 Dimensionnement des aires d’alimentation Zu
1 Introduction
1.1 Situation
Le concept d’aire d’alimentation Zu a été introduit dans la législation suisse lors de l’entrée en vigueur de l’ordonnance sur la protection des eaux du 28 octobre 1998. L’aire d’alimentation, qui est l'une des mesures d’organisation du territoire relative à la protection des eaux souterraines, a été instaurée dans le but d’agir contre la pollution ou la mise en danger des eaux souterraines par des substances mobiles, faiblement ou non dégradables. Des teneurs excessives en nitrates ou en produits phytosanitaires en sont quelques exemples. Les mesures à prendre dans l’aire Zu doivent garantir la protection de la qualité des eaux des captages d’intérêt publique, existants et projetés. L’aire d’alimentation sert en premier lieu à la délimitation de la surface qui doit être assainie. Le guide pratique s’appuie essentiellement sur la méthodologie et les concepts présentés dans le rapport « Dimensionnement des aires d’alimentation Zu - Document de base » (BUSSARD et al. 2004).
1.2 Objectif du guide pratique
Objectif Le guide pratique montre avec quelles approches et selon quelles méthodes hydrogéologiques l’aire d’alimentation Zu peut être déterminée d’une manière suffisamment fiable, selon l’état actuel de la technique et avec des coûts acceptables.
Destinataires La présente publication s’adresse aux autorités cantonales. Elle sert de document de base pour la préparation et l’accompagnement des investigations envisagées lors de l’établissement d’une aire d’alimentation. Elle vise ensuite les experts des domaines de l’hydrogéologie et de la géologie qui mènent ces études.
1.3 Cadre
Ce guide pratique traite exclusivement des bases et de la méthodologie utilisées pour le dimensionnement des aires d’alimentation Zu. Les différents aspects énumérés dans le tableau 1 ne font pas l’objet de cette publication :
1 Introduction 11
Tableau 1 : Liste des thèmes qui ne sont pas traités dans le guide pratique.
Thèmes non traités Renvoi aux publications appropriées Identification des zones à problème avec priorités : • Recueil des bases de la évolutions de concentration de substances qui entraînent « stratégie nitrates » la mise en place de mesures d’assainissement. (OFEFP / OFAG 1999, actualisation en cours)
Instructions pratiques pour la protection des eaux souterraines (OFEFP 2004) Délimitation de secteurs de projet selon l’article 62a • Recueil des bases de la LEaux ainsi que des zones sensibles à l’intérieur de ces « stratégie nitrates » secteurs. (OFEFP / OFAG 1999, actualisation en cours)
BUSSARD et al. 2004 Exigences en matière de demandes de contributions et de • Recueil des bases de la procédure pour les projets d’assainissement « stratégie nitrates » conformément à l’article 62a LEaux. Exigences au sujet (OFEFP / OFAG 1999, des indemnités versées par la Confédération pour les actualisation en cours) mesures prises par l’agriculture et de leur mise en œuvre.
1.4 Bases légales
La loi fédérale du 24 janvier 1991 sur la protection des eaux (LEaux, RS 814.20) stipule dans l’article 19 que les cantons subdivisent les secteurs de protection des eaux souterraines en fonction des risques auxquels elles sont exposées. L’aire d’alimentation Zu et le secteur Au de protection des eaux sont décrits dans l’ordonnance du 28 octobre 1998 sur la protection des eaux (OEaux, RS 814.201) comme des secteurs particulièrement menacés1. Les bases légales de ce guide pratique figurent dans l’article 29, alinéa 1 ainsi que dans l’annexe 4, chiffres 113 et 212 de l’OEaux.
Pour les eaux de surfaces, l’aire d’alimentation Zo et le secteur Ao de protection des eaux sont les secteurs de protection des eaux particulièrement menacés.
12 Dimensionnement des aires d’alimentation Zu
1.5 Structure du guide pratique
Ce guide pratique est constitué de cinq chapitres :
Chapitre 1 : Introduction
Chapitre 2 : Définitions et principes de dimensionnement La définition de l’aire Zu se trouve au premier plan. Les notions hydrogéologiques importantes utilisées dans le guide pratique sont également présentées.
Chapitre 3 : Méthodologie Aperçu de la marche à suivre appliquée lors de l’établissement des aires d’alimentation Zu. Des aspects comme la proportionnalité du travail à effectuer et les documents de base nécessaires sont également traités.
Chapitre 4 : Détermination du bassin d’alimentation d’un captage Présentation du procédé appliqué pour le dimensionnement du bassin d’alimentation. Démonstration du contrôle de plausibilité au moyen de la méthode du bilan hydrogéologique.
Chapitre 5 : Détermination de l’aire Zu selon la règle des 90-pourcent Division du bassin d’alimentation d’un captage en plusieurs cellules de bilan. La région d’où proviennent les 90 pourcent des eaux souterraines prélevées dans le captage peut ainsi être déterminé.
Les références bibliographiques se trouvent à la fin du guide pratique.
1 Introduction 13
2 Définitions et principes
de dimensionnement
2.1 Aire d’alimentation Zu
Définition L’aire d’alimentation Zu couvre la zone où se reforment environ 90 pourcent des eaux souterraines prélevées par un captage. Lorsque la détermination de la zone exige un travail disproportionné, l’aire d’alimentation Zu couvre tout le bassin d’alimentation du captage. Contrairement à ce qui est fait lors de la mise en place de mesures d’assainissement, l’établissement des aires Zu se base sur l’étude des flux d’eau et non sur la connaissance des flux de polluant.
Utilisation du terme Le terme d’aire d’alimentation devrait uniquement être utilisé dans le sens défini d’aire d’alimentation par l’ordonnance sur la protection des eaux. Lorsque l’on décrit la direction d’écoulement des eaux souterraines vers un captage – sans référence aux mesures d’organisation du territoire relatives à la protection des eaux souterraines – il est alors conseillé d’utiliser le terme de bassin d’alimentation.
Motif de délimitation Les cantons délimitent les aires d’alimentation des captages d’eau potable d’intérêt de l’aire Zu publique, pour lesquels
l’eau utilisée présente une pollution par des substances mobiles et persistantes (approche curative)
le danger d’une telle pollution existe (approche préventive). Les cantons fixent les mesures d’assainissement ou de protection de la qualité des eaux souterraines qui sont à prendre à l’intérieur de l’aire Zu.
Principes de Les bases de dimensionnement de l’aire d’alimentation Zu sont données dans le dimensionnement tableau 2 : de l’aire Zu Tableau 2 : Bases de dimensionnement de l’aire Zu.
Bases de dimensionnement Conditions hydrogéologiques Conditions d’écoulement moyennes Niveau moyen de la nappe Prélèvement, débit Débit de prélèvement moyen au puits respectivement débit de dimensionnement Débits moyens pour les sources Infiltration des eaux de surface Le bassin versant des eaux de surface infiltrantes est exclu de l’aire d’alimentation Zu. Une partie du cours d’eau est toutefois prise en compte lorsqu’il existe un lien hydraulique direct avec le captage.
Le débit fixé pour l’établissement de l’aire Zu peut être différent du débit moyen actuel. Ceci par exemple si dans l’avenir une quantité d’eau souterraine supérieure au débit actuel doit être prélevée. Lors de la détermination du débit de dimensionnement des puits, il faut tenir compte de l’exigence que les prélèvements opérés dans une nappe d’eau souterraine ne doivent pas être supérieurs, à long terme, à la quantité d’eau qui l’alimente (art. 43 LEaux).
Le débit de dimensionnement doit être fixé par l’autorité avant la réalisation des investigations.
2 Définitions et principes de dimensionnement 15
2.2 Autres définitions
Est considéré comme nappe d’eau souterraine une masse d’eau contenue et s’écoulant dans un aquifère.
L’aquifère constitue un volume de roche saturé en eau, poreux et perméable, dont l’étendue et l’épaisseur permettent une exploitation de cette eau.
Le bassin d’alimentation hydrogéologique d’un aquifère comprend le périmètre total d’où provient l’eau qui y circule. Le bassin d’alimentation des eaux de surface infiltrantes n’en fait pas partie.
La portion du bassin d’alimentation hydrogéologique située en dehors du périmètre de l’aquifère respectivement qui lui est attenante est désignée comme zone de bordure du bassin d’alimentation.
On comprend par captage d’eaux souterraines2 aussi bien les puits de prélèvement que les sources captées.
La zone de capture d’un puits représente la partie de la zone de rabattement d’où provient l’eau qui l’alimente directement.
Le bassin d’alimentation d’un captage représente la région d’où provient l’eau qui est prélevée au puit ou qui sort à la source. Le bassin d’alimentation des eaux de surface infiltrantes en est exclu de manière analogue à la définition ci-dessus. Une partie du cours d’eau lui-même fait toutefois partie du bassin d’alimentation du captage, respectivement de l’aire d’alimentation Zu lorsqu’il existe un lien hydraulique direct avec le captage.
Figure 1 : Représentation schématique des définitions utilisées.
Cf. OEaux, annexe 4, chiffre 113.
16 Dimensionnement des aires d’alimentation Zu
3 Méthodologie
3.1 Aperçu de la procédure
Lors de la délimitation de l’aire Zu, l’étude des conditions hydrogéologiques vise principalement à répondre aux questions suivantes :
De quelles surfaces proviennent les eaux souterraines qui s’écoulent vers le captage ?
Quelle est l’importance de la contribution de chacune de ces surfaces par rapport à la quantité totale de l’eau utilisée ? 3
Une première étape d’investigation permet de déterminer le bassin d’alimentation du captage. Lors d’une deuxième étape, et si la situation s’y prête, l’aire Zu peut être dimensionnée selon la règle des 90-pourcent. La marche à suivre est présentée à la
3.2 Proportionnalité des coûts grâce à une démarche
par étapes
Le dimensionnement de l’aire Zu respectivement de la région à assainir selon l’article 62a LEaux doit être réalisé de la manière la plus efficace possible. En conséquence, les méthodes utilisées sont choisies en fonction du but recherché. Dans un souci de rentabilité il faut éviter de délimiter les aires Zu avec une précision exagérée. C’est pourquoi il vaut la peine d’effectuer les investigations selon les étapes décrites dans le chapitre 3.1. Si des investigations supplémentaires devaient entraîner des coûts disproportionnés, c’est alors le bassin d’alimentation du captage délimité lors de la première étape qui sera retenu comme aire d’alimentation Zu. Si les mesures d’assainissement peuvent être optimisées grâce à un approfondissement raisonnable des investigations, alors, dans une deuxième étape, la région est déterminée comme étant la surface d’où provient environ 90 pourcent de l’eau souterraine prélevée. Cette région correspond alors à l’aire d’alimentation Zu déterminée selon la règle des 90-pourcent.
Les connaissances concernant la répartition spatiale des cellules de bilan et leurs contributions respectives peuvent également servir de base lors d’une phase ultérieure consistant à délimiter des zones de sensibilité différentes à l’intérieur de la zone Zu (BUSSARD et al. 2004 ; OFEFP 1999).
3 Méthodologie 17
Détermination du Identification des systèmes bassin d’alimen- d’écoulement. tation du captage Caractérisation de la nappe Chap. 4.2
Détermination de la portion de l’aquifère qui alimente Chap. 4.3 le captage
Détermination de la portion de la zone de bordure du bassin qui alimente le captage Chap. 4.4
Contrôle de la surface du bassin d’alimentation du captage à l’aide du bilan hydrogéologique Chap. 4.5
Grandeur du bassin d’alimentation du captage non plausible?
oui
Vérifier si les conditions cadres permettant la poursuite des Chap. 5.1 investigations sont remplies
Conditions Zu = bassin remplies ? d’alimentation non Application de la règle oui des 90-pourcent Division du bassin d’alimentation du captage en cellules de bilan Chap. 5.2 et calcul des contributions Chap. 5.3 individuelles
Zu = Secteur d’où proviennent Chap. 5.4 les 90 pourcent des eaux souterraines prélevées
Figure 2 : Schéma de la marche à suivre.
18 Dimensionnement des aires d’alimentation Zu
3.3 Données de base nécessaires
Dans chaque cas, un modèle conceptuel des conditions d’écoulement dans la nappe concernée sert de base au dimensionnement de l’aire Zu. Les informations importantes sur les conditions géologiques et hydrogéologiques doivent pouvoir en tout temps être intégrées au modèle. Il s’agit à chaque fois de décider, si les données disponibles sont suffisantes ou si des investigations de terrain supplémentaires sont nécessaires. Il est conseillé, dans la mesure du possible, de travailler avec les données déjà disponibles, par exemple celles obtenues lors de l’établissement de zones de protection. Les données de base les plus importantes pour le dimensionnement de l’aire Zu sont énumérées ci-dessous.
Captage • Type de captage (puits, source d’exfiltration, source de débordement, source d’éboulis, source de faille, source de déversement, etc.) • Débit de prélèvement moyen/productivité moyenne respectivement débit de dimensionnement (cf. chapitre 2.1).
Nappe d’eau souterraine • Renseignements sur les conditions géologiques régionales, en particulier sur les structures importantes liées aux eaux souterraines (bassins, systèmes karstiques, systèmes de fracture, accidents tectoniques etc.).
Renseignements sur l’aquifère et sur ses limites spatiales.
Renseignements sur la zone de bordure du bassin d’alimentation de l’aquifère4 (relief, structures conductrices, écoulements de surface, etc.)
Direction d’ écoulement • Isohypses de la surface piézométrique de la nappe (isopièzes) pour des conditions moyennes.
Résultats d’essais de traçage.
Résultats de modèles numériques d’écoulement.
Bilan hydrogéologique • Localisation des différentes entrées (recharge, infiltration des eaux superficielles, réalimentations artificielles, débits entrants provenant d’autres nappes, etc.) • Connaissance des débits sortants (prélèvements, sources, exfiltrations, drainages, écoulements souterrains vers d’autres nappes, etc.)
3.4 Indications sur la procédure
Voici quelques indications dont il faut tenir compte lors des investigations pour le dimensionnement : • Dans de nombreuses études hydrogéologiques c’est l’estimation du flux d’eau souterraine à travers une région précise qui est mise au premier plan. Pour l’établissement de l’aire Zu il s’agit d’un autre concept : les investigations doivent être orientées de manière à connaître la provenance des eaux souterraines.
Si aucune distinction ne peut être faite entre l’aquifère et sa zone de bordure alors il faut comprendre sous ce terme l’entier du bassin d’alimentation hydrogéologique de l’aquifère.
3 Méthodologie 19
Si un captage est alimenté par plusieurs nappes alors les investigations viseront l’ensemble de ces nappes. Des exemples et des figures présentant cette situation se trouvent au chapitre 4.2.
Le mode d’aménagement d’un captage peut être, dans certains cas, important pour le dimensionnement de l’aire Zu. Par exemple, si un puits extrait de l’eau uniquement de réservoirs profonds il est probable que cette eau provienne d’une région plus éloignée.
Figure 3 : Prélèvement d’eau dans des réservoirs plus profonds.
• Les bassins d’alimentation de plusieurs captages peuvent se superposer.5 Lors de l’établissement de l’aire Zu pour des groupes de puits ou de sources, il peut être judicieux de tenir compte de tout le groupe dès le début des investigations.
Figure 4 : Délimitation de l’aire Zu pour un groupe de captages.
• Il est conseillé, dans le cadre de la gestion de la qualité, de contrôler la plausibilité des données de base importantes, comme par exemple la carte des isopièzes de la nappe ou le modèle d’écoulement, et de les mettre à disposition pour des investigations supplémentaires.
Le mélange est provoqué par la dispersion hydrodynamique et les changements continus à petite échelle de la direction de l’écoulement (comportement non stationnaire du champ d’écoulement).
20 Dimensionnement des aires d’alimentation Zu
4 Détermination du bassin
d’alimentation d’un captage
4.1 Démarche générale
Le bassin d’alimentation d’un captage d’eau souterraine peut d’une manière générale être subdivisé en deux parties :
Portion de l’aquifère qui participe à l’alimentation du captage.
Portion de la zone de bordure du bassin d’alimentation de l’aquifère qui participe à l’alimentation du captage
Tout d’abord l’aquifère au sens strict doit être étudié. Des données suffisantes sont souvent déjà disponibles. Certaines méthodes s’appliquent presque exclusivement à l’étude des aquifères. On peut citer parmi elles l’interpolation ou l’extrapolation des niveaux piézométriques pour la représentation des isopièzes, les méthodes analytiques utilisées pour le calcul des zones de capture, ainsi que la simulation des conditions d’écoulement par des modèles numériques.
C’est seulement lorsque l’étendue exacte du bassin d’alimentation du captage est clairement établie jusqu’au bord de l’aquifère que les investigations sont étendues à la zone de bordure du bassin d’alimentation. Il convient d’être attentif car une direction principale d’écoulement dans l’aquifère mal déterminée a comme conséquence un positionnement erroné de la totalité du bassin d’alimentation du captage.
Figure 5 : Positionnement erroné du bassin d’alimentation d’un captage suite à une fausse détermination de la direction principale d’écoulement.
Il existe des situations hydrogéologiques pour lesquelles les subdivisions susmentionnées n’ont pas de sens ou sont irréalisables. C’est le cas pour une multitude de sources pour lesquelles il faut combiner les procédures décrites dans les chapitres 4.3 et 4.4.
4 Détermination du bassin d’alimentation d’un captage 21
4.2 Identification des systèmes d’écoulement
Le modèle conceptuel des conditions d’écoulement constitue le véritable cadre des investigations. La caractérisation de la nappe représente un premier pas important. Elle nécessite les connaissances des conditions géologiques et hydrogéologiques régionales. Le but de cette caractérisation est l’identification des systèmes d’écoulement.
Les investigations effectuées lors de l’établissement du bassin d’alimentation doivent très souvent être orientées vers plusieurs systèmes d’écoulement. Ceci est illustré par les exemples suivants :
Exemple 1 Un puits extrait de l’eau souterraine dans la partie centrale d’un aquifère formé de graviers fluviaux. Latéralement, le bassin graveleux est entouré par des collines molassiques recouvertes de moraine. L’eau s’écoule à partir de ces collines molassiques de manière plus ou moins dispersée vers l’aquifère principal.
Exemple 2 Un puits extrait de l’eau souterraine à partir d’un petit bassin rempli de dépôts fluvio-glaciaires. Le bassin est situé dans un synclinal formé de calcaires karstiques. Le système karstique contribue à l’alimentation de l’aquifère dans la cuvette quaternaire (figure 6).
Figure 6 : Deux systèmes d’écoulement communicants : le système karstique contribue à l’alimentation d’un aquifère situé dans des roches meubles.
Exemple 3 Une source se trouve au pied d’un complexe de flyschs fissurés. Deux types d’eaux souterraines alimentent la source : d’un côté les eaux s’écoulant à partir des fissures et de l’autre côté de l’eau provenant des couches altérées proches de la surface (figure 7).
22 Dimensionnement des aires d’alimentation Zu
Figure 7 : Deux systèmes d’écoulement contribuent au débit de la source : l’eau de fissures provenant du complexe de flyschs et l’eau percolant à travers les couches altérées proches de la surface.
Des indications utiles à la caractérisation des nappes d’eau souterraines se trouvent dans BUSSARD et al. (2004) et dans l’atlas hydrogéologique de la Suisse (OFEG 2001).
4.3 Portion de l’aquifère qui alimente le captage
Les méthodes énumérées ici permettent de déterminer la portion de l’aquifère qui alimente le captage. Les méthodes à appliquer dépendent avant tout du type d’aquifère. Il appartient au spécialiste chargé de l’étude de faire le choix optimal. C’est en principe la combinaison de plusieurs méthodes qui permet la détermination la plus précise de cette région.
Structures géologiques L’analyse à grande échelle des structures géologiques a pour but la détermination des limites des différentes unités aquifères. Ces unités peuvent être des séquences sédimentaires dans des roches meubles, des unités lithologiques dans des roches consolidées, des systèmes de fissures, des accidents tectoniques ou autres. Lorsqu’il s’agit de sources captées, la méthode permet souvent de délimiter le bassin d’alimentation entier du captage.
Plan des isohypses du L’interprétation du plan des isopièzes moyen de la nappe permet d’établir la direcniveau de la nappe d’eau tion générale de l’écoulement vers le captage. Cela va permettre, en combinaison souterraine avec des méthodes spécifiées par la suite, de construire la zone de capture jusqu’au bord de l’aquifère.
Méthodes analytiques Différentes méthode d’établissement des zones de capture sont décrites dans la pour le calcul de la zone littérature. Il est recommandé de munir les paraboles de la zone de capture calculée de capture. d’un facteur de sécurité car ces méthodes sont basées sur des conditions d’écoulement stationnaires et homogènes et ne prennent pas en compte la dispersion hydro-
4 Détermination du bassin d’alimentation d’un captage 23
dynamique. La méthode de BEAR et JACOB (1965) est à nouveau donnée dans BUS- SARD et al. (2004).
Essais avec des traceurs Les essais de traçage constituent une aide précieuse pour la détermination des sysartificiels tèmes d’écoulement des eaux souterraines. Avec ces méthodes il est possible de contrôler si un emplacement donné fait partie ou non du bassin d’alimentation d’un captage. De plus amples informations sur la mise en œuvre et l’interprétation des essais de traçage sont données dans le guide pratique « Utilisation des traceurs en hydrogéologie » (OFEG/SSH, 2002).
Isotopes et autres Les études hydrogéologiques à l’aide des isotopes et d’autres traceurs naturels peutraceurs naturels vent servir à diverses applications. Lors de la délimitation des bassins d’alimentation, les isotopes peuvent donner des informations utiles sur la provenance de l’eau souterraine (composition isotopique dépendant de l’altitude d’infiltration) et sur les conditions de mélange. Quand une telle étude est envisagée, une collaboration avec des instituts de recherche ou des hautes écoles est conseillée.
Modèles numériques Pratiquement tous les programmes de simulation modernes permettent de calculer d’écoulement la zone de capture d’un captage. Dans les modèles simples, les directions d’écoulement moyennes de l’eau sont représentées par des lignes de courant (« particle tracking » dans un champ d’écoulement purement advectif). Comme avec les méthodes analytiques, les paraboles de la zone de capture obtenues sont dans la plupart des cas trop étroites. Afin de tenir compte de la dispersion hydrodynamique et des conditions d’écoulement non stationnaires, un élargissement de la parabole est alors nécessaire.
Des modèles complexes donnent une description plus précise de la direction d’où proviennent les particules d’eau qui s’écoulent vers un captage. Il s’agit là de modèles qui prennent en compte la dispersion hydrodynamique ou de modèles stochastiques intégrant la variabilité spatiale ou temporelle, ainsi que l’incertitude liée à la valeur des paramètres.
Des modèles développés récemment permettent non seulement de déterminer la direction d’écoulement possible des particules d’eau mais aussi de déterminer quantitativement leur provenance. Ces programmes calculent quelle portion de l’eau infiltrée à un endroit précis va atteindre le captage, ou la probabilité qu’a l’eau qui s’infiltre à un endroit de s’écouler vers le captage. Ces modèles sont présentés dans KUHLMANN et al. (2000) et dans BUSSARD et al. (2004).
24 Dimensionnement des aires d’alimentation Zu
4.4 Portion de la zone de bordure du bassin d’alimentation
du captage
Lorsque la portion de l’aquifère qui alimente le captage est clairement délimitée, les investigations se poursuivent vers la zone de bordure du bassin d’alimentation.
Démarche simple De manière analogue à ce qui est fait en hydrologie, la portion de la zone de bordure qui alimente le captage est fixée sur la base de critères topographiques.
Figure 8 : détermination de la zone de bordure du bassin d’alimentation du captage en se basant sur des critères topographiques.
Affinements Dans certains cas des informations supplémentaires doivent être prises en compte. Ces affinements se font sur la base d’informations sur la situation géologique et/ou provenant d’études faites au moyen de traceurs naturels ou artificiels.
Figure 9 : Détermination de la zone de bordure du bassin d’alimentation du captage en se basant sur des critères topographiques et géologiques.
Le bassin d’alimentation du captage comprend donc la portion de l’aquifère et la portion de la zone de bordure d’où provient l’eau qui est extraite du captage.
4 Détermination du bassin d’alimentation d’un captage 25
4.5 Contrôle de la surface du bassin d’alimentation
du captage à l’aide du bilan hydrogéologique
Comme indiqué dans les chapitres 4.3 et 4.4, le bassin d’alimentation d’un captage peut être déterminé de différentes manières. Il est absolument nécessaire de contrôler approximativement la plausibilité de la surface ainsi établie. Pour ce contrôle il est possible d’utiliser la méthode du bilan hydrogéologique. La surface du bassin d’alimentation SBA est évaluée au moyen d’indices du bilan. Dans les cas où les deux résultats sont très différents il faut alors contrôler le modèle conceptuel des conditions d’écoulement. Il est possible que la surface du bassin d’alimentation du captage ait été surestimée ou sous-estimée suite à de fausses hypothèses. Il est aussi possible que le débit de dimensionnement pris en compte soit supérieur à la capacité de l’aquifère à l’endroit du captage (selon l’art. 43 LEaux, les cantons veillent à ce que les prélèvements opérés dans une nappe d’eau souterraine ne soient pas supérieurs à la quantité d’eau qui l’alimente).
Le tableau 3 présente les formules les plus importantes utilisées pour le calcul du bilan hydrogéologique. De plus amples informations sont données dans BUSSARD et al. (2004) et dans BLAU et al. (1984).
Dans certains cas, les conditions spatiales ou structurales rendent impossible un contrôle de plausibilité au moyen du bilan. Par exemple, pour les captages qui se trouvent à l’intérieur ou à l’aval d’un aquifère se rétrécissant en forme de goulot. L’eau qui s’écoule à travers ce rétrécissement provient de l’ensemble du bassin d’alimentation situé à l’amont de l’aquifère. Celui-ci correspond alors au bassin d’alimentation du captage. Un calcul à l’aide des formules du tableau 3 sousestimerait dans ce cas précis la superficie du bassin d’alimentation du captage.
Si des études supplémentaires demandent un travail disproportionné ou si elles se heurtent à des incertitudes insolubles concernant le périmètre du bassin d’alimentation du captage (cf. chapitre 5.1), il convient de s’arrêter à cette étape et de désigner le bassin d’alimentation du captage déterminé comme l’aire d’alimentation Zu.
26 Dimensionnement des aires d’alimentation Zu
Tableau 3 : Bilan hydrogéologique
Formule Signification Superficie du bassin d’alimentation du captage Qc + Q p − Qi S BA = ⋅Df SBA Surface du bassin d’alimentation du captage [m2] Ie Qc Débit de dimensionnement du captage considéré [m /s] Qp Débit moyen des pertes du bassin d’alimentation comme des prélèvements supplémentaires dans le bassin d’alimentation du captage, les exfiltrations dans des eaux de surface ou dans des drainages [m /s] Qi Infiltration des eaux de surface [m3/s] Ie Recharge spécifique du bassin d’alimentation du captage par les eaux météoriques [m/s] Df Facteur de correction [-] : voir plus bas Recharge de la nappe par les eaux de surface infiltrantes Formule de base : I Recharge de la nappe par infiltration des eaux I = Pb − R − E météoriques [m3/s] Pb Précipitations regionales [m3/s] R Ruissellement [m3/s] E Evaporation [m3/s] : somme de l’évaporation, de l’interception et de la transpiration Formule simplifiée : Ie Recharge spécifique de la nappe par infiltration I e = Pb ⋅ f des eaux météoriques [m/s] Pb Précipitations [m/s] f Coefficient d’infiltration [-] f ≈ 0.5 pour les régions à forte infiltration f ≈ 0.3 pour les régions à faible infiltration (couches de couverture constituées de sédiments fins, terrains en pente etc.) Plusieurs régions avec des I Recharge de l’ensemble du bassin d’alimentation recharges différentes : [m /s] I1... Recharge de chacune des différentes régions Facteur de correction Df Pour les petits bassins Df La dispersion hydrodynamique et les d’alimentation : changements continus, à petite échelle, de 1≤ D f ≤ 1.5 l’écoulement (comportement non stationnaire du champ d’écoulement) entraînent un mélange des Pour les grands bassins 2 eaux souterraines. Grâce à l’introduction d’un d’alimentation (plusieurs km ) : facteur de correction Df [-] ce processus est pris 1≤ D f ≤ 2.5 en compte dans le calcul.
4 Détermination du bassin d’alimentation d’un captage 27
5 Détermination de l’aire Zu
selon la règle des 90-pourcent
5.1 Objectif et conditions cadres nécessaires
A l’intérieur d’un bassin d’alimentation d’un captage, la contribution de chacune des surfaces à l’alimentation peut être distribuée de manière très différente. On montre ce chapitre comment le bassin d’alimentation du captage est divisé en cellules de bilan de contribution plus ou moins homogène et finalement comment la région d’où provient environ 90 pourcent de l’eau souterraine prélevée est établie. Cette région représente l’aire d’alimentation Zu. Les surfaces qui ne contribuent que faiblement à l’alimentation du captage peuvent ainsi être exclues. En outre, les résultats des calculs peuvent être utilisés pour délimiter les régions sensibles.
Pour que la règle des 90-pourcent puisse être utilisée, les conditions suivantes doivent être remplies :
Le périmètre du bassin d’alimentation du captage doit être connu de manière précise.
Le bassin d’alimentation du captage doit pouvoir être divisé de manière pertinente en un nombre approprié de cellules de bilan. Cela signifie que la variabilité de la distribution spatiale des contributions à l’alimentation doit être significative et relativement étendue.
La division en cellules de bilan et le calcul des contributions correspondantes doivent être vérifiables.
Il faut garantir un bon rapport coût/efficacité de ces études.
Même lorsque les informations sont nombreuses, le bassin d’alimentation d’un captage ne peut souvent pas être défini avec certitude6. Lorsqu’il existe de grandes incertitudes quant à l’appartenance de surfaces au bassin d’alimentation du captage, la règle des 90-pourcent ne peut pas être utilisée.
Si l’aire Zu ne peut pas être estimée avec la règle des 90-pourcent, c’est l’entier du bassin d’alimentation du captage qui est désigné comme aire d’alimentation Zu.
Par exemple: un bassin d’alimentation largement ramifié et très éloigné de la source dont le pourtour ne peut être établi précisément ou des bassins d’alimentation de captages qui comprennent plusieurs systèmes d’écoulement parfois complexes. (Cf. chapitre 4.2).
5 Détermination de l’aire Zu selon la règle des 90-pourcent 29
5.2 Division de la surface du bassin d’alimentation
en cellules de bilan
Le modèle conceptuel des conditions d’écoulement constitue la base de la division du bassin d’alimentation du captage en cellules de bilan isolées. Le découpage des surfaces se fait selon les critères suivants :
Différences significatives à grande échelle de la recharge de la nappe. (I)
Différences significatives à grande échelle de la contribution d’un secteur à l’alimentation du captage (P). Le terme de recharge de la nappe I décrit l’eau qui s’infiltre et qui alimente la nappe. Il comprend aussi bien la recharge par les eaux météoriques Ie que la recharge par les eaux de surface Qi. Des eaux de surface infiltrantes peuvent considérablement augmenter la recharge par unité de surface par rapport aux régions adjacentes pour lesquelles l’alimentation se fait uniquement par les eaux météoriques. C’est pourquoi il est recommandé, lors de l’utilisation de cette méthode, de créer des cellules de bilan séparées pour les eaux de surfaces. La variabilité de la recharge de la nappe par les eaux météoriques Ie résulte avant tout de l’hétérogénéité de la composition des couches de couverture et de différences de relief. Dans certains cas des différences climatiques à l’intérieur du bassin d’alimentation du captage peuvent aussi jouer un rôle. Trois exemples pour lesquels il faut compter avec des différences significatives à grande échelle dans la recharge de la nappe sont présentés ci-dessous :
Exemple 1 L’aire d’alimentation du captage à étudier est traversée par une rivière. Le taux d’infiltration moyen est déterminé dans le cadre d’une étude hydrogéologique de base. Il sera alors – calculé par unité de surface – un multiple de la recharge directe de la nappe par l’eau météorique.
Exemple 2 L’essentiel des précipitations s’infiltre au fond d’une vallée. Les conditions sont différentes dans la zone de bordure du bassin d’alimentation du captage : les nombreux ruisseaux y prenant leur source témoignent d’un écoulement de subsurface significatif des eaux météoriques. La recharge de la nappe est donc nettement plus faible dans la zone de bordure que dans le fond de la vallée.
Exemple 3 La couche de couverture de la portion de l’aquifère qui alimente le captage peut se diviser en deux parties : d’une part, une couche de couverture faite de sédiments fins limno-palustres. L’infiltration verticale y est fortement réduite, une grande partie des eaux météoriques est évacuée par un système de drainage ou s’évapore. D’autre part, une couche de couverture constituée de matériel perméable et contribuant de manière déterminante à l’alimentation du captage. La part de l’eau souterraine P (0 ≤ P ≤ 1) effective s’écoulant vers le captage est fixée par les conditions hydrologiques dans l’aire d’alimentation du captage ainsi que par les propriétés du captage lui-même.
30 Dimensionnement des aires d’alimentation Zu
Quelques exemples :
Exemple 1 Le groupe de sources pour lequel l’aire d’alimentation doit être déterminée draine le bassin d’alimentation à 100 pourcent. Pour l’entier du bassin on a alors P = 1, cela signifie que l’établissement de plusieurs cellules de bilan se base uniquement sur la variabilité du taux de recharge.
Exemple 2 Le captage, construit comme un puits incomplet, fonctionne de manière intermittente. Environ 40 pourcent de l’eau provenant de l’aire d’alimentation est inutilisée et s’écoule au travers, au dessous ou à côté du captage. Pour la cellule de bilan correspondante il faut alors choisir P = 0.6.
Exemple 3 Le méandre d’un cours d’eau se trouve dans le bassin d’alimentation d’un captage. Les études hydrogéologiques nous apprennent que 50 pourcent de l’eau souterraine s’exfiltre dans le cours d’eau. Les 50 pourcent restant s’écoulent par-dessous vers le captage. Pour les cellules situées dans la direction d’écoulement amont du méandre on considère que P = 0.5.
Exemple 4 Une installation de pompage « concurrente » se trouve dans le bassin d’alimentation du captage à examiner. On considère alors que 30 pourcent de l’eau souterraine du bassin d’alimentation du captage concurrent passe à côté et atteint le captage étudié. Pour les cellules concernées on choisit P = 0.3.
Dans beaucoup de situations on part du principe que P diminue en direction du bord du bassin d’alimentation. L’évaluation de P se base sur les informations obtenues à l’aide des essais de traçage, des études hydrochimiques, des modèles d’écoulement ou des raisonnements par analogie. Des renseignements complets se trouvent dans BUSSARD et al. (2004).
5.3 Calcul des contributions à l’alimentation
de chaque cellule de bilan
La contribution de chaque cellule de bilan est évaluée. Cette contribution Ci est déterminée pour chaque cellule de bilan i en faisant le produit de la recharge effective de la nappe I par la part de l’eau souterraine Pi provenant de la cellule et s’écoulant vers le captage. La somme des contributions de chaque cellule correspond ainsi au débit de prélèvement du captage étudié. Les formules correspondantes sont présentées dans le tableau 4. Une description détaillée de cette méthode se trouve dans BUSSARD et al. (2004).
Le calcul du bilan de cellules distinctes demande aussi bien une étude approfondie qu’une grande qualité des données. Les exigences sont plus importantes dans ce cas que pour le calcul de bilan présenté au chapitre 4.5 qui est fait de manière approximative afin de contrôler la plausibilité de la surface du bassin d’alimentation entier. C’est pourquoi, généralement des études de terrain additionnelles et/ou des calculs supplémentaires sont nécessaires.
5 Détermination de l’aire Zu selon la règle des 90-pourcent 31
Tableau 4 : Calcul des contributions à l’alimentation selon le principe des cellules de bilan.
Formule Symbole Définition Contribution à l’alimentation Ci Contribution de la cellule i à Ci = I i ⋅ Pi l’alimentation des eaux souterraines [m /s]. Ii Recharge de la cellule i [m3/s]. On tient compte à la fois de la recharge par les eaux météoriques infiltrante et de l’infiltration par les rives. Pi Part de l’eau souterraine qui arrive au 0 ≤ Pi ≤ 1 captage à partir de la cellule de bilan i. n Ctot Somme des contributions à l’alimentation de toutes les cellules à l’intérieur du bassin d’alimentation du captage [m /s] Contribution à l’alimentation par rapport au débit prélevé (ou au débit de la source) Qc Débit de dimensionnement du captage Qc ≈ Ctot 3 étudié [m /s]
5.4 Etablissement de l’aire Zu au moyen des cellules de bilan
L’alimentation Ctot est donnée par la somme des contributions à l’alimentation Ci de chacune des cellules. Pour l’établissement de l’aire Zu on prend ensuite en compte les cellules jusqu’à ce que la somme de leurs contributions respectives atteigne environ 90 pourcent. Lors de cette addition on commence par considérer les cellules à plus forte contribution. De cette façon les cellules à très faible contribution peuvent être exclues.
Lorsque l’aire d’alimentation Zu peut-être déterminée par la méthode des cellules de bilan, l’aire Zu comprend les cellules dont la somme des contributions représente environ 90 pourcent de l’alimentation totale.
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6 Bibliographie
BEAR J., JACOBS M. 1965 : On the movement of water bodies injected into aquifers. Journal of Hydrology, 3, pp. 37–57. BLAU R.V. et al. 1984 : Quantitative Erkundung von Lockergesteins-Grundwasserleitern am Beispiel Emmental – Handbuch. Sonderdruck Nr. 1056 aus Gas – Wasser – Abwasser 1984/5. BUSSARD T., TACHER L., PARRIAUX A., BAYARD D., MAITRE V. 2004 : Dimensionnement des aires d’alimentation Zu. Document de base. Paru dans : Documents Environnement N° 183, OFEFP/BUWAL, 143 p. OFEFP (Office fédéral de l’environnement, des forêts et du paysage) 2004 : Instructions pratiques pour la protection des eaux souterraines. OFEFP (Office fédéral de l’environnement, des forêts et du paysage) 1999 : Recueil des bases de la « stratégie nitrates ». Informations assemblées par le groupe de travail « stratégie nitrates ». Actualisation en cours. OFEG/SSH (Office fédéral des eaux et de la géologie, Société suisse d’hydrogéologie) 2002 : Utilisation des traceurs en hydrogéologie, guide pratique. OFEG 2001 : Atlas hydrologique de la Suisse. Edition 5, Classeur 2, chap. 8. KUHLMANN U., JORDAN P., TRÖSCH J. 2000 : Zuströmbereiche von Grundwasserentnahmen. GWA (Gas – Wasser – Abwasser), 4/2000, pp. 278–286. MICHEL P. 2001 : Zuströmbereiche für Grundwasserfassungen – Definition und Zweck. GWA (Gas – Wasser – Abwasser), 1/2001, pp. 5–9.