Délimitation des zones de protection des eaux souterraines en milieu fissuré - Guide pratique
L'environnement pratique
GUIDE PRATIQUE
Délimitation des zones de protection des eaux souterraines en milieu fissuré
Méthode des distances, méthode des isochrones, méthode DISCO
Con riassunto in italiano
Publié par l’Office fédéral de l'environnement, des forêts et du paysage OFEFP et par l’Office fédéral des eaux et de la géologie OFEG Berne, 2003
Valeur juridique de cette publication Groupe d’experts La présente publication est une aide à l’exécution éla- Jean-Pierre Tripet*, président borée par l’OFEFP en tant qu’autorité de surveillance. OFEG, Service géologique national Destinée en premier lieu aux autorités d’exécution, elle Nathalie Doerfliger* concrétise des notions juridiques indéterminées prove- BRGM, Service EAU, Montpellier, France nant de lois et d’ordonnances et permet ainsi une Benjamin Meylan application uniforme de la législation. Les aides à l’exé- OFEFP, Division Protection des eaux et pêche cution (appelées aussi directives, instructions, recom- Philippe Renard* mandations, manuels, aides pratiques) paraissent EPFZ, Géologie de l’ingénieur dans la collection « L’environnement pratique ». Gianni della Valle* Ces aides à l’exécution garantissent l’égalité devant la Hydrogéologue, Stettlen / BE loi ainsi que la sécurité du droit, tout en favorisant la Andres Wildberger* recherche de solutions adaptées aux cas particuliers. Dr. von Moos AG, Zürich Si l’autorité en tient compte, elle peut partir du principe * Délégué/déléguée de la Société suisse que ses décisions seront conformes au droit fédéral. d’hydrogéologie D’autres solutions ne sont pas exclues; selon la jurisprudence, il faut cependant prouver leur conformité Rédaction, mise en forme et réalisation avec le droit en vigueur. François Pasquier Hydrogéologue-conseil, 2108 Couvet Editeurs Office fédéral de l’environnement, des forêts et du Graphisme, mise en page paysage (OFEFP) Ursula Nöthiger-Koch, 4813 Uerkheim Office fédéral des eaux et de la géologie (OFEG) L'OFEFP et l'OFEG sont des offices du Département Photo de couverture fédéral de l'environnement, des transports, de l'énergie Granite du Massif de l’Aar près du col du Grimsel et de la communication (DETEC) (photo Beat Sigrist, OFEG)
Auteurs Commande Alain Pochon OFEFP François Zwahlen Documentation Université de Neuchâtel, Centre d’hydrogéologie CH-3003 Berne (CHYN) Fax + 41 (0) 31 324 02 16 Rue Emile-Argand 11 E-Mail: docu@buwal.admin.ch 2007 Neuchâtel Internet: www.buwalshop.ch
Référence Numéro de commande / prix: POCHON, A. & ZWAHLEN, F. 2003: Délimitation des VU-2505-F / gratuit zones de protection des eaux souterraines en milieu Cette publication existe aussi en allemand fissuré – Guide pratique. L’environnement pratique. (VU-2505-D) Office fédéral de l’environnement, des forêts et du Achèvement du développement méthodologique: paysage, Office fédéral des eaux et de la géologie, mars 2002 Berne, 83 p.
OFEFP 2003 3.2004 800 09090/202
1 Détermination de l’extension d’un bassin
d’alimentation par calcul du bilan annuel 74
2 Caractérisation globale de la vulnérabilité
du captage 76
3 Caractérisation des aquifères au moyen
des hydrogrammes 78
4 Recommandations concernant les essais
de traçage en milieu fissuré 80
5 Caractérisation des sols (sols au sens
pédologique et roches meubles) 81
6 Essais d’infiltration (évaluation de la
perméabilité de la couverture protectrice) 82
Abstracts
Delineating groundwater protection zones Ausscheidung von Grundwasserschutzin fractured media zonen bei Kluft-Grundwasserleitern
Under the Swiss Water Resources Protection Ordi- Gemäss Gewässerschutzverordnung vom 28. Oktober nance (Gewässerschutzverordnung – GSchV, 1998 (GSchV, SR 814.201) ist für die Dimensionierung SR 814.201) of October 28, 1998, the degree of vul- der Grundwasserschutzzonen bei Kluftgesteinsgrundnerability in the catchment area of springs and wells wasser die Vulnerabilität im Einzugsgebiet der Fassundetermines, in fractured media, the delineation of gen massgebend. Die vorliegende Praxishilfe erläutert groundwater protection zones. The present practical das Vorgehen für die Bemessung solcher Schutzguide explains the procedure for delineating such pro- zonen. tection zones. Die grosse Vielfalt der geologischen und hydrogeologi- Due to the great diversity of geological and hydro- schen Verhältnisse bei Kluft-Grundwasserleitern lässt geological conditions prevailing in fractured media, it is es nicht zu, die Schutzzonen in diesen Gebieten nach not possible to delineate protection zones for such aq- einer einheitlichen Methode zu bemessen. Das systeuifers according to an uniform method. Consequently, matische methodische Vorgehen beinhaltet daher in the first step of the systematic methodological ap- einem ersten Schritt die Erhebung und Auswertung proach is to survey and evaluate basic data of the spe- von Basisdaten der Fassung und des Aquifers. Die Dacific catchment facility (spring or well) and of the aqui- ten wie Schüttung, physikalisch-chemische Parameter, fer. The data such as discharge, physico-chemical Trübung und Biologie ermöglichen es, Rückschlüsse parameters, turbidity and biology allow the vulnerability auf die Vulnerabilität der Fassung zu ziehen. Bei geof the catchment facility to be evaluated. If vulnerability ring vulnerablen Fassungen können die Schutzzonen is low, protection zones can be defined with a minimum mit einer Mindestausdehnung ausgeschieden werden size (Distance Method). For vulnerable catchments, (Distanz-Methode). Für vulnerable Fassungen sind zuadditional investigations need to be conducted in order sätzliche Untersuchungen durchzuführen, um genaueto gain more precise information on the groundwater re Informationen über das unterirdische Fliessverhalten flow behaviour and degree of heterogeneity of the aq- und den Heterogenitätsgrad des Grundwasserleiters
uifer. If the degree of heterogeneity is found to be low, zu erhalten. Bei schwach heterogenen Grundwasserthe protection zone is delineated by means of iso- leitern werden die Schutzzonen mittels Isochronen chrones (Isochrone Method). The «DISCO» Method, a bemessen (Isochronen-Methode). Die aufwändigere more complex multi-criteria method, is only applied if Multikriterien-Methode « DISCO » gelangt nur bei eithe aquifer is highly heterogeneous and the catchment nem stark heterogenen Grundwasserleiter und einer is vulnerable. erhöhten Vulnerabilität der Fassung zur Anwendung.
Key words: Groundwater, joint aquifer, vulnerability, Stichworte: Grundwasser, Kluft-Grundwasserleiter, catchment area, mapping, groundwater protection Vulnerabilität, Einzugsgebiet, Kartierung, Grundwaszones, DISCO. serschutzzonen, DISCO.
Délimitation des zones de protection Delimitazione delle zone di protezione des eaux souterraines en milieu fissuré delle acque sotterranee in roccia fessurata
S’agissant des eaux souterraines en milieu fissuré, Secondo l’ordinanza del 28 ottobre 1998 sulla protel’ordonnance du 28 octobre 1998 sur la protection des zione delle acque (OPAc, RS 814.201), il dato fondaeaux (OEaux, RS 814.201) retient que le dimension- mentale per la determinazione delle zone di protezione nement des zones de protection est déterminé par la delle acque sotterranee in presenza di roccia fessurata vulnérabilité du bassin d’alimentation du captage. Le è la vulnerabilità del bacino imbrifero delle captazioni. Il présent guide pratique expose la procédure à suivre presente documento indica il procedimento da seguire pour délimiter des zones de protection de ce type. per delimitare le suddette zone.
Les conditions géologiques et hydrogéologiques ré- L’ampia varietà delle condizioni geologiche e idrogeognant dans les aquifères en milieu fissuré sont si di- logiche degli acquiferi in terreno fessurato non perverses qu’il n’est pas possible d’appliquer une mé- mette di determinare le zone di protezione basandosi thode unique. C’est pourquoi la démarche méthodolo- su di un unico metodo. Il procedere metodologico sigique systématique à mettre en œuvre prévoit une stematico da applicare consiste dunque in una prima première étape consistant à recueillir et interpréter des tappa di raccolta e interpretazione dei dati relativi données de base relatives au captage et à l’aquifère. all’acquifero e alla captazione, come la sua portata, i Les données telles que débit, paramètres physico- parametri fisici e chimici, il grado di torbidezza, e la sua chimiques, turbidité et caractéristiques biologiques biologia. Questi dati permettono di valutare la vulnerapermettent d’évaluer la vulnérabilité du captage. Si ce- bilità della captazione. In presenza di captazioni solo lui-ci s’avère peu sensible aux contaminations, on est lievemente vulnerabili, è possibile minimizzare l’estenen droit de délimiter des zones de protection d’exten- sione delle zone di protezione (metodo delle distanze). sion minimale (méthode des distances). Un captage Al contrario, per le captazioni vulnerabili bisogna esevulnérable requiert des investigations complémentaires guire delle analisi supplementari, in modo da raccodestinées à mieux appréhender les écoulements sou- gliere più precise informazioni sul flusso sotterraneo e terrains et le degré d’hétérogénéité de l’aquifère. Si ce- sul grado di eterogeneità dell’acquifero. Nel caso di un lui-ci est relativement homogène, les zones de protec- acquifero a bassa eterogeneità, le zone di protezione tion sont délimitées en se basant sur les isochrones dovranno essere determinate tramite isocrone (metodo d’écoulement (méthode des isochrones). La méthode delle isocrone). Per ciò che riguarda gli acquiferi che multicritère « DISCO », plus complexe, ne s’applique presentano un alto livello di eterogeneità e una captaqu’aux aquifères très hétérogènes exploités par des zione vulnerabile, bisognerà ricorrere ad un metodo di captages vulnérables. analisi a più parametri e più complesso, cioè il metodo « DISCO ».
Mots clés: Eaux souterraines, aquifère en milieu fissu- Parole chiave: falde acquifere sotterranee, acquifero in ré, vulnérabilité des captages, bassin d’alimentation, roccia fessurata, vulnerabilità, bacino imbrifero, rilievo cartographie, zones de protection, DISCO. cartografico, zone di protezione delle acque sotterranee, DISCO.
Préface Premessa
La loi du 24 janvier 1991 sur la protection des eaux La legge del 24 gennaio 1991 sulla protezione delle exige la délimitation de zones de protection des eaux acque sancisce che le zone di protezione delle acque souterraines afin de protéger contre la pollution les sotterranee devono essere dimensionate al fine di salcaptages d’eau potable qui sont d’intérêt public. Dans vaguardare dall’inquinamento la captazione di acqua les aquifères en roche meuble, le dimensionnement de potabile d’interesse pubblico. Per le acque sotterranee ces zones est basé sur une durée d’écoulement don- in rocce incoerenti, il dimensionamento delle zone di née, qui correspond au temps nécessaire aux eaux protezione viene calcolato sulla base della durata del souterraines pour arriver au captage. flusso che corrisponde al tempo impiegato dalle acque sotterranee per raggiungere il luogo di captazione. Dans les aquifères fissurés, les vitesses d’écoulement des eaux souterraines sont parfois très hétérogènes. A Nelle falde acquifere in rocce fessurate, le velocità del priori, la méthode de dimensionnement des zones de flusso delle acque sotterranee sono distribuite a tratti in protection basée sur des vitesses d’écoulement homo- modo assai eterogeneo. A priori pertanto, il metodo di gènes dans l’aquifère n’est donc pas systématique- dimensionamento delle zone di protezione sulla base ment appropriée. L’ordonnance du 28 octobre 1998 sur di velocità di flusso omogenee nell’aquifero non è in la protection des eaux tient compte de cette situation et generale il più indicato. L’ordinanza del 28 ottobre prévoit que dans les aquifères fissurés, le dimension- 1998 sulla protezione delle acque tiene conto di tale nement des zones de protection des eaux souterraines fatto e sancisce che per le condotte delle acque sotterse base sur la vulnérabilité du bassin d’alimentation du ranee in rocce fessurate, il dimensionamento delle zocaptage. ne di protezione delle acque sotterranee sia determinato dalla vulnerabilità del bacino di alimentazione della Une méthode permettant d’évaluer dans la pratique captazione. cette vulnérabilité pour les aquifères fissurés est exposée dans le présent guide pratique. Cette méthode a Tuttavia, la modalità che consente di definire la vulnepour but de dimensionner les zones de protection des rabilità del bacino di alimentazione della captazione in
eaux souterraines. Comme cela a déjà été fait pour les acquiferi in rocce fessurate, e pertanto, di dimensioaquifères karstiques avec la publication intitulée « Car- nare le zone per la protezione delle acque sotterranee tographie de la vulnérabilité en régions karstiques non è ancora stata messa in pratica e necessita di al- (EPIK) », le présent guide pratique a pour objectif cune delucidazioni. La presente guida mira a fornire le d’uniformiser l’application des bases légales (voir im- necessarie spiegazioni tramite esempi concreti, così pressum) et d’apporter, à l’aide d’exemples concrets, come è già avvenuto per le falde acquifere nelle regioles éclaircissements nécessaires à l’utilisation de la ni carsiche (« Cartografia della vulnerabilità nelle reméthode. Il s’agit d’un document de recommandations gioni carsiche – metodo EPIK ») – al fine di uniformare qui s’adresse aux géologues et ingénieurs-conseil, l’esecuzione (cfr. sigla editoriale). È rivolta ai geologi e ainsi qu’aux autorités spécialisées. agli ingegneri consulenti, e costituisce un ausilio per l’esecuzione per le autorità specializzate. Ce guide pratique a été réalisé par le Centre d’hydrogéologie de l’Université de Neuchâtel sur mandat de La presente guida è stata redatta dal « Centre d’hydrol’Office fédéral de l’environnement, des forêts et du géologie » dell’Università di Neuchâtel su mandato paysage (OFEFP). Un groupe de travail réunissant des dell’Ufficio federale dell’ambiente, delle foreste e del membres de la Société suisse d’hydrogéologie (SSH) paesaggio (UFAFP). Il progetto è stato seguito da un et associant l’Office fédéral des eaux et de la géologie gruppo di lavoro composto da membri della Società (OFEG) et l’OFEFP a encadré le projet. svizzera d’idrogeologia (SSI) in collaborazione con l’Ufficio federale delle acque e della geologia (UFAEG) e con l’UFAFP.
Office fédéral de l’environnement, Ufficio federale dell’ambiente, delle foreste des forêts et du paysage e del paesaggio
Office fédéral des eaux et de la géologie Ufficio federale delle acque e della geologia
Résumé
Les aquifères fissurés constituent une ressource en vis-à-vis des impacts naturels ou anthropogènes sur le eau potable importante pour de nombreuses régions bassin d’alimentation (captage peu vulnérable aux polen Suisse. En raison des caractéristiques particulières lutions ⇒ groupe a) ou si au contraire, il est sensible à de ces milieux et de la grande diversité des contextes ces impacts (captage vulnérable aux pollutions ⇒ hydrogéologiques rencontrés, il s’est avéré nécessaire groupe b). de mettre au point une nouvelle démarche méthodolo- Groupe a: captages peu vulnérables, gique permettant une délimitation des zones de protecmilieux à circulations lentes tion pour l’ensemble des captages concernés. Il appa- Ces captages sont caractérisés par une stabilité du raît en effet que la méthode utilisée aujourd’hui, basée débit, de la conductivité et de la température, même en sur l’assimilation des aquifères fissurés à un milieu période de fortes précipitations, et par une bonne quaéquivalent continu, n’est pas systématiquement applilité permanente de l’eau du point de vue de la biologie cable en raison de l’hétérogénéité du champ de per- et de la turbidité, ainsi que par une stabilité des paraméabilité dans les roches fissurées. La méthode dévemètres chimiques. Ces caractéristiques permettent de loppée pour les milieux karstiques, EPIK (Doerfliger & conclure à des vitesses d’écoulement lentes et à des Zwahlen 1998), n’est pas non plus applicable aux mitemps de résidence élevés dans l’aquifère (ex.: milieu lieux fissurés non karstiques. à perméabilité limitée; remontée d’eaux relativement La démarche méthodologique présentée ici permet de profondes). Les eaux séjournent donc assez longchoisir une procédure pour la délimitation des zones temps dans l’aquifère pour être épurées naturellement de protection des eaux souterraines (zones S), qui soit avant d’être captées. en accord avec le fonctionnement hydrogéologique Sur la base des données acquises lors de cette predes sites considérés. La démarche méthodologique et mière étape, il est généralement possible de procéder les procédures respectives ont été mises au point sur directement à la délimitation des zones de protection. la base de l’observation de nombreux sites répartis sur l’ensemble du territoire suisse et situés dans des con- Délimitation des zones S pour les captages
textes géologiques et hydrogéologiques différents. du groupe a: méthode des distances Parmi ces sites, quatre sont présentés de manière résumée dans le cadre de ce guide pratique. Quelques Dans cette situation, une délimitation de zones de autres sites sont évoqués succinctement pour illustrer protection d’extension minimale en considérant des cas particuliers. Ces exemples d’application per- l’aquifère fissuré comme un milieu continu équivamettent d’illustrer et de justifier l’utilisation des trois dif- lent est généralement suffisante. On procédera férentes méthodes présentées ci-après. donc, dans le cas de circulations lentes, selon le même principe qu’en milieu poreux. La distance en- La démarche se déroule de la manière suivante: tre les limites extérieures des zones S1 et S2 doit Acquisition des données de base: être au minimum de 100 mètres vers l’amont dans
caractérisation du contexte hydrogéologique, déter- la direction générale des écoulements, et la distanmination des limites du bassin d’alimentation du cap- ce entre les limites extérieures de S1 et S3 doit être tage, au minimum 2 fois plus grande (si distance S1–S2 =
détermination des caractéristiques du captage, 100m ⇒ distance S1–S3 = 200m).
caractérisation globale de la vulnérabilité du captage (étude des fluctuations du débit, de la conductivité Groupe b: captages vulnérables, électrique de l’eau, de la température de l’eau en milieux à circulations rapides fonction des conditions météorologiques, analyses Ces captages sont caractérisés par une fluctuation chimiques et bactériologiques). marquée des débits, conductivités et températures lors des périodes de fortes précipitations, et/ou des problè- C’est ce dernier point qui est déterminant pour le choix mes de qualité de l’eau (biologie, turbidité). Ceci déde la méthode. montre la présence de connexions rapides entre le Au terme de cette première étape, il est possible de bassin d’alimentation et le captage (ex.: écoulements déterminer si le captage est naturellement bien protégé rapides le long de réseaux de fractures, contribution
d’apports liés à des infiltrations dans les environs im- Cas b2: milieu fortement hétérogène à l’échelle du médiats du captage). Une partie des eaux ne séjourne bassin d’alimentation du captage pas assez longtemps dans l’aquifère pour être suffi- Les eaux circulent le long d’un réseau de fissures locasamment filtrée et épurée naturellement avant d’être lement très perméables avec des liaisons rapides captée. (quelques heures à quelques jours) entre le captage et des zones réparties sur l’ensemble du bassin d’ali- Une étude complémentaire est alors indispensable mentation. pour permettre de localiser les surfaces alimentant le captage par l’intermédiaire de circulations rapides et Dans ce cas, les temps de transit n’augmentent pas pour évaluer le degré d’hétérogénéité de l’aquifère. forcément à mesure que l’on s’éloigne du captage. Une assimilation de l’aquifère à un milieu continu équi- Acquisition de données complémentaires: valent n’est donc pas acceptable. Seule une approche
étude des systèmes de discontinuité et évaluation de multicritère de la vulnérabilité sur l’ensemble du bassin leur rôle hydrogéologique, d’alimentation permet de délimiter les zones de protec-
recherche d’éventuelles zones d’infiltration préférention en prenant en considération la forte hétérogénéité tielle, du milieu.
suivi de la réponse de la source lors d’événements de crue, Délimitation des zones S pour les captages du
essais de traçage. cas b2: méthode de cartographie multicritère de Au terme de cette étude complémentaire, l’origine des la vulnérabilité « DISCO » contributions rapides et le degré d’hétérogénéité de Cette méthode est basée sur la prise en considéral’aquifère est précisé (faible ou fort). Une méthode adé- tion des facteurs géologiques et hydrogéologiques quate de délimitation des zones de protection est alors déterminant le fonctionnement de l’aquifère fissuré. choisie selon les deux cas de figure possibles (cas b1 L’évaluation de deux ou trois paramètres (DISconti- et b2: nuités, COuverture protectrice, et le cas échéant Cas b1: milieu faiblement hétérogène à l’échelle ruissellement) permet de caractériser le transport du bassin d’alimentation du captage d’un polluant d’un point quelconque du bassin d’ali- Dans ce cas, les temps de transit augmentent globale- mentation jusqu’à son arrivée au captage.
ment à mesure que l’on s’éloigne du captage. La déli- La cartographie, la combinaison et la pondération mitation de zones de protection sur la base de l’assimi- de ces paramètres permet de déterminer un facteur lation de l’aquifère à un milieu équivalent continu peut de protection naturel F en tout point du bassin d’alidonc être admise, bien que le milieu reste le plus sou- mentation du captage. La délimitation des zones S vent hétérogène à l’échelle du mètre ou de la dizaine est ensuite réalisée par l’intermédiaire d’une relation de mètres. d’équivalence entre le facteur F et les zones S1, S2 Délimitation des zones S pour les captages
S1: zones caractérisées par un facteur de du cas b1: méthode des isochrones protection naturel nul ou très faible On procède à la délimitation des zones de protec- (vulnérabilité particulièrement forte), tion selon le même principe qu’en milieu poreux: • S2: zones caractérisées par un facteur de
évaluation des vitesses de transit maximum dans protection naturel faible (vulnérabilité forte), l’aquifère et délimitation de l’isochrone des • S3: zones caractérisées par une facteur de 10 jours pour la limite de la zone S2 (au minimum protection naturel moyen (vulnérabilité moyenne). 100 m vers l’amont),
la zone S3 doit ensuite être fixée de telle manière à ce que la distance entre les limites extérieures de S2 et S3 soit au minimum égale à la distance entre les limites extérieures de S1 et S2.
Riassunto
Gli acquiferi fessurati costituiscono un’importante risor- o se invece è sensibile agli impatti (captazione vulnesa d’acqua potabile per molte regioni svizzere. Viste le rabile all’inquinamento ⇒ gruppo b). particolari caratteristiche di questi ambienti e la grande diversità dei contesti idrogeologici rilevati, si è dovuto Gruppo a: captazioni poco vulnerabili, ambienti mettere a punto un nuovo metodo che consentisse di con circolazioni lente delimitare le zone di protezione per tutte le captazioni Queste captazioni si contraddistinguono per la stabilità interessate. Infatti, il metodo usato attualmente, fonda- della portata, della conduttività e della temperatura anto sull’assimilazione degli acquiferi fessurati a un am- che durante i periodi di forti precipitazioni e per la buobiente equivalente continuo, non è applicabile sistema- na qualità costante dell’acqua dal punto di vista bioloticamente a causa dell’eterogeneità del campo di gico e della torbidezza, come per una stabilità dei permeabilità nelle rocce fessurate. Nemmeno il metodo parametri chimici. Tali caratteristiche lasciano presupsviluppato per gli ambienti carsici, EPIK (Doerfliger & porre che la velocità di deflusso sia bassa e che i tempi Zwahlen 1998), può essere usato per gli ambienti fes- di residenza nell’acquifero siano elevati (p.es.: ambiensurati non carsici. te con permeabilità limitata; risalita di acque relativamente profonde). Le acque rimangono quindi abba- Il metodo illustrato qui appresso permette di scegliere stanza a lungo nell’acquifero, tanto da poter essere una procedura per la delimitazione delle zone di protedepurate naturalmente prima della captazione. zione delle acque sotterranee (zone S) che sia compatibile con il funzionamento idrogeologico dei siti analiz- Sulla base dei dati rilevati durante la prima fase, è in zati. Il metodo e le diverse procedure sono stati messi via di massima possibile delimitare direttamente le zoa punto in base all’osservazione di numerosi siti sparsi ne di protezione. in tutto il territorio svizzero in contesti geologici e idrogeologici differenti. Quattro di questi siti sono presenta- Delimitazione delle zone S per le captazioni ti in modo riassuntivo nella presente guida pratica. del gruppo a: metodo delle distanze Qualche altro è citato brevemente al fine di illustrare
In questo contesto, è in genere sufficiente una delidei casi particolari. Gli esempi d’applicazione consenmitazione delle zone di protezione con un’estentono di presentare e giustificare l’uso dei tre diversi sione minima che considera l’acquifero fessurato un metodi sottomenzionati. ambiente continuo equivalente. Se le circolazioni Il metodo comprende le fasi seguenti: sono lente, si procede pertanto secondo lo stesso principio applicato per gli ambienti porosi. Tra i limiti Rilevamento dei dati di base: esterni delle zone S1 e S2 ci dev’essere una di-
caratterizzazione del contesto idrogeologico, deter- stanza minima di 100 metri verso monte nella direminazione dei limiti del bacino d’alimentazione della zione generale dei deflussi, e la distanza tra i limiti captazione, esterni di S1 e S3 dev’essere almeno due volte più
determinazione delle caratteristiche della captazione, grande (se la distanza S1–S2 = 100m ⇒ distanza
caratterizzazione globale della vulnerabilità della cap- S1–S3 = 200m). tazione (analisi delle fluttuazioni della portata, della conduttività elettrica dell’acqua, della temperatura Gruppo b: captazioni vulnerabili, dell’acqua in funzione delle condizioni meteorologi- ambienti con circolazioni rapide che, analisi chimiche e batteriologiche). Queste captazioni si contraddistinguono per la fluttua- Questo ultimo punto è determinante per la scelta del zione marcata della portata, della conduttività e della metodo. temperatura durante i periodi di forti precipitazioni e/o per i problemi della qualità dell’acqua (biologia, torbi- Al termine di questa prima fase, è possibile stabilire se dezza). Ciò conferma la presenza di collegamenti rapila captazione è naturalmente ben protetta dagli impatti di tra il bacino d’alimentazione e la captazione (p.es.: naturali o antropogeni sul bacino d’alimentazione (capdeflussi rapidi lungo le reti di fratture, apporti dovuti a tazione poco vulnerabile all’inquinamento ⇒ gruppo a) infiltrazioni nei pressi della captazione). Una parte delle
acque non rimane abbastanza a lungo nell’acquifero Caso b2: ambiente fortemente eterogeneo a livello per essere filtrata a sufficienza e depurata in modo na- del bacino d’alimentazione della captazione turale prima della captazione. Le acque circolano lungo una rete di fessure localmente molto permeabili con raccordi rapidi (da qualche ora Un’analisi complementare si rende dunque necessaria a qualche giorno) tra la captazione e le zone sparse al fine di localizzare le zone che alimentano la captasull’insieme del bacino d’alimentazione. zione tramite circolazioni rapide e per valutare il grado di eterogeneità dell’acquifero. In questo caso, i tempi di transito non aumentano necessariamente man mano che ci si allontana dalla cap- Rilevamento dei dati complementari: tazione. L’assimilazione dell’acquifero a un ambiente
analisi dei sistemi di discontinuità e valutazione della continuo equivalente non è dunque ammessa. Solo loro funzione idrogeologica, uno studio secondo diversi criteri della vulnerabilità
ricerca di eventuali zone di infiltrazione preferenziale, sull’insieme del bacino d’alimentazione permette di de-
controllo della reazione della fonte durante gli eventi limitare le zone di protezione tenendo conto della forte di piena, eterogeneità dell’ambiente.
prova di tracciatura.
L’analisi permette di precisare l’origine degli apporti Delimitazione delle zone S per le captazioni rapidi e il grado di eterogeneità dell’acquifero (debole o del caso b2: metodo di cartografia della vulnerabilità a criteri multipli « DISCO » forte). Si sceglie un metodo adeguato per delimitare le zone di protezione in base alle due opzioni possibili Questo metodo considera i fattori geologici e idro- (casi b1 e b2. geologici che determinano il funzionamento dell’acquifero fessurato. Caso b1: ambiente debolmente eterogeneo a livello La valutazione di due o tre parametri (DIScontinuità, del bacino d’alimentazione della captazione COpertura di protezione, e se del caso, ruscella- In questo caso, i tempi di transito aumentano global- mento) permette di caratterizzare il trasporto di un mente man mano che ci si allontana dalla captazione. agente inquinante da un punto qualsiasi del bacino d’alimentazione fino all’arrivo alla captazione. La delimitazione delle zone di protezione assimilando l’acquifero a un ambiente equivalente continuo può La cartografia, l’abbinamento e la ponderazione di pertanto essere ammessa, anche se l’ambiente rimane questi parametri permettono di determinare un fattosolitamente eterogeneo a livello di un metro o di una re di protezione naturale F per ogni punto del bacino d’alimentazione della captazione. Le zone S sodecina di metri. no in seguito delimitate tramite una relazione d’equi- Delimitazione delle zone S per le captazioni • S1: zone con un fattore di protezione naturale o del caso b1: metodo delle isocrone molto debole (vulnerabilità particolarmente forte), Le zone di protezione vengono delimitate secondo • S2: zone con un fattore di protezione naturale delo stesso principio applicato per gli ambienti porosi: bole (vulnerabilità forte),
valutazione delle velocità di transito massimo • S3: zone con un fattore di protezione naturale nell’acquifero e delimitazione dell’isocrona di 10 medio (vulnerabilità media). giorni per il limite della zona S2 (almeno 100 m a monte dell’impianto di captazione),
la zona S3 deve successivamente essere determinata in modo tale che la distanza tra i limiti esterni di S2 e S3 sia uguale almeno alla distanza che separa i limiti esterni di S1 e S2.
1 Introduction
Les aquifères fissurés jouent un rôle important en Un captage est considéré comme peu vulnérable si Suisse pour l’approvisionnement en eau de la popula- les eaux souterraines séjournent assez longtemps tion résidant en dehors des grands centres urbains. dans l’aquifère pour être filtrées et épurées de manière Une grande partie de l’eau potable provient de ces naturelle avant d’être captées. Dans un tel cas, quelles aquifères dans les régions alpines et de nombreuses que soient les conditions hydrologiques, les caractérissources sont également captées le long des reliefs du tiques physico-chimiques de l’eau varient très peu, et Plateau suisse. Si les débits exploités par captage sont les problèmes de qualité de l’eau (biologie, turbidité) en règle générale plus faibles (le plus souvent infé- sont absents. Le débit, lui aussi, varie peu, sauf dans rieurs à 1000 l/min) qu’en milieu karstique ou en milieu le cas d’un effet piston. Dans ce type de contexte, les poreux, le nombre d’ouvrages devant faire l’objet de essais de traçage ne constituent généralement pas un délimitation de zones de protection est élevé. outil adéquat (absence de restitution) en raison de vitesses de transfert lentes dans l’aquifère et/ou de cir- La méthode EPIK (Doerfliger & Zwahlen 1998) déveculations liées à des systèmes d’écoulement relativeloppée pour la délimitation des zones de protection en ment profonds. Dans de tels contextes une approche milieu karstique n’est pas applicable aux milieux fissusimple, ne nécessitant pas une étude détaillée de la rés non karstiques et n’est donc pas prise en considéstructure et de l’hétérogénéité de l’aquifère, est génération dans le cadre du présent guide. Le comporteralement suffisante pour délimiter les zones de protecment des aquifères fissurés varie fortement d’un site à tion S et garantir la bonne qualité de l’eau captée. l’autre, notamment en fonction du contexte géologique (type de roche, tectonique) et de la topographie. Cela Un captage est considéré comme vulnérable dans implique des contrastes au niveau de la structure de le cas où une proportion significative des eaux captées l’aquifère (ex.: répartition des perméabilités, hétérogéest liée à des circulations rapides et à des temps de néité, anisotropie) et de l’organisation des écoulements résidence courts dans l’aquifère. Une partie des eaux
(ex.: circulations plus ou moins profondes, vitesses de s’infiltrant dans le bassin d’alimentation ne séjourne transit, temps de résidence). pas suffisamment longtemps dans l’aquifère pour être filtrée et épurée de manière naturelle avant d’être cap- Vulnérabilité des eaux souterraines tée. Le terme de vulnérabilité intrinsèque est utilisé pour caractériser de manière globale la sensibilité des Dans de tels contextes, les zones de protection doivent eaux souterraines aux contaminations. Il prend en donc être définies avec un soin particulier pour assurer considération les caractéristiques géologiques, la qualité de l’eau captée. La structure et le degré hydrologiques et hydrogéologiques du milieu naturel d’hétérogénéité de l’aquifère (figure 1) doivent impéramais est indépendant de la nature du polluant tivement être évalués et pris en compte dans le cadre (d’après Daly et al. 2002). de la définition des zones de protection. Dans le cas de la délimitation des zones de protec- Ces observations impliquent que des méthodes diffétion, la cartographie de la vulnérabilité a pour but d’évaluer en tout point du bassin d’alimentation rentes doivent être utilisées pour délimiter les zones de l’impact d’une pollution potentielle sur la qualité de protection selon les cas. Elles montrent la nécessité l’eau du captage. d’obtenir dans un premier temps des données suffisantes pour caractériser le comportement et la vulnérabilité du captage et dans un deuxième temps, pour les Dans le cadre de la délimitation des zones de proteccaptages vulnérables, d’obtenir suffisamment de dontion, des observations concernant la réponse hydrolonées concernant la structure de l’aquifère et l’organigique du captage sont indispensables et permettent sation des écoulements. dans un premier temps de caractériser la vulnérabilité du captage.
Les zones de protection doivent permettre de gaa) rantir les objectifs de prévention (voir encadré)
Zones de protection des eaux souterraines Zone S1: elle doit permettre d’éviter les dégâts aux installations de captage ou d’alimentation artificielle des eaux souterraines, ainsi que les pollutions dans leur environnement immédiat. En milieu fissuré, elle couvre encore d’autres zones, si ces dernières présentent une vulnérabilité particulièrement forte b) (p.ex. zones tectonisées) ou si l’existence d’une liaison directe entre ces zones et le captage est prouvée ou doit être présumée. Zone S2: elle a pour rôle de tenir à l’écart du captage les contaminations microbiologiques, elle doit également permettre d’éviter que l’eau captée soit polluée par des excavations et des travaux souterrains, et que l’écoulement des eaux souterraines vers le captage soit perturbé par des ouvrages souterrains. c) Zone S3: elle doit permettre de garantir suffisamment d’espace et de temps pour des mesures d’assainissement, dans le cas où une source de pollution menacerait de contaminer les eaux souterraines, p.ex. lors d’un accident mettant en cause des substances de nature à polluer les eaux.
Une démarche méthodologique a été développée par le Centre d’hydrogéologie de l’Université de Neuchâtel en collaboration avec un groupe d’experts de la Sociéd) té suisse d’hydrogéologie et des services spécialisés de la Confédération. Elle comprend d’une part un inventaire des observations nécessaires pour caractériser le fonctionnement des aquifères fissurés et d’autre part une description des méthodes permettant la délimitation des zones de protection dans les différents cas de figure possibles. Elle fait l’objet du présent guide pratique. La présente démarche s’applique en principe aux captages de sources. Elle n’est en géné- Figure 1: Représentation schématique de quatre aquifères ral pas applicable aux captages par forage ou galerie caractérisés par une hétérogénéité croissante profonde, cas relativement peu fréquents en Suisse et a) milieu poreux homogène relevant de circulations régionales de l’eau souterraine. b) milieu fissuré faiblement hétérogène Un exemple est décrit dans le chapitre 6.5.2 a. c) milieu fissuré hétérogène La démarche méthodologique et les différentes procéd) milieu karstique. dures permettant la délimitation des zones de protec-
tion ont été mises au point sur la base de l’observation et directives fédérales. Les restrictions les plus imporde nombreux sites répartis sur l’ensemble du territoire tantes dans ces zones sont la limitation des construcsuisse et situés dans des contextes géologiques et hy- tions industrielles et l’interdiction d’extraction des matédrogéologiques différents. Parmi ces sites, quatre sont riaux. L’ordonnance du 28 octobre 1998 sur la présentés de manière résumée dans le chapitre 6. protection des eaux (OEaux, RS 814.201) préconise Quelques autres sites sont évoqués succinctement trois zones de protection. Ces zones appelées S1, S2 pour illustrer des cas particuliers. et S3 font l’objet d’un règlement relatif à l’utilisation du territoire. La législation en matière de protection des eaux – loi fédérale du 24 janvier 1991 sur la protection des eaux Pour les eaux souterraines en milieu fissuré, le dimen- (RS 814.20) – exige, dans l’article 20, la délimitation sionnement des zones de protection est basé d’après des zones de protection pour tous captages (sources, l’OEaux sur la vulnérabilité du bassin d’alimentation du galeries, puits) et installations d’alimentation artificielle captage. Cette vulnérabilité est établie selon les critèdes eaux souterraines qui sont d’intérêt public (Défini- res suivants: caractéristiques des roches proches de la tion: voir Instructions pratiques pour la protection des surface, telles que zone de décompression, propriétés eaux souterraines, OFEFP 2004). L’application de la des couches de couverture, conditions d’infiltration et loi incombe aux cantons, sur la base des ordonnances caractéristiques des systèmes de discontinuité.
2 Caractéristiques des milieux fissurés
2.1 Propriétés générales, schéma décompression peuvent engendrer une augmentation
de fonctionnement simplifié de l’ouverture des fractures qui induit un accroissement de la perméabilité de l’aquifère à proximité de la Dans les aquifères à porosité de fissure, l’écoulement surface (Avias 1982, Cruchet 1985). L’importance de des eaux souterraines s’effectue de manière prépon- ces phénomènes et l’épaisseur de la zone de décomdérante le long des fractures, diaclases, failles, voire pression varient également fortement d’un site à limites de bancs. l’autre.
Les observations effectuées en galerie et dans les forages mettent en évidence une alternance de secteurs peu perméables où les écoulements sont peu abondants et de zones fracturées de façon plus intense, plus fortement perméables où sont localisées les principales venues d’eau (Jamier 1975; Dubois 1991; Maréchal 1998).
Le modèle conceptuel suivant est proposé pour décrire le fonctionnement des aquifères fissurés (figure 2):
présence d’un réseau de discontinuités principales caractérisées par des perméabilités élevées. Ces discontinuités ont une fonction essentiellement conductrice. Elles servent de drain et alimentent les principales zones d’exutoire,
le reste du massif est considéré comme relativement homogène. Il est caractérisé par une porosité d’inter- discontinuités principales stice (ex.: grès) ou de fissure, se traduisant par une source
perméabilité nettement plus faible que le réseau de bloc avec réseau de fractures, zone humide et limite de la zone saturée discontinuités principales. Ces volumes de roches peu perméables correspondent donc à la fonction capacitive de l’aquifère, Figure 2: Schéma conceptuel d’un aquifère fissuré. La
la recharge de l’aquifère s’effectue aussi bien au ni- couverture (sol, moraine) n’est pas représentée. veau des discontinuités principales qu’au niveau des volumes de roches moins perméables,
l’eau captée dans la zone d’exutoire est un mélange 2.2 Répartition et caractéristiques d’eau jeune (contribution liée à une alimentation di- des aquifères fissurés en Suisse recte du réseau de structures perméables connectées avec le captage) et d’eau plus ancienne (contri- On dénombre en Suisse divers types de roches cohébution liée à une alimentation de zones moins per- rentes situées dans des contextes tectoniques difféméables lentement drainées par les discontinuités rents. La quasi-totalité des aquifères fissurés exploités principales). en Suisse se trouve dans des régions accidentées (Al- Le fonctionnement hydrogéologique varie cependant pes, Préalpes, reliefs du Plateau); dans les régions de fortement d’un site à l’autre (systèmes d’écoulement plaine et les plus grandes vallées, des dépôts quaterplus ou moins profonds, hétérogénéité plus ou moins naires importants (présence de formations aquifères à marquée à l’échelle du bassin d’alimentation du cap- porosité d’interstice) recouvrent le plus souvent les tage). De plus, en milieu fissuré, les phénomènes de formations fissurées.
Il est utile de regrouper les aquifères fissurés selon Roches sédimentaires consolidées tectonisées leurs caractéristiques lithologiques et structurales. Les (Molasse subalpine, Flysch, Verrucano, Schistes aquifères karstiques ne sont pas pris en considération lustrés et Bündnerschiefer, en partie Calcaires siliici, puisqu’une méthode spécifique (EPIK) a été déve- ceux helvétiques ainsi que dolomies austroalpines loppée pour la délimitation des zones de protection et sudalpines) dans ces milieux (Doerfliger & Zwahlen 1998). Cette classe comprend des types de roches variés: grès, conglomérats, marnes, schistes, calcschistes, cal- En Suisse, l’importance considérable des dépôts quacaires siliceux et dolomies non karstiques. Dans cette ternaires se traduit souvent par la présence de captacatégorie, l’effet de la tectonique alpine est fortement ges alimentés simultanément par un aquifère fissuré et marqué et se traduit par la présence de bancs redrespar un aquifère quaternaire (moraines, dépôts de sés, voire plissés et intensément fracturés (figure 4 et pente). chapitre 6, figure 16, classe 3). Les phénomènes de Les classes suivantes sont proposées: dissolution ou d’érosion sont significatifs le long des discontinuités et impliquent une augmentation de la Roches sédimentaires détritiques consolidées faiporosité de fissure et de la perméabilité. La porosité blement tectonisées (Molasse du Plateau et des d’interstice des roches est par contre moins élevée que synclinaux du Jura) pour la Molasse du Plateau en raison d’un degré de Il s’agit d’alternances de grès, conglomérats et marnes compaction et de cimentation plus élevé (Keller 1992). peu fracturés (figure 3 et chapitre 6, figure 16, classe 2). La perméabilité de fissure est généralement faible, mais on observe localement des écoulements assez abondants le long de fractures ou de limites de bancs. Les réservoirs alimentant ces discontinuités sont cependant le plus souvent des aquifères à porosité d’interstice (porosité primaire des grès, couches superficielles altérées ou décalcifiées, dépôts quaternaires superficiels).
Figure 4: Roches sédimentaires, Molasse subalpine: Grès de Vaulruz à Vaulruz. Les couches sont redressées, compactées et fracturées. (Photo F. Pasquier)
Les vitesses d’écoulement des eaux souterraines sont en général rapides, ceci notamment en raison des forts reliefs (gradients hydrauliques élevés) rencontrés dans les régions préalpines et alpines. Dans ce type de contexte, l’instabilité des masses rocheuses se traduit par la présence de nombreux glissements, tassements et parfois par des dépôts de pente d’épaisseur considé- Figure 3: Roches sédimentaires, Molasse du Plateau: Molasse rable. L’influence de ces facteurs, additionnée parfois à marine supérieure à Moudon. Les couches poreuses celle de dépôts quaternaires fluvio-glaciaires implique sont peu fissurées, avec écoulements le long de souvent un fonctionnement hydrogéologique complexe limites de bancs. (Photo F. Pasquier) (aquifères mixtes).
Figure 5: Roches métamorphiques: amphibolites et paragneiss au glacier du Rhône. On voit l’aspect compact de la roche et les discontinuités subverticales. (Photo B. Sigrist)
Roches cristallines (roches magmatiques et méta- paux facteurs contrôlant le fonctionnement hydrogéomorphiques) et roches sédimentaires fortement logique des aquifères fissurés: consolidées (Permo-carbonifère des nappes pen- Lithologie niques)
présence ou non de plans de stratification ou de Cette classe comprend des types lithologiques très difschistosité férents: granites, gneiss, schistes, roches vertes, ainsi (⇒ écoulements le long des limites de bancs), que conglomérats et grès (figure 5 et chapitre 6, figure
présence ou non d’une porosité de matrice 16, classe 4). Toutes ces roches sont situées dans des (⇒ milieu à double porosité), contextes où la déformation alpine est intense. Elles
plus ou moins forte teneur en minéraux solubles ou sont bien cristallisées ou fortement consolidées. Leur oxydables, plus ou moins forte consolidation de la porosité de matrice est négligeable, et les phénomèroche (⇒ augmentation possible de l’ouverture des nes de dissolution ou d’érosion le long des fissures discontinuités par dissolution ou érosion), sont en général peu marqués. Les caractéristiques des
type de comportement mécanique de la roche: rigide réseaux de fissures (distribution, ouverture) sont donc et cassant, ou plastique (⇒ fracturation plus ou essentiellement liées à la tectonique et à la force gravimoins développée pour des types de roches diffétationnelle (appel au vide, décompression, fauchage). rents sous un même régime tectonique). Les problèmes de qualité de l’eau sont moins marqués que dans la classe précédente, mais des apports rapi- Tectonique des d’eau de mauvaise qualité en direction des capta- • contexte tectonique (⇒ intensité de la déformation, ges sont possibles par l’intermédiaire de zones forte- distribution des discontinuités, déformation ductile/ ment fracturées, particulièrement dans le cas de cassante). relations eaux de surface – aquifère (mise en charge Relief de certaines fractures). • distribution des potentiels hydrauliques dans l’aquifère. Dans les zones fortement accidentées, on ob- 2.3 Principaux facteurs déterminant le serve des gradients particulièrement élevés implifonctionnement des aquifères fissurés quant généralement des vitesses de transit rapides, L’observation de sites appartenant à ces trois classes • phénomènes de dissolution ou d’érosion mécanique.
d’aquifères permet de mettre en évidence les princi- Dans les régions caractérisées par de forts gradients
hydrauliques, ces phénomènes peuvent conduire à Risques de pollution et problèmes une augmentation des perméabilités le long des fis- de qualité sures, particulièrement dans la direction des gra- La majorité des aquifères fissurés exploités sont situés dients les plus élevés, dans des régions accidentées (Alpes, Préalpes). Les
fauchage et ouverture des réseaux de fractures dus risques de pollution menaçant la qualité des eaux souaux forces gravitaires. Ces instabilités peuvent pro- terraines sont donc essentiellement liés à l’élevage et voquer une augmentation des perméabilités dans les l’agriculture de montagne (bétail, fosses à purin, épanpremières dizaines de mètres à partir de la surface, dage de fumure) et au tourisme (fosses septiques, voire parfois quelques centaines de mètre. puits perdus). De manière générale ce sont les pollutions biologiques qui posent le plus souvent des pro- D’autres paramètres influencent également le foncblèmes, mais l’infiltration d’autres substances comme tionnement des aquifères fissurés: p.ex. les hydrocarbures (véhicules, chauffage, travaux, Influence des glaciations transport) représente également un facteur de risque
présence de dépôts fluvio-glaciaires (formations qua- important. Dans les zones faiblement accidentées siternaires aquifères ou peu perméables superposées tuées à basse altitude (Plateau, et premiers contreforts au milieu fissuré), des Préalpes), les substances utilisées par l’agriculture
exfoliation (⇒ ouverture de discontinuités due à la intensive (engrais, pesticides) voire par l’industrie peudécompression post-glaciaire). vent représenter un danger supplémentaire. Relations avec les eaux de surface Caractérisation des aquifères
alimentation directe de certaines fissures et possibili- et délimitation des zones de protection té de mise en charge Pour les captages de sources ou les galeries, il n’est (⇒ connexions rapides avec le captage possibles). pas possible d’évaluer les caractéristiques des aquifères (perméabilité, coefficient d’emmagasinement) par l’intermédiaire d’essais de pompage. Une connais- 2.4 Exploitation et protection des sance suffisante de l’aquifère est cependant nécesressources en eau potable saire pour protéger efficacement les ressources en eau Types de captage des milieux fissurés. C’est pourquoi il est indispensable
L’exploitation des aquifères fissurés en Suisse con- d’étudier le comportement hydrologique du captage cerne essentiellement les reliefs du Plateau suisse, les (suivi du débit et des paramètres physico-chimiques). Préalpes, et les Alpes. Les eaux y sont captées soit On peut ainsi comprendre le fonctionnement global de par des ouvrages réalisés dans des zones d’exutoire l’aquifère. Il faut en outre acquérir des données géolonaturel soit par l’intermédiaire de galeries (Molasse du giques suffisantes (lithologie, fracturation) pour évaluer Plateau) soit exceptionnellement par des forages la structure de l’aquifère. (quelques puits profonds exploitent les eaux de la Mo- L’étude de nombreux sites a montré l’existence de lasse marine supérieure). fonctionnements hydrogéologiques très différents d’un Dans le cadre de ce guide méthodologique, l’accent a aquifère à l’autre. Il n’est donc pas possible de propoété mis sur la protection des sources et des galeries. ser une seule méthode pour délimiter valablement les Les aspects particuliers de la délimitation des zones de zones de protection pour l’ensemble des aquifères fisprotection des forages ne sont pas abordés spécifi- surés en Suisse. quement, puisque les forages exploitant les milieux fis- Une approche en plusieurs étapes, permettant de choisurés non karstiques en Suisse captent des eaux prosir la méthode adéquate sur la base d’une connaisfondes à temps de transit généralement longs (souvent sance suffisante du fonctionnement hydrogéologique supérieurs à plusieurs dizaines d’années). du site étudié est présentée au chapitre suivant.
3 Démarche méthodologique pour
la délimitation des zones de protection
La démarche méthodologique présentée, développée • l’état du captage doit être évalué (p.ex. accumulation grâce à l’étude de sites de test (voir chapitre 6), permet de particules fines) et les dégâts éventuels signalés la délimitation des zones de protection en milieu fissu- (p.ex. fissures, couvercle mal fermé). ré, quel que soit le contexte hydrogéologique ren- Caractérisation du contexte géologique contré. Elle se déroule en deux ou trois étapes, selon et hydrogéologique la complexité du cas à traiter (figure 7):
répartition et propriétés hydrauliques générales des
acquisition des données de base (définition du condifférentes formations géologiques, texte hydrogéologique, des limites du bassin d’ali-
inventaire des principales familles de discontinuités à mentation, des risques de pollution et de la vulnérabil’échelle locale (fractures à l’affleurement) et régiolité du captage), nale (chevauchements, failles de grande extension).
le cas échéant (pour les captages vulnérables) acquisition de données complémentaires (traçages, Détermination des limites du bassin évaluation de l’hétérogénéité de l’aquifère), d’alimentation du captage (annexe 1)
délimitation des zones de protection S selon la mé- • détermination de la surface approximative du bassin thode appropriée. selon un rapide bilan annuel, Les limites hydrogéologiques ainsi obtenues pour les • prise en considération de données existantes concerzones S seront ensuite adaptées en tenant compte nant des essais de traçage, p.ex. de la répartition parcellaire. • confrontation des résultats avec les dimensions du bassin hydrologique (déterminé selon la topographie), la structure géologique, et la présence d’autres
3.1 Acquisition des données de base –
sources dans la zone d’étude, Evaluation de la vulnérabilité du captage
délimitation du bassin d’alimentation. Sur la base de données existantes et d’informations Inventaire des sources de pollution existantes complémentaires, les points suivants doivent être trai- et potentielles sur le bassin d’alimentation tés: • sur la base d’informations obtenues auprès de la Description de la situation, du type commune concernée ou auprès du service cantonal et de l’état du captage compétent, il s’agit de répertorier les endroits les plus
la situation de l’ouvrage (figure 6) doit être décrite exposés aux pollutions et de savoir à quelles pério- (p.ex. directement au pied d’un affleurement de ro- des de l’année ces risques sont les plus élevés afin ches fissurées, dans une zone avec présence de réaliser les contrôles de la qualité de l’eau au d’éboulis ou de moraine, près d’un cours d’eau), moment opportun. Les plans concernant l’aménage-
le type de captage doit être connu (p.ex. forage hori- ment du territoire (plan directeur et plan d’affectation) zontal, tranchée drainante), si possible au moyen doivent être consultés et les sites potentiellement d’un plan de l’ouvrage, pollués par des déchets doivent être localisés.
ès gr
Figure 6: Schéma de captage. On voit la situation des drains et de s r ne la chambre collectrice par rapport aux couches ma géologiques (modifié d’après Schneider 1988).
Acquisition des données de base
Caractérisation globale de la vulnérabilité Autres données indispensables du captage Caractéristiques du captage, risques (déterminante pour le choix de la méthode)
captage(s): situation, type, état
variations de Q (débit), T (température de - sources de pollution existantes et l’eau), C (conductivité électrique de l’eau), potentielles sur le bassin d’alimentation et de qualité (chimie, biologie et turbidité) Contexte hydrogéologique
géologie (lithologie, structure)
hydrologie
géomorphologie
limites du bassin d’alimentation
groupe a non oui groupe b Réponse captages vulnérables captages peu vulnérables marquée en cas aux pollutions de fortes pluies? aux pollutions
Acquisition de données complémentaires
recherche de zones d’infiltration préférentielle
évaluation des caractéristiques des discontinuités
suivi des paramètres Q, T, C lors d’événements de crue
essais de traçage
oui Temps non milieu à de transit milieu à milieu à circulations rapides augmentant circulations rapides circulations lentes globalement avec faiblement fortement homogène ou non hétérogène la distance? hétérogène
méthode de méthode des méthode des cartographie distances isochrones multicritère «DISCO»
Figure 7: Démarche méthodologique pour la délimitation des zones de protection en milieu fissuré.
Caractérisation globale de la vulnérabilité du cap- On peut dans ce cas directement passer à la délimitatage (annexe 2) tion de zones de protection en considérant par simplifi-
suivi du débit, de la conductivité électrique et de la cation l’aquifère comme un milieu continu équivalent température de l’eau sur une longue période (au mi- (voir chapitre 4.1). nimum 10 mesures réparties sur une année hydrolo- Groupe b: captages vulnérables (figure 8b) gique) comprenant plusieurs mesures en période de Les captages considérés comme vulnérables (voir chafortes précipitations, pitre 1) sont caractérisés par une fluctuation marquée
échantillonnage de la qualité de l’eau (chimie, biolodes débits, des conductivités et des températures en gie, paramètres physiques) dans des conditions décas de fortes précipitations. Cette fluctuation est soufavorables, p.ex. en cas de fortes précipitations duvent associée à une dégradation de la qualité de l’eau rant la période d’estivage. du point du vue de la bactériologie et de la turbidité. La Lors de l’acquisition des données de base, un accent proportion des eaux plus faiblement minéralisées et particulier doit être mis sur l’étude de la réponse hydro- souvent de mauvaise qualité (biologie, turbidité) délogique du captage (débits, paramètres physico-chimi- pend fortement des conditions hydrologiques (maxiques et qualité de l’eau) aux variations des conditions mum en période de crue, minimum en étiage après météorologiques. Ces données sont en effet détermi- une longue période sans précipitation). Les captages nantes pour le choix de la méthode. Elles permettent caractérisés par ce type de comportement peuvent d’évaluer la vulnérabilité du captage aux pollutions. être liés à des aquifères dont le fonctionnement se rapproche soit plutôt de celui des milieux poreux (milieu Au terme de cette première étape, la vulnérabilité du fissuré faiblement hétérogène à l’échelle du bassin captage est évaluée sur la base d’un nombre repréd’alimentation) soit plutôt de celui des milieux karstisentatif de données et le fonctionnement hydrogéoloques (milieu fissuré très hétérogène à l’échelle du basgique du site est suffisamment connu pour proposer un sin d’alimentation). schéma conceptuel des écoulements. Les captages peuvent alors être séparés en deux groupes: De tels captages sont particulièrement exposés aux
pollutions puisqu’une proportion significative des eaux Groupe a: captages peu vulnérables infiltrées sur le bassin d’alimentation transite rapide- (figure 8a) ment en direction de l’ouvrage captant sans avoir le Les captages considérés comme peu vulnérables (voir temps d’être filtrée et épurée naturellement. chapitre 1) se distinguent par des caractéristiques physico-chimiques stables même en cas de fortes précipi- Dans ce cas, des données complémentaires sont intations et par une absence de problèmes de qualité dispensables pour déterminer quelles parties du bassin (biologie, turbidité). Ils peuvent aussi bien être liés à d’alimentation alimentent le captage par l’intermédiaire des milieux hétérogènes (circulations lentes le long de de circulations rapides et pour évaluer le degré grandes structures drainantes, Maréchal 1998) qu’à d’hétérogénéité de l’aquifère. des milieux relativement homogènes (fractures faible- Cas particuliers ment ouvertes distribuées de manière régulière sur le Effet piston: une augmentation nette et rapide des bassin d’alimentation). débits n’est pas systématiquement liée à l’arrivée Comme ces captages bénéficient d’une bonne protec- d’eau fraîchement infiltrée, caractérisée par de faibles tion naturelle vis-à-vis des impacts naturels ou anthro- conductivités électriques. Dans le cas d’un effet pispogènes sur le bassin d’alimentation, on considère ton, l’augmentation des charges hydrauliques lors de qu’une approche relativement simple, n’exigeant pas la pluies abondantes pousse des eaux anciennes en dicollecte de données supplémentaires, est suffisante rection du captage. L’augmentation du débit n’est pour garantir une protection efficace des ressources en alors pas accompagnée d’une baisse des conduceau. tivités.
Vulnérabilité d’un captage aux pollutions Cette vulnérabilité dépend essentiellement de la rapidité avec laquelle les eaux fraîchement infiltrées (précipitations ou eaux de surface) arrivent à l’exutoire et de la contribution de celle-ci au débit capté. La proportion des apports liés à des eaux résidant très peu de temps dans l’aquifère (⇒ phénomènes de filtration et d’auto-épuration peu efficaces) varie fortement d’un site à l’autre et dépend des conditions hydrologiques. Pour les captages peu vulnérables (groupe a), la proportion d’eau liée à des temps de transit courts dans l’aquifère reste faible, même en cas de fortes précipitations. Ceci se traduit par une bonne stabilité du débit, des paramètres physico-chimiques et de la qualité de l’eau quelles que soient les conditions hydrologiques (fi- Paramètres Q, T, C
Pluies conductivité (C)
température (T)
débit (Q)
jours Figure 8a: Exemple fictif d’hydrogramme pour un captage peu vulnérable (groupe a)
Pour les captages vulnérables (groupe b), la proportion d’eau liée à des temps de transit courts est élevée lors de fortes précipitations, et faible en période d’étiage. Ceci se répercute clairement sur l’évolution du débit, des paramètres physico-chimiques et de la qualité de l’eau captée (figure 8b). Paramètres Q, T, C
Pluies
jours conductivité (C) débits (Q) température (T)
Figure 8b: Exemple fictif d’hydrogramme pour un captage vulnérable (groupe b)
Dans la majorité des cas, cet effet piston n’apparaît extension, ouverture, phénomènes de dissolution, cependant qu’en début de la crue, puis est rapidement colmatage). suivi d’une arrivée d’eau peu minéralisée (captage vul- Suivi des paramètres débit (Q), température (T), nérable). Selon la structure de l’aquifère, il est toutefois conductivité (C) lors d’événements de crue possible que seules des eaux relativement anciennes
une série de mesures serrées ou en continu sur une contribuent au pic de crue (captage peu vulnérable). ou plusieurs crues permet de mettre en évidence la Faibles variations des débits dans le cas d’un cap- présence de réseaux de fractures très perméables tage vulnérable: dans certaines situations, dépendant (vidange rapide), d’estimer grossièrement la proporde la structure de l’aquifère ou de la construction du tion d’apports rapides lors des crues et de mieux captage, l’augmentation du débit peut être limitée alors connaître les caractéristiques globales de l’aquifère qu’une dégradation de la qualité de l’eau est observée au moyen des hydrogrammes (annexe 3). (captage vulnérable), en raison de:
l’existence d’un trop-plein ou d’une zone de résurgence temporaire en amont du captage en période de hautes eaux. Dans ce cas, les variations de conductivité, de température et de qualité sont tout de même sensibles,
l’infiltration d’une faible quantité d’eau de mauvaise qualité à faible distance du captage. Dans ce cas le débit, la conductivité et la température peuvent rester stables tandis que la qualité est dégradée.
3.2 Acquisition de données complémentaires pour les captages
vulnérables – Evaluation du degré d’hétérogénéité de l’aquifère Cette étude complémentaire comprend les points suivants:
Recherche de zones d’infiltration préférentielle Figure 9: Injection de sulforhodamine dans une fouille.
observations de terrain concernant la géologie et la (Photo I. Favre) géomorphologie, complétées au besoin par l’étude de photos aériennes, Essais de traçage
observations de terrain en cas de fortes précipita- • les essais de traçage permettent d’évaluer les vitestions ou de fonte des neiges (phénomènes de ruis- ses de transit dans l’aquifère et de vérifier les hyposellement en surface, points d’infiltration), thèses concernant les zones d’infiltration préférentiel-
observations concernant le réseau hydrographique les et l’hétérogénéité de l’aquifère. De très bonnes (pertes, cours d’eau infiltrants). connaissances géologiques doivent être cependant réunies avant l’injection d’un traceur (figure 9), pour Caractéristiques des discontinuités augmenter les chances d’obtenir un résultat positif.
observation des fractures à l’affleurement (et si pos- Un certain nombre de recommandations sont proposible en galerie), évaluation des caractéristiques des sées concernant la réalisation d’essais de traçage en systèmes de discontinuités (orientation, fréquence, milieu fissuré (annexe 4).
Sur la base de l’ensemble de ces observations, l’ori- évaluation des vitesses de transit dans l’aquifère (voir gine des contributions rapides est précisée et le degré chapitre 4.2). d’hétérogénéité de l’aquifère peut être évalué (fort ou faible, voir encadré). Une méthode de délimitation des Cas b2: milieu fortement hétérogène à zones de protection adéquate est alors choisie selon l’échelle du bassin d’alimentation du les deux cas de figure possibles: captage Ici, une partie des écoulements ont lieu le long d’un Cas b1: milieu faiblement hétérogène à réseau de fissures localement très perméables avec l’échelle du bassin d’alimentation du possibilité de liaisons rapides (quelques heures à quelcaptage ques jours) entre le captage et des zones réparties sur Dans ce cas, les temps de transit augmentent globalel’ensemble du bassin d’alimentation. Dans de tels cas, ment en fonction de l’éloignement du captage. La déliil convient d’appliquer la méthode de cartographie mulmitation de zones de protection sur la base de l’assimiticritère de la vulnérabilité « DISCO » développée dans lation de l’aquifère à un milieu équivalent continu peut le cadre de ce guide méthodologique. Elle permet alors être admise, bien que le milieu reste le plus soul’établissement des zones de protection en tenant vent hétérogène à l’échelle du mètre ou de la dizaine compte de la forte hétérogénéité du milieu (voir chapide mètres. L’extension des zones S est fixée selon le tre 5). même principe qu’en milieu poreux, sur la base d’une
Evaluation de l’hétérogénéité des aquifères
Les critères suivants sont pris en compte pour distinguer les aquifères faiblement hétérogènes des aquifères fortement hétérogènes: Aquifères faiblement hétérogènes: les temps de transit le long des réseaux de fractures les plus perméables augmentent globalement et de manière significative en fonction de la distance au captage. Aquifères fortement hétérogènes: les temps de transit le long des réseaux de fractures les plus perméables n’augmentent pas de manière significative en fonction de l’éloignement du captage. Des connexions rapides (quelques heures à quelques jours) sont donc possibles entre des points répartis sur l’ensemble du bassin d’alimentation et le captage.
Données permettant de différencier les deux types d’aquifères:
Discontinuités et zones d’infiltration préférentielle La présence de zones d’infiltration préférentielle, de dissolution ou d’érosion le long des fractures ou d’ouverture importante des systèmes de discontinuité laisse supposer la présence d’un réseau de fractures très perméables (aquifère fortement hétérogène).
Réaction des débits, conductivités et températures lors d’événements de crue
Lorsqu’un exutoire est caractérisé par une réaction rapide des débits et conductivités suite à de fortes pluies suivie d’une décrue rapide, on peut conclure à la présence d’un réseau de fractures très perméables se vidangeant rapidement (aquifère fortement hétérogène). Lorsque les variations de débits et de conductivité sont caractérisées par une certaine inertie (variations moins intenses et décrue relativement lente) on doit plutôt conclure à la présence d’un réseau de fractures de perméabilité modérée et/ou relativement mal connectées avec le captage (aquifère faiblement hétérogène).
Essais de traçage
Interprétation des vitesses de transit L’aquifère doit être considéré comme très hétérogène lorsque:
les vitesses maximums sont de l’ordre d’une centaine de mètres par jour ou supérieures,
aux limites du bassin d’alimentation du captage, l’isochrone indique un temps de parcours inférieur à dix jours, ou l’isochrone des dix jours implique de délimiter une zone S2 d’extension disproportionnée.
Interprétation des courbes de restitution Un taux de restitution élevé et un pic peu dispersé dans le temps tendent à montrer la présence de circulations préférentielles le long de fractures de forte perméabilité (aquifère fortement hétérogène). Une dispersion du pic sur une longue période peut être liée à des circulations le long de grandes structures à perméabilité modérée ou dans un réseau de nombreuses fractures interconnectées (aquifère faiblement hétérogène). Remarque: les conditions de l’essai de traçage influencent fortement son résultat (annexe 4).
4 Délimitation des zones de protection –
Aquifères fissurés assimilables à des milieux continus équivalents
4.1 Captages peu vulnérables En cas de fortes pentes impliquant des ruissellements
(groupe a), méthode des distances de surface ou de subsurface abondants en direction du captage, la zone S1 doit être suffisamment étendue Domaine d’application pour exclure l’infiltration de polluants dans les environs Cette approche est adoptée lorsque l’absence de réacimmédiats du captage. tions rapides en cas de fortes précipitations est démontrée (figure 8a), et que la bonne qualité de l’eau Zone S2 est constante. Dans cette situation, la quasi-totalité des La distance entre les limites extérieures des zones S1 eaux captées est liée à des temps de transit élevés et S2 doit être au minimum égale à 100 mètres vers (p.ex. perméabilité modérée; eau d’origine relativement l’amont dans la direction générale des écoulements. profonde) et les risques de pollution se limitent essentiellement à des infiltrations dans les abords immédiats La distance entre les limites extérieures des zones S2 du captage. Les captages caractérisés par ce compor- et S3 doit être au minimum égale à la distance entre tement sont considérés comme peu vulnérables (voir les limites extérieures des zones S1 et S2. chapitre 1). Ils peuvent aussi bien être liés à des milieux hétérogènes (circulations lentes le long de grandes structures drainantes, Maréchal 1998) qu’à des a) milieux relativement homogènes (fractures faiblement m ouvertes distribuées de manière régulière sur le bassin S1 d’alimentation). i n dra Principe On admet par simplification, indépendamment de la structure et de l’hétérogénéité de l’aquifère, que des zones S d’extension minimum sont suffisantes pour garantir une protection efficace du captage. De manière générale, les essais de traçage dans ces milieux b) S1 sont rarement positifs (pas de restitution au cours d’un m suivi de plusieurs semaines ou plusieurs mois). Un esfra
sai de traçage peut cependant être conseillé pour vérictu r
fier une hypothèse particulière ou lorsque les chroni- e
ques concernant le comportement hydrologique du captage ne sont pas suffisantes.
Procédure Figure 10: Délimitation des zones S1 en tenant compte a) de la L’extension des zones S est déterminée de la manière situation des drains et b) de la présence d’une suivante (d’après OEaux 1998): fracture directement drainée par l’ouvrage captant. Au minimum 10 mètres autour et/ou en amont de l’ouv- Remarque rage comprenant l’ensemble des drains, tranchées Dans certains cas où ce sont exclusivement des eaux drainantes, galeries, etc. (figure 10, a). Dans le cas où à temps de résidence élevés qui sont captées (exemdes discontinuités en relation directe avec le captage ple: forage crépiné à forte profondeur), il peut s’avérer jouent le rôle de drain, elles doivent être inclues dans superflu de définir les zones S2 et S3. Une bonne conla zone S1 (figure 10, b). naissance préalable du contexte hydrogéologique est cependant indispensable.
4.2 Captages vulnérables, Sur la base des résultats des essais de traçage, les
milieu faiblement hétérogène zones S sont délimitées de la manière suivante: (cas b1, méthode des isochrones Domaine d’application Voir chapitre 4.1 et figure 10. Cette approche est adoptée pour les captages caractérisés par une réaction rapide en cas de fortes précipita- La limite extérieure de la zone S2 correspond à l’isotions (captages vulnérables, voir chapitre 1), lorsque le chrone des 10 jours calculée sur la base des résultats milieu fissuré peut être considéré comme faiblement des essais de traçage. La distance entre les limites exhétérogène à l’échelle du bassin d’alimentation. Ces térieures des zones S1 et S2 doit être au minimum captages sont liés à des aquifères dont le fonctionneégale à 100 mètres vers l’amont dans la direction gément se rapproche de celui des milieux poreux (milieu nérale des écoulements (figure 11). fissuré faiblement hétérogène à l’échelle du bassin d’alimentation). Zone S3 La distance entre les limites extérieures des zones S2 Principe et S3 doit être au minimum égale à la distance entre La délimitation des zones de protection est effectuée les limites extérieures des zones S1 et S2 (figure 11). selon les mêmes principes qu’en milieu poreux, sur la base d’une évaluation des vitesses de transit dans Cas particuliers l’aquifère. Si plusieurs essais de traçage sont disponi- Lorsque des écoulements de surface ou de subsurface bles, on prend en compte la vitesse la plus élevée. (cours d’eau s’infiltrant, ruissellement abondant, drai- Procédure nage naturel ou artificiel) sont susceptibles de favoriser Dans les aquifères fissurés, même lorsque l’assimila- un transport des polluants vers les zones S1 et S2 détion de l’aquifère à un milieu équivalent continu est ac- limitées selon la procédure présentée ci-dessus, on ceptable à l’échelle du bassin d’alimentation, le champ prendra les mesures suivantes: des perméabilités reste le plus souvent hétérogène à • en présence de ruissellement diffus ou de drainage à l’échelle du mètre ou de la dizaine de mètres. l’intérieur du bassin hydrogéologique du captage, on agrandira les limites des zones S1 et S2 en consé- La détermination de gradients hydrauliques et de la quence (figure 12, a), perméabilité n’étant généralement pas possible (piézo- • en présence de cours d’eau s’infiltrant (figure 12, b),
mètres non représentatifs, essais de pompage imposil conviendra de protéger celui-ci en appliquant la résibles dans les zones d’exutoires naturels), seuls les glementation régissant les aires A0 (art 29, OEaux), essais de traçage permettent d’évaluer les vitesses de • en cas d’infiltration ponctuelle d’un cours d’eau contransit dans l’aquifère. La réalisation de multitraçages tribuant à l’alimentation du captage par l’interpermet d’augmenter les chances de restitution et d’obmédiaire de circulations rapides, on examinera la tenir une meilleure densité d’information sur la répartipossibilité d’imperméabiliser le lit du cours d’eau. tion des vitesses dans l’aquifère, sans augmenter beaucoup les coûts de l’étude. Lorsque le captage est en relation directe avec une ou Les vitesses déterminées dépendent toutefois du choix plusieurs fracture(s) mise(s) en évidence sur la base du point d’injection du traceur, d’où la nécessité de de données géologiques, géomorphologiques, géochoisir une zone de bonne perméabilité sur la base physiques ou à l’aide d’essais de traçage, ces informad’observations de terrain et d’essais d’infiltration (an- tions doivent être prises en considération lors de la dénexe 4). limitation des zones S1 et S2 pour ajuster les limites de celles-ci (figures 10, b et 12, c).
a) ruissellement direction générale des écoulements 125 1210 0
b)
cours d’eau
isochrone S1 des 10 jours S2
Figure 11: Délimitation des zones de protection dans le cas d’un milieu fissuré faiblement hétérogène
Remarques En l’absence de traçages positifs ou représentatifs des c) vitesses de transit dans l’aquifère, les isochrones doivent être définies avec discernement. Pour les captages vulnérables, il est en effet inacceptable de définir une zone S2 d’extension minimale sur la base d’un traçage négatif ou impliquant des vitesses très lentes re ctu
(ex.: quelques mètres par jour), si l’analyse de la ré- Fra
ponse de la source démontre que des volumes importants d’eau fraîchement infiltrée arrivent en quelques S1
heures au captage lors de fortes précipitations.
Dans de tels cas, en dernier recours, des hypothèses raisonnables concernant les vitesses ou les perméa- Figure 12: Particularités des zones de protection: bilités (sur la base de la connaissance de contextes a) délimitation des zones S1 d’extension égale à dix hydrogéologiques analogues) sont recommandées mètres au moins (à gauche) ou de dimension pour déterminer l’isochrone des 10 jours. supérieure dans le cas de ruissellement abondant le long d’une forte pente (à droite), b) protection d’un cours d’eau s’infiltrant dans la zone c) ajustement des zones S1 et S2 en fonction de la présence d’une fracture drainante directement connectée au captage.
5 Délimitation des zones de protection –
Aquifères fissurés fortement hétérogènes, méthode « DISCO » Captages vulnérables, milieu fortement Vulnérabilité des eaux souterraines hétérogène (cas b2, méthode de Définitions (d’après Daly et al. 2002) cartographie multicritère « DISCO » La vulnérabilité peut être définie par rapport à la ressource ou par rapport au captage. Dans le cas
5.1 Domaine d’application de la délimitation des zones de protection, la vulnérabilité est définie par rapport au captage, en tout
Une approche par la cartographie de la vulnérabilité point du bassin d’alimentation, en estimant l’impact est nécessaire pour les captages situés dans les mid’une pollution potentielle sur la qualité de l’eau lieux fortement hétérogènes, en présence de circula- captée. Cet impact peut théoriquement être évalué tions fissurales très rapides (d’une centaine de mètres par la prise en considération de trois facteurs (figure ou plus par jour). De tels captages sont considérés 13): temps de transit, atténuation de la concencomme particulièrement vulnérables (voir chapitre 1). tration, masse restituée. Les temps de transit n’augmentent pas de façon pro- Le terme de vulnérabilité intrinsèque est utilisé gressive en fonction de l’éloignement du captage, et pour caractériser de manière globale la sensibilité l’assimilation de l’aquifère à un milieu équivalent conti- des eaux souterraines aux contaminations. Il prend nu homogène et isotrope est inadaptée. La proportion en considération les caractéristiques géologiques, hydrologiques et hydrogéologiques du milieu naturel des eaux plus faiblement minéralisées et souvent de mais est indépendant de la nature du polluant et de mauvaise qualité (biologie, turbidité) dépend fortement l’utilisation du sol. des conditions hydrologiques (maximum en période de Le terme de vulnérabilité spécifique est quant à crue, minimum en étiage après une longue période lui utilisé pour définir la sensibilité des eaux soutersans précipitation). raines par rapport à un polluant ou un groupe de Un grand nombre d’essais de traçages permettrait de polluants ayant un comportement particulier. Il déterminer directement la vulnérabilité sur l’ensemble prend donc en considération les propriétés spécifiques des polluants et leurs relations avec les diffédu bassin d’alimentation, mais comme cela n’est pas rents facteurs influençant la vulnérabilité intrinréalisable, il est nécessaire d’utiliser une méthode de sèque. cartographie multicritère de la vulnérabilité. La méthode « DISCO » est basée sur une évalua- La méthode « DISCO » (DIScontinuités – COuverture tion de la vulnérabilité intrinsèque. La vulnérabilité protectrice) a pour but de définir les zones de protec- n’est pas une propriété directement mesurable mais
tion en tenant compte de l’hétérogénéité du milieu. Elle son évaluation cartographique, basée sur l’obserest basée sur une évaluation de la vulnérabilité intrin- vation du milieu naturel permet de définir des zones plus ou moins sensibles aux impacts anthroposèque qui prend en considération les facteurs géologigènes et d’optimiser la gestion et la protection des ques et hydrogéologiques conditionnant le fonctionneeaux souterraines. ment de l’aquifère fissuré et un possible transport de polluant. temps de transit Lors de l’évaluation de la vulnérabilité, on se référera concentration
atténuation
par convention à des conditions hydrologiques relativement défavorables (p.ex.: période de hautes eaux). MC
5.2 Principes, modèle conceptuel CC
Un modèle conceptuel permet de schématiser le fonctemps tionnement hydrogéologique des milieux fissurés fortement hétérogènes. De manière générale, le schéma Figure 13: Impact sur le captage d’un input connu en un point du bassin d’alimentation. C0 et M0 = concentration et masse présenté au chapitre 2 (figure 2) est toujours globale- du polluant lors de l’input. CC et MC = concentration maximum ment valable, mais les contrastes de perméabilité entre et masse du polluant observées au niveau du captage.
le réseau de drains principaux et les « blocs » peu- 5.3 Procédure vent être très importants. Cela se traduit par des vitesses très élevées dans les drains (d’une centaine à plu- L’application de la méthode « DISCO » se déroule en sieurs centaines de mètres par jour) et des écoule- quatre étapes (figure 15): ments localement turbulents (attestés par une forte 1. Evaluation et cartographie des paramètres « disturbidité en période de crue) tandis que les écoule- continuités » et « couverture protectrice » sur l’enments dans les blocs moins perméables restent lents semble du bassin d’alimentation, discrétisé en poly- (de l’ordre d’une dizaine de mètres par jour au maxi- gones élémentaires présentant des propriétés mum) et laminaires (attestés par le captage d’eau de homogènes pour chacun des paramètres, bonne qualité en période de basses eaux). 2. Calcul du facteur de protection intermédiaire Fint pour chaque polygone élémentaire du bassin d’ali- La méthode des isochrones étant inapplicable dans de mentation. Pour ce faire, on pondère et additionne tels contextes, il s’est avéré nécessaire de mettre au les valeurs des paramètres « discontinuités » et point une nouvelle approche faisant appel à la carto- « couverture protectrice », graphie de la vulnérabilité pour délimiter les zones de
3 Dans le cas où Fint est faible ou très faible, on prend
protection. Cette cartographie multicritère doit permeten compte le paramètre « ruissellement » pour détre de déterminer en tout point du bassin d’alimentation terminer le facteur de protection final F, la plus ou moins grande facilité avec laquelle un pol-
4 Délimitation des zones S sur la base d’une relation
luant atteindrait le captage. d’équivalence entre la valeur du facteur de protec- Trois paramètres sont jugés nécessaires et suffisants tion final F et les zones S1, S2 et S3. pour évaluer le transport d’un polluant d’un point quelconque du bassin d’alimentation jusqu’à son arrivée au 5.3.1 Etape 1: évaluation des paramètres captage (figure 14): « discontinuités » et « couverture
le paramètre « discontinuités » caractérise le transit protectrice » de l’eau à l’intérieur de l’aquifère fissuré entre un Paramètre « DISCONTINUITÉS » point d’infiltration sur le bassin d’alimentation et le La cartographie de ce paramètre a pour but de: captage (p.ex.: zone fracturée fortement perméable
mettre en évidence les contrastes de perméabilité à en connexion rapide avec le captage; secteur peu l’intérieur de l’aquifère (failles régionales, zones plus fracturé), ou moins fortement fracturées, fractures caractéri-
le paramètre « couverture protectrice » traduit sées par de plus ou moins grandes ouvertures), l’effet protecteur des formations géologiques surmon-
déterminer si les différents types de structures pertant l’aquifère (sol, dépôts quaternaires, couches préméables sont en connexion rapide avec le captage quaternaires), ou non (notamment sur la base d’essai de traçage).
le paramètre « ruissellement » englobe les phénomènes d’écoulement de l’eau en surface avant son Cette cartographie s’effectue à l’échelle du bassin d’aliinfiltration (ruissellement de pente, cours d’eau per- mentation sur la base de données existantes (cartes manents ou temporaires). géologiques), d’observations de terrain (géologie, géomorphologie), d’étude de photos aériennes, et si né- L’importance relative de ces différents paramètres et le cessaire de quelques profils géophysiques. mode de combinaison reposent sur des études de cas Les propriétés des différents types de discontinuité pratiques sur le terrain. L’évaluation de l’influence compeuvent être évaluées d’une part sur la base d’obserbinée de ces trois paramètres permet de déterminer un vations de terrain (extension, ouverture, fréquence, facteur de protection naturel en tout point du bassin orientation, colmatage, zones d’infiltration préférend’alimentation.
tielle; si possible observations en galerie) et d’autre voir mettre en évidence des contrastes dans les conpart à partir de résultats d’essais de traçage. textes généralement rencontrés en Suisse.
Quatre classes ont été définies pour caractériser le pa- En présence de formations géologiques de faible perramètre « discontinuités » (tableau 1). La classe D0 cor- méabilité (moraines, dépôts de pente, marnes, zone respond au cas le plus vulnérable. d’altération argileuse) intercalées entre le sol et l’aquifère, l’indice déterminé pour les sols (tableau 2, a) doit Dans certaines situations particulières, on note la préêtre modifié pour tenir compte de l’effet protecteur adsence de circulations rapides sans que des indices ditionnel de ces couches (tableau 2, b). Des sondages géologiques ou géomorphologiques mettent en éviponctuels à la tarière à main permettent de déterminer dence des zones à perméabilité de fissure élevée. Il l’épaisseur de la couche de sol et d’en évaluer les caest dans ce cas nécessaire d’attribuer une classe D1 ractéristiques sur la base d’une analyse sommaire ou D2, même en l’absence d’information concernant la (annexe 5). La cartographie des sols est effectuée sur répartition des discontinuités, de telle manière à se la base d’un nombre suffisant de sondages répartis sur placer du côté de la sécurité. La classe D3 ne doit être l’ensemble du bassin d’alimentation. Les données attribué qu’en présence d’une zone de faible perméabiponctuelles sont ensuite régionalisées en tenant lité attestée par des observations suffisantes, et assez compte du principe d’équivalence géomorphologique éloignée de structures drainantes en relation rapide (terrain, photos aériennes). avec le captage. S’il est démontré qu’une discontinuité ou une zone de perméabilité élevée est sans liaison Les formations géologiques de faible perméabilité sont rapide avec le captage, elle sera assimilée à une zone mises en évidence sur la base d’observations géomorde perméabilité modérée (D2. phologiques (dépôts de pente ou de moraines), géologiques (couches pré-quaternaires) et sur la base de Paramètre « COUVERTURE PROTECTRICE » sondages à la tarière. Il est souvent difficile de déter- La cartographie de ce paramètre a pour but d’évaluer miner l’épaisseur et la nature de ces couches. Les trala fonction protectrice des sols (définition pédologique) vaux de génie civil (fouilles, excavations) peuvent don- et des formations géologiques surmontant l’aquifère ner des indications précieuses, de même que l’utilisaconsidéré. Selon l’épaisseur et la perméabilité de ces
tion de la géophysique. formations, les temps de transit sont plus ou moins élevés et les phénomènes de retardation/dégradation/ Quelques essais d’infiltration (annexe 6) peuvent perdispersion des polluants sont plus ou moins efficaces mettre de vérifier ponctuellement la perméabilité de la avant que l’eau ne pénètre dans l’aquifère. couverture protectrice. Trois classes de sol ont été définies en fonction d’une estimation de leur perméabilité et de leur épaisseur
5.3.2 Etape 2: calcul du facteur de
(tableau 2, a). Cette répartition s’appuie sur des obserprotection intermédiaire Fint Le facteur de protection intermédiaire permet de dévations de terrain (essais d’infiltration, étude des sols), terminer en tout point du bassin d’alimentation la plus et des données de la littérature (relation entre com- ou moins grande facilité avec laquelle un polluant position, perméabilité et pouvoir épurateur des sols). s’infiltrant dans le sol atteindra le captage. Un facteur Par mesure de simplification, d’autres paramètres tels de protection très faible correspond à une vulnérabilité que la couverture végétale (champs, prairie, forêt) et la très élevée. Cela implique qu’un polluant s’infiltrant en teneur en matière organique des sols (qui influence un point caractérisé par un facteur de protection très notamment la dégradation des polluants organiques et faible arrivera très rapidement au captage, sans que bactériologiques) ne sont pas pris en considération. les phénomènes d’atténuation (filtration, auto-épura- Les classes d’épaisseur ont été fixées sur la base de tion, dilution) soient efficaces. l’estimation du temps de transit et de manière à pou-
Le calcul du facteur de protection intermédiaire Fint (ta- Dans ces bassins versants locaux, le facteur de probleau 3) est effectué comme suit: tection final F est égal à la valeur Fint des surfaces vul- Fint = 2⋅D + 1⋅P nérables qu’ils alimentent (figure 15). En dehors de ces D: valeur du paramètre « discontinuités » bassins locaux, le facteur de protection final F est égal P: valeur du paramètre « couverture protectrice » au facteur Fint défini lors de l’étape 2.
Le paramètre D est considéré comme ayant une im- Les trois facteurs déterminant en priorité le ruisselleportance prépondérante sur le facteur de protection. ment sont la pente, la perméabilité du sol et les condi- Des zones perméables de la roche en place peuvent tions antécédentes d’humidité. Par mesure de simplifigénérer dans la couverture des zones d’infiltration pré- cation, seuls la pente et le réseau de drainage de surférentielle en forme de doline. L’existence de passages face sont pris en considération lors de la cartographie préférentiels dans les sols liés à la présence de ter- de ce paramètre (tableau 4). Pour délimiter grossièreriers, racines, fentes de dessiccation rend possibles ment les zones de ruissellement en amont des zones des circulations rapides d’eau vers l’aquifère, même caractérisées par un facteur de protection naturel faible lorsque l’épaisseur de sol est supérieure à 1 mètre. à très faible, on utilise les cartes topographiques à L’utilisation de classes d’épaisseur a été choisie de grande échelle (1:10'000 ou 1:5'000), des photos aémanière optimale pour mettre au mieux en évidence riennes, voire un modèle numérique d’altitude (pas les contrastes pour une grande partie des contextes d’une grande utilité actuellement en raison d’une résorencontrés. En effet, pour de nombreux bassins lution de 25 m). Pour affiner cette délimitation, des obd’alimentation, la couverture protectrice est limitée à un servations de terrain sont indispensables, notamment sol d’une épaisseur inférieure à 1.5 mètres. en période de fortes précipitations ou de fonte des neiges.
5.3.3 Etape 3: détermination du facteur
de protection final F 5.3.4 Etape 4: délimitation des zones Paramètre « RUISSELLEMENT » de protection Le ruissellement de surface peut induire des déplace- Validation des données ments latéraux de polluants sur plusieurs dizaines de Avant de passer à la délimitation des zones de protecmètres dans le cas de ruissellement diffus et plusieurs tion, il est nécessaire de vérifier la pertinence de la centaines de mètres le long de chenaux ou de drains carte des facteurs de protection obtenue en vérifiant naturels (cours d’eau permanents ou temporaires, rigo- les points suivants: les, chemins). Il est donc indispensable de prendre en • les données de terrain utilisées pour la cartographie considération ces phénomènes dans le cadre d’une des paramètres sont-elles fiables pour l’ensemble du cartographie multicritère. bassin d’alimentation ? En cas d’incertitude importante, est-il possible et utile d’acquérir des données Contrairement aux deux autres paramètres qui sont complémentaires ? Si ce n’est pas le cas, la cartocartographiés sur l’ensemble du bassin d’alimentation, graphie des paramètres a-t-elle été effectuée de male ruissellement n’est pris en compte qu’en amont des nière à se placer du côté de la sécurité ? zones pour lesquelles les paramètres « discontinuités » • l’étendue totale des surfaces à facteur de protection et « couverture protectrice » conduisent à un facteur de faible ou très faible est-elle en accord avec le foncprotection faible ou très faible, et qu’en présence de tionnement hydrodynamique du site considéré, avec ruissellement significatif. Ainsi, la cartographie de ce le modèle conceptuel « DISCO » et avec la réponse paramètre nécessite de délimiter les bassins versants globale du système ? Par réponse globale, on entend locaux alimentant par ruissellement les surfaces les dans ce cas la proportion de la lame d’eau infiltrée plus vulnérables. lors de fortes précipitations qui arrive rapidement au captage (jusqu’à quelques jours).
Discontinuités Couverture protectrice roche affleurante pas de sol
zone d’infiltration préférentielle sol très perméable le long d’une discontinuité sol à perméabilité moyenne discontinuité fortement perméable sol faiblement perméable
Ruissellement ruissellement faible
ruissellement abondant
Cours d’eau avec perte
source
bloc fracturé de perméabilité modérée avec zone saturée
présence d’une fracture fortement perméable
Figure 14: Représentation des trois paramètres pris en considération dans la méthode « DISCO ».
valeur D0 0 valeur
valeur protection 0, 1 très faible 2, 3, 4 faible du t » pte n e n com elleme s 5, 6, 7 moyenne s e i s s c e Pri re « ru s surfa es 8, 9, 10 élevée d a r a mèt ont de s par ion p a m i s é e tect en actér e pro très car urs d iaires es e l fact terméd et faib in bles fa i
protection très faible reste du bassin faible d’alimentation
Figure 15: Délimitation des zones de protection selon la méthode de cartographie multicritère « DISCO ».
Tableau 1: Evaluation du paramètre « discontinuités ».
classe valeur critères d’évaluation Discontinuités en liaison très rapide avec le captage (de l’ordre d’une dizaine d’heures) / pas de phénomènes d’atténuation significatifs Discontinuités en liaison rapide avec le captage (de l’ordre de quelques jours) / phénomènes d’atténuation limités Liaison relativement lente avec le captage (de l’ordre d’une dizaine de jours) / phénomènes D2 2 d’atténuation efficaces: zones de perméabilité modérée ou discontinuités sans liaison rapide avec le captage Liaison lente avec le captage (plusieurs dizaines de jours) / phénomènes d’atténuation très efficaces: zones caractérisées par des perméabilités faibles
Tableau 2: Evaluation du paramètre « couverture protectrice ».
a) sols (définition pédologique) épaisseur sol très perméable sol à perméabilité sol peu perméable (m) (sable, blocs) moyenne (silt, limon) (limon, argile) 0–0.2 P0 P0 P0 0.2–0.5 P0 P0 P1 0.5–1.00 P0 P1 P2 > 1.00 P1 P1 P3
b) présence de formations géologiques, consolidées ou meubles, de faible perméabilité (argiles, limons, marnes) épaisseur combiné à sol P0 combiné à sol P1 combiné à sol P2 combiné à sol P3 <1m P1 P2 P3 P3 1–2 m P2 P3 P3 P4 >2m P3 P3 P4 P4
Tableau 3: Valeurs du facteur de protection intermédiaire.
D0 0 1 2 3 4 D1 2 3 4 5 6 D2 4 5 6 7 8 D3 6 7 8 9 10
valeur Fint = 0, 1 Fint = 2, 3, 4 Fint = 5, 6, 7 Fint = 8, 9, 10 protection très faible faible moyenne forte vulnérabilité particulièrement forte forte moyenne faible
Tableau 4: Détermination de l’extension des surfaces à considérer lors de la prise en compte du paramètre « ruissellement », valeurs indicatives.
a) ruissellement diffus le long des pentes (bassin versant local relativement uniforme sans chenaux ou système de drainage) pente extension à attribuer au bassin versant local 2–10% 10 mètres en amont ou autour de la surface vulnérable considérée 10–25% 20 mètres en amont de la surface vulnérable considérée >25% 30 mètres en amont de la surface vulnérable considérée En présence de talwegs, chenaux, chemins ou drains collectant les eaux de ruissellement, l’extension du bassin versant local à considérer doit être étendue en conséquence. L’extension des surfaces à considérer a été fixée sur la base d’observations réalisées essentiellement sur des secteurs de pâturage. De manière générale le ruissellement est souvent plus faible dans les secteurs de forêts, en raison de la présence d’un sol plus aéré d’épaisseur réduite. Dans ce cas, la prise en compte de bassins d’alimentation locaux d’extension plus petite (p.ex. 10 mètres même en cas de pentes supérieur à 25%) peut être admise. b) cours d’eau permanents ou temporaires infiltrants Extension à attribuer au bassin lit et berges du cours d’eau, bassin versant local selon les critères de pente versant local: spécifiés ci-dessus pour le ruissellement
Tableau 5: Relation d’équivalence entre le facteur de protection F et les zones S de protection des eaux souterraines.
facteur de protection F vulnérabilité zones S F très faible (0, 1) particulièrement forte S1 F faible (2, 3, 4) forte S2 F moyen (5, 6, 7) moyenne S3 F fort (8, 9, 10) faible reste du bassin d’alimentation
Délimitation des zones de protection tion; la simplification doit se faire dans le sens d’une La délimitation des zones de protection est effectuée plus grande restriction à l’utilisation du territoire (p.ex. sur la base d’une relation d’équivalence entre la valeur de S3 à S2. On tiendra compte des conditions locadu facteur de protection final F et les zones S. Cette les, p.ex. des limites de parcelles (voir OFEFP 2004, relation est présentée au tableau 5. Instructions pratiques pour la protection des eaux souterraines). Remarques
L’ouvrage captant est considéré comme une surface de vulnérabilité très élevée. La zone S1 au voisinage 5.4 Ajustement et vérification du captage s’étendra donc sur 10 à 30 mètres, selon de la méthode, recommandations la pente (figures 10 et 12a).
Par mesure de précaution supplémentaire, aucune La valeur des paramètres, leur mode de combinaison zone S3 ne doit, en principe, être définie à moins de et la relation d’équivalence entre les facteurs de pro- 100 mètres de la zone S1 entourant le captage, et tection et les zones S ont été définis sur la base de aucune surface appartenant au « reste du bassin l’étude de plusieurs sites de test (chapitre 6). Des esd’alimentation » à moins de 200 mètres. sais de traçage et d’infiltration ainsi que des investiga-
La géométrie des zones S (contours hydrogéologi- tions géophysiques ont notamment permis de vérifier ques) doit être simplifiée pour faciliter leur applica- l’adéquation du mode de détermination des facteurs de
protection et de délimitation des zones S. Les valeurs cependant pas nécessaire de procéder systématiquedéfinies dans le cadre de ce guide pratique sont ment à des vérifications. Lors de la planification du déapplicables de manière générale dans les condi- roulement de l’étude, il est préférable d’acquérir le tions rencontrées dans les milieux fissurés forte- maximum d’information possible (traçage, géophysiment hétérogènes en Suisse. que) avant de procéder à la cartographie de la vulnérabilité, plutôt que de réserver une partie trop impor- Une bonne connaissance des caractéristiques géolotante du budget pour des vérifications. Cependant, si la giques et hydrogéologiques de chaque site est cepenvaleur des facteurs de protection ne semble localedant indispensable pour que la méthode puisse être ment pas appropriée ou en cas de conflit, l’hydroappliquée valablement. En effet, pour chaque site, géologue pourra justifier des investigations à titre de l’évaluation des paramètres « discontinuités » et « couvérification, essentiellement au moyen d’essais de traverture protectrice » requiert une bonne évaluation des çage. Les résultats de l’essai de traçage étant dépenpropriétés des sols et des caractéristiques hydraulidants des conditions d’injection et de l’état hydrologiques des discontinuités (zones plus ou moins perméaque du système (annexe 4), l’injection des traceurs doit bles, relation plus ou moins rapide avec le captage). être effectuée dans des conditions reflétant les scéna- La réalisation d’essais de traçage peut s’avérer utile rios de pollution envisagés sur le bassin d’alimentation pour vérifier l’adéquation des zones S définies sur la et dans un état hydrologique plutôt défavorable (p.ex. base des cartes du facteur de protection. Il ne semble hautes eaux).
6 Exemples d’application
Quatre exemples sont présentés de manière détaillée développées aux chapitres 4 et 5. Quelques cas supdans le cadre de ce guide pratique. Ces sites de test plémentaires sont en outre évoqués brièvement, pour ont fait l’objet d’une application de la démarche métho- illustrer certaines particularités du fonctionnement des dologique et illustrent l’utilisation des trois méthodes aquifères fissurés. Les cas examinés (figure 16)
Rieden
Luterbach
Matran
La Roche
Wysseberg
Borgnone Ronco sopra Ascona
Sarreyer sites de test env. 1 : 2 200 000 autres sites mentionnés 0 50 km © Office fédéral des eaux et de la géologie, 3003 Berne-Ittigen classe
aquifère lithologie porosité type d’écoulement répartition géographique unités lithostratigraphiques interstice fissure
en roche dépôts fluvio-glaciaires, alluvions élevée en milieu poreux Plateau, vallées alpines et meuble primaire jurassiennes faible à moyenne faible mixte : poreux / le long Plateau, vallées 2 grès, conglomérats, marnes secondaire (décal- de fractures et limites jurassiennnes Molasse du Plateau et des synclinaux du Jura cification) et primaire de bancs grès, conglomérats, marnes, schistes, calcschisen roche consolidée
en milieu fissuré
tes, calcaires siliceux et dolomies non karstiques faible à nulle moyenne à faible essentiellement le long Bordure sud du Plateau, Molasse subalpine, Flysch, Verrucano, Schistes surtout secondaire de fractures, localement Préalpes, Alpes 3 lustrés et Bündnerschiefer, en partie Calcaires (décalcification) élargies par dissolution siliceux helvétiques ainsi que dolomies austroalpines et sudalpines granites, gneiss, schistes, roches vertes, grès - le long de fractures 4 moyenne à faible Alpes Unités cristallines, Permo-carbonifère des nappes penniques
calcaires, marnes, gypses, marbres - élevée karstique Jura, Préalpes, Alpes 5 Mésozoïque du Jura et de l’Helvétique, karstification roches carbonatées austroalpines et penniques
Figure 16: Esquisse hydrogéologique de la Suisse avec localisation des sites de test présentés dans le cadre de ce chapitre. Les roches fissurées correspondent aux classes 2, 3 et 4 (description chapitre 2). (Esquisse A. Pochon, CHYN)
concernent tous des bassins d’alimentation de petite Au-dessus d’une altitude de 1500 mètres, l’épaisseur taille; ceci semble correspondre à une caractéristique de la moraine est généralement supérieure à 2 mètres. générale des aquifères fissurés en Suisse.
La Chaux
6.1 Sarreyer (VS) – Gneiss et schistes
de la nappe de Siviez-Mischabel Captage peu vulnérable (groupe a), méthode des distances
Introduction Trois sources sont captées en amont du village de Sarreyer (Canton du Valais) à une altitude comprise entre 1330 et 1420 mètres: les sources des Rives, du Champi et du Rocher (figure 17), qui font partie du réseau d’alimentation en eau potable de la commune de Bagnes, et ont déjà fait l’objet d’une délimitation de zo- Ri nes de protection (Bruttin 1994). Une application de la Ch démarche méthodologique à la source du Champi est Ro r rreye présentée dans le cadre de ce chapitre. NE Sa
Données de base – évaluation de la vulnérabilité du captage Nappe du Mont-Fort Caractéristiques du captage Quaternaire quartzites et schistes moraine (épaisseur >2m) Les eaux du Champi sont captées à l’aide de quatre drains d’une longueur de 20 à 30 mètres forés subho- Nappe de Siviez-Mischabel moraine (épaisseur < 2m) calcaires, dolomies et schistes rizontalement dans la roche fissurée à une profondeur moraine + éboulis grès et schistes comprise entre 3 et 10 mètres (Bruttin 1994). Les eaux captages schistes, gneiss et amphibolites (Ro : Rocher, Ri : Rives, sont collectées dans une chambre aveugle, puis ame- Ch : Champi) nées 90 mètres en contrebas vers une chambre qui cours d’eau collecte également les eaux de la source des Rives située 150 mètres en amont. Un bassin équipé d’un déversoir permet de déterminer le débit de la source Figure 17: Bloc diagramme représentant schématiquement le
du Champi avec une précision de l’ordre de 5%. L’état contexte géologique du site de Sarreyer.
de la chambre de captage ne peut pas être évalué mais l’ouvrage où sont effectuées les mesures est en Les principaux systèmes de discontinuités observés à parfait état. l’affleurement sont une foliation (pendage vers l’est d’environ 50°), et deux familles de fractures (240/70 et Contexte géologique et hydrogéologique 340/70). Ces trois familles de plans apparaissent éga- L’aquifère est constitué de gneiss et schistes de la lement à l’échelle régionale dans la géomorphologie, nappe pennique de Siviez-Mischabel, autrefois partie notamment soulignées par l’orientation des cours de l’unité du Grand St-Bernard (Schaer 1960, Steck et d’eau. al. 1999). Les sources du Champi et des Rives s’alignent sur une En amont de la zone de résurgence, la roche fissurée dépression géomorphologique dans le prolongement est le plus souvent recouverte de moraine remaniée et du lit du torrent de Sarreyer (figure 18). de dépôts de pente de un ou deux mètres d’épaisseur.
Extension et limites du bassin d’alimentation Sources de pollution existantes et potentielles Un calcul de bilan global a été effectué pour détermi- Une quinzaine de chalets et mayens sont situés à une ner le bassin d’alimentation de la zone de résurgence, distance du captage comprise entre 100 et 200 mètres, vu que les sources du Champi, des Rives et du Rocher puis une trentaine dans un rayon compris entre 200 et présentent des caractéristiques physico-chimiques 1000 mètres (les Vacheresses, les Bollets, Les Miaux). semblables. La prise en considération de précipitations Une étable est située au nord-ouest des Bollets à enviannuelles moyennes de l’ordre de 1400 mm (Kirch- ron 900 mètres du captage. Une route goudronnée peu hofer & Sevruk 1992; MétéoSuisse 2000), d’une éva- fréquentée traverse le bassin versant à relativement potranspiration de 450 mm (Menzel et al. 1999) et faible distance de la source du Champi (140 mètres). d’une lame ruisselée de 300 mm (~20% des précipita- Le départ des téléskis et le restaurant de la Chaux sont tions) implique une infiltration efficace de l’ordre de situés à près de deux kilomètres en amont des sour- 650 mm/an. Le débit moyen annuel des sources est ces, vraisemblablement au-delà de leur bassin d’alid’environ 300 l/min pour le Champi, 200 l/min au total mentation (figure 18). pour les Rives et le Rocher. En considérant un débit Caractérisation globale de la vulnérabilité du supplémentaire de 100 l/min pour de petites résurgen- captage ces non captées, le débit moyen de la zone d’exutoire Le captage du Champi est caractérisé par une grande est de l’ordre de 600 l/min, ce qui correspond à une stabilité des paramètres débit, conductivité et tempérasurface d’alimentation de 0.5 km2 au minimum. Le bas- ture. Aucune variation sensible de ces paramètres n’a sin d’alimentation de ces sources doit ainsi s’étendre été identifiée au cours des observations régulières de jusqu’à une altitude voisine de 2000 m, en direction de juillet à novembre 1997, comprenant l’enregistrement la Chaux (figure 18). de données en continu pour les mois d’octobre et no- La Chaux vembre: débit: 290 (+/- 15) l/min conductivité (20°C): 234 (+/- 4) µS/cm température: 8.4 (+/- 0.2)°C Ces données impliquent que les eaux sont d’origine relativement profonde (pas d’augmentation des températures au cours de l’été). Elles sont caractérisées
par un tarissement très lent (pas de baisse des débits observée malgré une fin d’été et un automne secs). Une incertitude demeure concernant la réponse du a. b. captage aux fortes précipitations, en raison de l’absence de fortes pluies lors de l’échantillonnage en continu, mais un événement de 10 à 15 mm n’a eu aucun effet sur les paramètres enregistrés. Une période de fortes précipitations (60 mm en trois jours) n’a permis de voir Ri sources du Champi (Ch) Ch des Rives (Ri) et aucune modification des paramètres, lors d’observa- Ro du Rocher (Ro) tions réalisées trois jours plus tard. injection traceur 0 200m Une mesure effectuée dans le cadre de la délimitation des zones de protection (Bruttin 1994) semble montrer Figure 18: Zones de protection (proposition, dans le cadre de une baisse significative des débits à la fin de l’hiver cette étude, pour la source du Champi uniquement) et (environ 120 l/min en mars 1994). Une absence de réextension probable du bassin d’alimentation (b.a.) de alimentation de l’aquifère pendant 3 ou 4 mois en rail’ensemble de la zone de résurgence. son de l’accumulation des précipitations sous forme de (Reproduit avec l’autorisation de swisstopo, BA035259)
neige pourrait expliquer cette baisse des débits, qui Délimitation des zones de protection n’est pas accompagnée d’augmentation des conduc- Une délimitation de zones de protection d’extension tivités. Les données à disposition ne sont toutefois pas minimum serait donc suffisante pour garantir la qualité suffisantes pour caractériser les fluctuations saison- de l’eau du Champi. nières. L’étendue de la zone S1 vers l’amont devrait être Concernant la qualité de l’eau, aucun problème bacté- d’environ 30 mètres en raison de la présence de drains riologique ou de turbidité n’a été signalé, si ce n’est la forés subhorizontalement. La distance entre les limites présence à deux reprises d’un nombre trop élevé de extérieures des zones S1 et S2 devrait être d’au minigermes au niveau d’un réservoir collectant l’eau des mum 100 mètres et la distance entre les limites extétrois sources. Ces eaux peuvent être considérées rieures des zones S1 et S3 au minimum de 200 mècomme de très bonne qualité et ne nécessitent aucun tres. A noter que la géométrie des zones proposée traitement. cidessus (figure 18, contours hydrogéologiques) ne Une liaison rapide entre le torrent de Sarreyer et le tient pas compte de la répartition parcellaire. captage du Champi est peu probable vu la distance de Comparaison avec les zones de protection plusieurs centaines de mètres qui les sépare, la stabiliexistantes té des paramètres physico-chimiques (pas de modi- Une zone S2 commune pour les sources du Champi et fication de la température de la source alors que celle du Rocher et une seule zone S3 pour l’ensemble des du torrent varie clairement) et l’absence de turbidité. trois sources ont été définies (Bruttin 1994), ce qui se En conclusion, sur la base des données à disposition, justifie vu leur faible éloignement (figure 19). L’extenle captage semble bien protégé vis-à-vis des impacts sion de la zone S2 en amont du captage du Champi sur le bassin d’alimentation. Cette faible vulnérabilité est actuellement d’environ 120 mètres, ce qui est en est due à des écoulements relativement profonds im- accord avec le comportement du captage (faible vulnépliquant des temps de transit élevés dans l’aquifère et rabilité, circulations lentes). à la présence d’une épaisseur significative de dépôts meubles sur une grande partie du bassin d’alimentation. Le type de captage (forages subhorizontaux dans
la roche fissurée) implique également que l’ouvrage est peu vulnérable aux écoulements de subsurface. Quelques mesures supplémentaires de débit, conductivité et température seraient toutefois utiles pour évaluer les variations saisonnières et la réaction du captage à de très fortes précipitations (>20 mm par jour). Ri Autres données à disposition Ch Un essai de traçage réalisé dans le cadre de la délimi- Ro tation des zones de protection (Bruttin 1994) 40 mètres en amont du captage des Rives et à 150 mètres de la sources du Champi (Ch) des Rives (Ri) et source du Champi (figure 18) n’a donné aucune rédu Rocher (Ro) ponse positive lors d’une période d’observation de quinze jours pour les trois sources. 2 kg de naphtionate avaient alors été injectés à l’aide d’environ 4 m3 Figure 19: Représentation des zones de protection actuelles des d’eau dans une fouille de 1.5 mètres de profondeur sources du Champi, du Rocher et des Rives (d’après présentant une perméabilité de l’ordre de 1•10-5 m/s. Bruttin 1994). (Reproduit avec l’autorisation de swisstopo, Cet essai de traçage négatif confirme donc la faible vulnérabilité du captage (cas a de la figure 7).
L’application de la démarche méthodologique dévelop- Données de base – évaluation de la pée dans ce guide pratique exigerait toutefois un nom- vulnérabilité du captage bre plus élevé d’observations (débit, conductivité et Caractéristiques du captage température) afin de mieux connaître le comportement L’eau sort d’une fissure de la roche le long d’un petit des deux autres sources, qui ne présentent pas exactalweg à une altitude de 415 mètres. Une chambre antement les mêmes caractéristiques que celle du cienne, construite directement sur la roche affleurante Champi: permet de collecter les eaux. Les murs de l’ouvrage
la source du Rocher, captée à l’aide de forages subsont fissurés et ne constituent pas une protection optihorizontaux, semble être caractérisée par un commale contre d’éventuels ruissellements provenant de la portement hydrologique stable, mais la question de route. En période de hautes eaux, des résurgences l’infiltration du torrent de Sarreyer situé environ temporaires apparaissent au-dessus de la chambre et 30 mètres en amont devrait être étudiée, ruissellent sur le toit.
la source des Rives, captée par tranchée drainante, montre une plus grande fluctuation des débits. Un Contexte géologique et hydrogéologique apport d’eau peu minéralisée et potentiellement de L’aquifère est constitué essentiellement de métamauvaise qualité lors des périodes de forte précipitadiorites et de méta-gabbros de la zone d’Ivrée. Ces rotion est possible. Cette question devrait être vérifiée ches ont été fortement déformées à haute température par quelques mesures supplémentaires de débit, et forment des alternances de lits plus au moins basiconductivité et température. Le résultat négatif de ques. A l’affleurement, ces roches apparaissent fractul’essai de traçage ne permet en effet pas de prouver rées de façon relativement homogène. Malgré la préà lui seul la faible vulnérabilité du captage. sence de fortes pentes (40 à 50%), aucun phénomène de tassement n’est observé et l’ouverture des fractures liée à la décompression ne semble pas particulière-
6.2 Ronco sopra Ascona (TI) – Gneiss
ment marquée. A l’échelle régionale, plusieurs talwegs et amphibolites de la zone d’Ivrée orientés NW-SE à N-S suggèrent la présence de dis- Captage vulnérable, milieu faiblement continuités de relativement grande extension. hétérogène (cas b1, méthode des isochrones La couverture de sol est généralement peu épaisse (0 Introduction à 50 cm de sol bien aéré et perméable), les roches La source de Livurcio est située sur le territoire de la sont affleurantes ou subaffleurantes dans la zone de commune de Ronco sopra Ascona (Canton du Tessin). résurgence et sur la plus grande partie du bassin Elle n’est actuellement pas raccordée au réseau d’eau d’alimentation. potable, principalement en raison de la présence d’une Il n’y a pas de cours d’eau dans les environs imméroute secondaire située à une dizaine de mètres en diats du captage et selon les observations effectuées amont (figure 23). en période de crue, il ne semble pas que le talweg col- En raison de ses caractéristiques hydrogéologiques et lecte des eaux de ruissellement. de critères logistiques (possibilité d’installer des appareils et d’amener de l’eau pour l’injection de traceur, Extension et limites du bassin d’alimentation suivi régulier en collaboration avec l’Institut des scien- Un bilan annuel approximatif considérant des précipitaces de la terre du canton du Tessin), ce site a tout de tions annuelles de 2100 mm (Kirchhofer & Sevruk même été choisi pour tester et illustrer l’application de 1992; MétéoSuisse 1999), une évapotranspiration de la démarche méthodologique. 700 mm (Menzel et al. 1999) et un ruissellement de 200 mm (10% des précipitations) impliquent une infiltration efficace de l’ordre de 1200 mm. Pour un débit
moyen annuel de 400 l/min, la surface minimale né- que le reste de l’aquifère. Des profils géophysiques cessaire à l’alimentation du captage est de l’ordre de réalisés avec des méthodes électromagnétique 0.2 km2 (figure 23). (VLF-em) et électrique (PS) ont confirmé la présence de roche fracturée au droit de ces éléments géomor- Sources de pollution existantes et potentielles phologiques. D’autres anomalies n’apparaissant pas En dehors de la route goudronnée située directement systématiquement dans la géomorphologie ont égaleen amont du captage, la plus grande partie du bassin ment été mises en évidence et montrent la présence d’alimentation est située en forêt. Une deuxième route de discontinuités tous les 15 ou 20 mètres. passe environ 500 mètres au nord-ouest du captage. Un groupe d’habitations se trouve à 400 mètres au Suivi détaillé des paramètres Q, T, C nord de la source, un autre à 500 mètres au nord- Des mesures en continu (débit, conductivité, tempéraouest (figure 23). ture) ont été réalisées de mars à juillet 2000 dans le cadre de l’élaboration de ce guide pratique (figure 21). Caractérisation globale de la vulnérabilité Une forte augmentation des débits accompagnée du captage d’une baisse des conductivités et des températures a Le débit de la source de Livurcio est suivi régulière- été observée à mi-avril à la suite de très fortes précipiment par l’Institut des sciences de la terre du canton tations (300 mm en une semaine), ce qui montre une du Tessin depuis 1997 dans le cadre d’un projet de contribution significative d’eau fraîchement infiltrée en construction d’un tunnel dans la région. Les données à période de crue. Par contre, trois événements pluvieux disposition montrent des variations significatives des de 20 à 40 mm en mars et début avril n’ont eu que peu débits au cours de l’année (figure 20). Les températu- d’influence sur le comportement de la source. Cela res (variations saisonnières) et les conductivités va- pourrait être dû à un déficit d’eau important dans les rient également de manière sensible. Aucune analyse sols et la zone non saturée à la suite d’une période de bactériologique n’est disponible pour cette source, qui sécheresse de décembre à mi-mars. De manière gén’est pas utilisée actuellement comme eau de boisson. nérale le captage est tout de même caractérisé par une certaine inertie, comme le prouvent les faibles ré-
En conclusion, les eaux alimentant la source de Livuractions en cas de pluie modérée et le tarissement relacio proviennent exclusivement d’un aquifère fissuré. La tivement lent lors des périodes d’étiage. fluctuation significative des débits en cas de fortes précipitations et les variations des températures et conduc- Essais de traçage tivités suggèrent que ce captage est potentiellement Dans le cadre de l’élaboration de ce guide pratique, vulnérable aux contaminations. L’acquisition de dondeux traceurs ont été injectés à respectivement nées complémentaires est donc nécessaire (groupe b 25 mètres (tinopal) et 80 mètres (uranine) du captage de la figure 7). en période de relativement hautes eaux (19.5.2000). L’injection des traceurs a été effectuée dans deux tal- Données complémentaires – évaluation du wegs (figure 23). Les résultats montrent des vitesses degré d’hétérogénéité de l’aquifère d’environ 15 mètres/jour pour le traceur injecté à Zones d’infiltration préférentielle, 25 mètres directement dans le talweg conduisant à la caractéristiques des discontinuités source et d’environ 8 mètres/jour pour le deuxième tra- Aucune zone d’infiltration préférentielle n’a été mise en ceur (figure 22). Les restitutions des traceurs sont faiévidence. Les talwegs peuvent être considérés comme bles, entre 3 et 5%. des zones fissurées potentiellement plus perméables
précipitations (mm)
conductivité
800 160 conductivité
600 150
Figure 20: Relevés mensuels des 400 12 débit (l/min)
débit
température débits (•), conductivités température 200 11 ( )ٱet températures (∆)
(°C) à la source de Livurcio (mesures effectuées 1-janv.-98 31-janv.-98 2-mars- 98
1-avr.- 98 1-mai-98 31-mai-98 30-juin-98
30-juil.-98
29-août-98
28-sept.-98
28-oct.-98 27-nov.-98
27-déc.-98
26-janv.-99 25-févr.- 99
27-mars- 99
26-avr.- 99
26-mai-99
25-juin-99
25-juil.-99
24-août-99 23-sept.-99 23-oct.-99 22-nov.-99 par l’Institut des sciences de la terre du canton du Tessin).
Figure 21: Suivi en continu de la source de Livurcio, effectué dans le cadre de la présente étude. Seule la période de très fortes précipitations du 12 au 18 avril 2000 met en évidence l’arrivée d’eau peu minéralisée au captage.
Guide pratique OFEFP 2002 – Délimitation des zones de protection des eaux souterraines en milieu fissuré 45
Degré d’hétérogénéité de l’aquifère Délimitation des zones de protection Les vitesses déterminées par traçage permettent de Dans une telle situation, la délimitation de zones de conclure à une augmentation globale des temps de protection par la méthode des isochrones est adétransit en fonction de la distance au captage et à quate. La zone S1 s’étendrait jusqu’à la route, à une l’absence de circulations très rapides le long de struc- dizaine de mètres du captage. La limite extérieure de tures de forte perméabilité. La réaction modérée de la zone S2 devrait être placée à 150 mètres du capl’aquifère aux précipitations, même lors des périodes tage sur la base de l’essai de traçage (vitesses extrêmement pluvieuses rencontrées au Tessin, con- d’environ 15 m/j) et la limite extérieure de la zone S3 à firme également l’absence de structures très perméa- 140 mètres de la limite extérieure de la zone S2 (figure bles. L’aquifère peut donc être considéré comme fai- 23). blement hétérogène (cas b1 de la figure 7).
Figure 22: Résultats de l’essai de traçage effectué à Livurcio en mai 2000, dans le cadre de l’élaboration de ce guide pratique. Les données ont été enregistrées en continu à l’aide d’un spectrofluorimètre de terrain. Quelques prélèvements manuels analysés en laboratoire ont permis de vérifier les données enregistrées en continu.
N
699.500
700.000 Asc co s. ona n Ro
0 300m limite supposée du bassin d’alimentation
injection tinopal injection uranine source de Livurcio avec zone S1 (reproduit avec l’autorisation de la « Sezione delle bonifiche fondiarie e del catastro » du canton du Tessin du 5.6.2003)
Figure 23: Délimitation des zones de protection selon la méthode des isochrones pour le site de Livurcio.
6.3 Rieden (SG) – Conglomérats, grès Le captage d’Unter Howald est de construction récente
et marnes de la Molasse subalpine et en parfait état. L’eau est captée à l’aide de drains Captages vulnérables, situés à une profondeur d’environ 4 mètres et est milieu fortement hétérogène (cas b2, amenée dans une chambre en béton dont le bassin est méthode de cartographie multicritère de la équipé d’un turbidimètre. En raison de valeurs de turvulnérabilité « DISCO » bidité élevées, cette source n’est toutefois utilisée qu’en étiage lorsque le débit des autres sources n’est Introduction plus suffisant pour alimenter le réseau communal. La commune de Rieden (Canton de Saint-Gall) s’alimente en eau potable par l’intermédiaire de capta- Contexte géologique et hydrogéologique ges situés dans les grès et conglomérats de la Mo- L’aquifère est constitué par une alternance de grès, lasse subalpine. Des données concernant ces sources conglomérats et marnes de la Molasse d’eau douce ont été acquises entre 1991 et 1993 dans le cadre inférieure (Habicht 1945). Ces couches ont été forted’une étude visant à délimiter les zones de protection ment fracturées et redressées (pendage de 20 à 60° (Grubenmann 1994). En raison de la très forte vulné- vers le SSE) lors de l’orogenèse alpine (figure 24). La rabilité des captages et des caractéristiques particuliè- tectonique alpine s’est traduite au niveau régional par res de l’aquifère, une délimitation des zones de protec- le développement de grands chevauchements («Tanztion impliquant l’abandon des activités d’élevage sur le bodenaufschiebung», «Schorhüttenbergaufschiebung») bassin d’alimentation des sources a été suggérée. d’orientation et de pendage subparallèles à ceux des Cette mesure ayant été considérée comme excessive couches. On retrouve cette famille de discontinuités au par la commune de Rieden, des études supplémentai- niveau local, de même que des plans subverticaux res ont été entreprises afin de trouver une solution d’orientation ENE. Une troisième famille de plans à permettant de concilier l’exploitation de l’eau potable et pendage d’environ 60° vers le WNW apparaît plus raune activité d’élevage dans cette région. rement (Schaul 1999).
Les bassins d’alimentation de deux captages (Mar- Tanzboden xenwald et Unter Howald, figure 24) ont été choisis comme sites de test dans le cadre du développement de ce guide pratique et ont fait l’objet d’une étude détaillée (Schaul 1999). NE
Données de base – évaluation de la vulnérabilité des captages Caractéristiques des captages La source de Marxenwald est captée à une profondeur de 4 à 5 mètres au fond d’une galerie bétonnée d’une longueur 8 mètres. Un bassin récolte les eaux provenant de deux fractures de la roche. De grandes quanti- tés de graviers et de particules fines provenant de la grès source de Marxenwald dissolution des grès et des conglomérats s’accumulent conglomérats marnes source de Unter Howald dans le bassin et le captage doit être nettoyé régulièchevauchement rement pour éviter une remise en suspension de ces particules lors des crues. Figure 24: Bloc diagramme représentant schématiquement le contexte géologique du site de Rieden.
Les caractéristiques lithologiques de ces roches et la Extension et limites du bassin d’alimentation déformation alpine ont engendré le développement Un bilan approximatif permet d’estimer la lame d’eau d’une porosité de fracture très importante. La dissolu- infiltrée annuellement à environ 1100 mm (P = tion du ciment calcaire des conglomérats et des grès, 2000 mm, ETP = 400 mm et R estimé à 25% des prépuis l’évacuation des éléments les moins solubles par cipitations, soit 500 mm). Pour des débits moyens anérosion se traduit localement par une ouverture consi- nuels de 400 et 500 l/min, les surfaces d’infiltration nédérable des fractures (centimétrique). On note le déve- cessaires à l’alimentation de ces deux sources sont loppement d’une morphologie « karstique », avec la respectivement de l’ordre de 0.2 et 0.25 km2. Sur la présence de nombreuses petites dolines (diamètre gé- base de critères topographiques, d’essais de traçages néralement compris entre un et deux mètres) qui (Grubenmann 1994) et de la présence d’autres sours’alignent le long de structures tectoniques ou de limi- ces non captées, une surface d’environ 1 km2 doit être tes de bancs (figure 25). considérée au total (figure 31).
Il ne s’agit cependant pas réellement d’un système Sources de pollution existantes et potentielles karstique comparable à ceux rencontrés dans les ro- Les seules sources potentielles de pollution sur le basches calcaires du Jura et des Alpes. La présence d’un sin d’alimentation sont liées à l’élevage de bovins de grand nombre de sources de débit moyen inférieur à mai à octobre et au restaurant d’alpage de Tanzboden 500 l/min démontre l’existence de plusieurs petits aquiqui est ouvert toute l’année. Une dégradation de l’eau fères indépendants. Même si la dissolution le long des étant observée pendant la période d’estivage, c’est esplans de fractures est très importante, il n’y a probasentiellement l’activité d’élevage qui doit être considéblement pas de réseau de conduits réellement orgarée comme responsable de la dégradation bactériolonisé comme dans les systèmes karstiques bien dévegique de la qualité de l’eau. Les problèmes de turbidité loppés. Contrairement aux karsts généralement rensont par contre strictement liés aux caractéristiques de contrés en Suisse, le ruissellement de surface est ici l’aquifère. souvent abondant, en raison de la présence de niveaux marneux et de sols relativement peu perméa- Caractérisation globale de la vulnérabilité des bles, liés à la forte teneur en argile des couches de la captages molasse. Un suivi mensuel des débits et conductivités pendant une année a montré l’extrême instabilité des sources de Marxenwald et Unter Howald (Grubenmann 1994). Les rapports des débits extrêmes sont de l’ordre de 25 (respectivement de 2000 à 85 et de 1500 à 65 l/min) et les fluctuations de la conductivité de l’ordre de 150 µS/cm. Une dégradation systématique de la qualité de l’eau apparaît dès le mois de juin (début de la période d’estivage du bétail) jusqu’au mois de novembre. La mauvaise qualité bactériologique et l’augmentation des teneurs en ammonium sont d’autant plus marquées lors des périodes de crue. Entre les mois de décembre et mai, la qualité de l’eau est par contre géné- Figure 25: Morphologie caractéristique de la région de ralement conforme aux normes de potabilité, à Tanzboden (site de Rieden) avec alignement de l’exception des valeurs de turbidité qui sont fréquempetite dolines. (Photo A. Pochon) ment supérieures à la valeur de tolérance de 1 NTU. Ces eaux sont traitées avant d’être distribuées dans le réseau d’eau potable.
En conclusion, les données à disposition montrent clai- sources est excessivement rapide, puisqu’on note un rement la forte vulnérabilité des deux captages aux retour au débit de base en moins d’un jour et demi pollutions (groupe b de la figure 7). Une étude com- pour la source de Marxenwald et en moins de quatre plémentaire détaillée est indispensable dans un tel jours pour la source d’Unter Howald. cas. Cela implique qu’une très grande partie de l’eau infiltrée sur le bassin d’alimentation arrive au captage sans Données complémentaires – évaluation du que des phénomènes significatifs d’auto-épuration degré d’hétérogénéité de l’aquifère aient pu intervenir. Ces réactions extrêmes peuvent Zones d’infiltration préférentielle, être expliquées par une alimentation abondante à parcaractéristiques des discontinuités tir des zones d’infiltration préférentielle (ruissellement L’étude de la géomorphologie permet de mettre en diffus, infiltration des cours d’eau) puis un transport raévidence un grand nombre de petites dolines (environ pide par l’intermédiaire d’un réseau de fractures très 80 pour 0.7 km2 de pâturages) qui agissent souvent perméables. comme points d’infiltration préférentielle, mais qui peuvent également être totalement colmatées. Ces dolines Essais de traçage sont généralement regroupées par zones et sont fré- Un essai par multitraçage (figure 31) a été effectué quemment alignées le long de contacts lithologiques dans le cadre de l’étude des zones de protection de la ou de structures tectoniques. En dehors de ces zones commune de Rieden (Grubenmann 1994). Les cinq d’infiltration ponctuelle, il existe également de nom- traceurs injectés ont permis de montrer que les basbreux talwegs dont l’origine peut être attribuée à des sins d’alimentation des deux sources (et d’autres sourstructures tectoniques en profondeur, hypothèse attes- ces voisines) sont indépendants, probablement comtée par quelques profils géophysiques (Schaul 1999). partimentés par les alternances lithologiques (niveaux L’infiltration le long des talwegs est probablement marneux) et les chevauchements majeurs. Les vitesmoins concentrée, puisqu’une bonne partie des eaux ses déterminées lors de cet essai (300 à 1500 mède pluie ruissellent en surface et en subsurface le long tres/jour) ont montré la présence de zones vulnérables
de ces structures. Un grand nombre de cours d’eau très éloignées des captages. permanents et temporaires longent ou recoupent fréquemment des discontinuités d’origine tectonique ou Degré d’hétérogénéité de l’aquifère lithologique et doivent donc également être considérés Au vu de la forte vulnérabilité des captages et de la comme des zones d’infiltration préférentielle. La dispa- forte hétérogénéité de l’aquifère, seule une approche rition de ruisseaux sur quelques dizaines de mètres en par cartographie multicritère de la vulnérabilité peut période d’étiage laisse supposer une alimentation si- permettre une délimitation des zones de protection gnificative de l’aquifère par l’intermédiaire de ces per- prenant en considération les caractéristiques spécifites. ques de cet aquifère (cas b2 de la figure 7). Le fait que la plus grande partie des eaux souterraines réside très De manière générale, les affleurement montrent que peu de temps dans l’aquifère avant d’être captée rend les discontinuités sont fortement marquées par la disdélicate la coexistence d’une activité d’élevage intensolution. sive sur le bassin d’alimentation des sources avec l’exploitation d’une eau de bonne de qualité pendant la Suivi détaillé des paramètres Q, T, C période de mai à octobre. La cartographie de la vulné- Les sources de Marxenwald et d’Unter Howald ont fait rabilité peut cependant permettre de distinguer les zol’objet de mesures en continu pendant les mois d’août, nes relativement peu sensibles aux impacts anthroseptembre et octobre 1999. Les variations de débit, pogènes des zones particulièrement vulnérables aux température et conductivité sont très marquées et expollutions. trêmement rapides (figure 26). Le tarissement de ces
pitations ont permis de justifier l’attribution des diffé- 8.8 9.8 10.8 11.8 12.8 13.8 14.8 15.8 16.8 17.8 journalières (mm)
rents indices (figure 27). précipitations
La classe D0 a été attribuée aux dolines ou groupes de dolines bien développées agissant comme points
conductivité à 20 °C
d’infiltration préférentielle. D’autres discontinuités sup- posées en relation hydraulique très rapide avec les captages ont également été cartographiées selon cet 5.8
température 3000 5.7 distance des captages). (°C) 5.6 débit (l/min)
5.5 La classe D1 a été attribuée à l’ensemble des structu- res supposées en relation hydraulique rapide avec les captages (dépressions peu développées, talwegs et cours d’eau liés à des discontinuités). 8.8 9.8 10.8 11.8 12.8 13.8 14.8 15.8 16.8 17.8 La classe D2 a été attribuée au reste du bassin, caracdate térisé par l’absence de structures géomorphologiques. L’ensemble de l’aquifère paraissant fortement fracturé, Figure 26: Hydrogramme de la source de Marxenwald pour la la classe D3 n’a pas été attribuée. période du 8 au 17 août 1999 (d’après Schaul 1999). L’évaluation du paramètre « couverture protectrice » a été effectuée grâce à une cartographie des sols (P0 à Application de la méthode « DISCO » pour la P3, essentiellement sur la base de sondages à la tadélimitation des zones de protection rière et de quelques essais d’infiltration (figure 28). Bien que l’aquifère présente une certaine karstification, Dans les zones de forêt, une cartographie détaillée de la méthode EPIK, développée spécifiquement pour les la couverture n’a pas été effectuée. De manière généaquifères karstiques du Jura et des Alpes calcaires rale, les sols y sont moins épais et plus perméables n’est pas utilisable dans ce contexte. La présence de que dans les zones de pâturage. Les talwegs et lits nombreux secteurs peu perméables et non karstifiés des cours d’eau laissent le plus souvent apparaître la (marnes, sols argileux) induisant par ruissellement des roche affleurante. Par simplification, l’ensemble de la transferts latéraux importants de polluants vers les zo- zone de forêt a été cartographiés en P1, sauf les lits nes d’infiltration préférentielles n’est pas prise en des cours d’eau et les talwegs qui ont été cartogracompte de manière satisfaisante par la méthode EPIK. phiés en P0. Les conditions locales n’ont pas conduit à La méthode de cartographie « DISCO », développée l’attribution de P4. spécifiquement pour la délimitation des zones de protection des captages en milieu fissuré fortement hété- « Facteur de protection intermédiaire » (figure 29) rogène doit être appliquée ici: La carte du facteur de protection intermédiaire met en évidence la vulnérabilité très élevée (facteur de protec- Paramètres « discontinuités » et « couverture tion très faible) des dolines et groupes de dolines proprotectrice » (figures 27 et 28) tégées par une faible couverture protectrice, et des
L’évaluation du paramètre « discontinuités » a été réali- talwegs et lits des cours d’eau situés à faible distance sée essentiellement sur la base d’une cartographie des captages. Les dolines recouvertes d’une bonne géomorphologique. Les essais de traçage (Gruben- couverture protectrice et la majorité des talwegs et démann 1994), quelques profils géophysiques (VLF-em), pressions géomorphologiques sont caractérisées par ainsi que des observations en période de fortes préci- un facteur de protection faible. La plus grande partie du bassin d’alimentation est caractérisée par un fac-
teur de protection moyen (lié à l’absence de structures Délimitation des zones S (figure 31) géomorphologiques et à la présence d’une couverture La carte du facteur de protection final sert de base protectrice significative). Seules de rares zones proté- pour délimiter les zones de protection (contours hydrogées par une couverture protectrice épaisse et peu géologiques), moyennant les ajustements suivants: perméable apparaissent avec un facteur de protection • les zones S3 apparaissant à une distance inférieure élevé. à 100 mètres de chaque captage ont été converties en zones S2, « Facteur de protection final » (figure 30) • la géométrie des zones S2 et S3 a été simplifiée afin En raison du ruissellement abondant (sol relativement de faciliter leur application, peu perméable et fortes pentes) les surfaces alimen- • les rares petites surfaces caractérisées par un factant les zones les plus vulnérables sont assez éten- teur de protection élevé ont été assimilées à des zodues. La carte du facteur de protection final montre nes S3, donc une relativement grande proportion de surfaces • dans le cas de Rieden, une zone S1 d’extension de caractérisées par des facteurs de protection très fai- 30 mètres a, de plus, été délimitée en amont des bles et faibles. captages, en raison de la grande probabilité que des fractures d’extension locale soient directement reliées aux deux captages.
N
Paramètre D captages de Marxenwald (1) et D1 Unter Howald (2) D2 limites supposées du bassin d’alimentation
Figure 27: 500 m Site de Rieden, carte du
2 paramètre « discontinuités ».
N
Paramètre P P0 captages de P1 Marxenwald (1) et Unter Howald (2) limites supposées du P3 bassin d’alimentation
Figure 28: 500 m Site de Rieden, carte du
paramètre « couverture protectrice ».
N
Facteur de protection intermédiaire Fint Fint très faible (0,1) captages de Marxenwald (1) et Fint faible (2,3,4) Unter Howald (2) Fint moyen (5,6,7) limites supposées Fint fort (8) du bassin d’alimentation
Figure 29: 500 m Site de Rieden, carte du « facteur de protection
intermédiaire ».
N
Facteur de protection final F
F très faible captages de Marxenwald (1) et F faible Unter Howald (2) F moyen F fort limites supposées du bassin d’alimentation
Figure 30: 500 m Site de Rieden, carte du « facteur de protection
final ».
N Zone de protection S
captages de Marxenwald (1) et Unter Howald (2) limites supposées du bassin d’alimentation
Essais de traçage injection Figure 31: trajet avéré Site de Rieden, délimitarestitution
2 tion des zones S (contours hydrogéologiques).
6.4 Wysseberg (BE) – Grès et schistes du flysch de la nappe du Niesen
Captages vulnérables, milieu fortement hétérogène (cas b2, méthode de cartographie multicritère de la vulnérabilité « DISCO »
Figure 32: Situation des sources de la région de Wysseberg. (Photo A. Pochon)
Introduction Le deuxième groupe de sources (n° 6, 7, 8, 9, 10) est Une quinzaine de sources sont captées dans la région situé à une altitude comprise entre 1890 et 1900 mède Wysseberg dans le Simmental (Canton de Berne). tres. L’eau est également captée par des drains situés Elles alimentent les petites agglomérations de Bleiken à faible profondeur dans la roche fissurée et altérée. (commune de La Lenk) et Obersteg (commune de St- L’ensemble de ces sources a été recapté en 1984 et Stephan). Les bassins d’alimentation de deux groupes les chambres sont en bon état. Un léger dépôt de sade sources (n° 3, 4, 5 et n° 6, 7, 8, 9, 10, figures 32 et ble et de particules fines laisse supposer la présence 33) sont distingués. Les zones de protection ayant déjà d’une certaine turbidité en période de crue. été définies dans cette région (CSD 1985), ce chapitre propose une délimitation des zones S selon la nouvelle Contexte géologique et hydrogéologique démarche méthodologique, à titre de comparaison. La région de Wysseberg (figure 33) est située dans les séries inférieures du Flysch du Niesen (Furrer et al. Données de base – évaluation de la 1993) qui sont essentiellement constituées par une alvulnérabilité des captages ternance de schistes et grès à ciment calcaire. Caractéristique des captages Les couches sont localement plissées mais on observe Les captages n° 3, 4, 5 sont situés à une altitude comun pendage général de la stratification d’environ 30° prise entre 1910 et 1920 mètres. Ils sont alignés sur en direction du nord. Deux familles principales de fracune trentaine de mètres en bordure d’un talweg et captures subverticales d’orientation N310 et N-S apparaistent essentiellement l’eau provenant des fissures du sent tant au niveau de l’affleurement qu’au niveau réflysch par l’intermédiaire de drains situés à une profongional (photogéologie). Ces structures régionales deur de l’ordre de 2 mètres. Des apports d’eau circusemblent jouer un rôle hydrogéologique considérable lant dans la couche d’altération des grès à faible propuisque deux groupes de source s’alignent sur deux fondeur contribuent probablement à l’alimentation des fractures orientées N310. captages. Les eaux sont collectées dans deux chambres (chambre commune pour les sources 3 et 4), où il est possible de jauger le débit à l’aide d’un seau.
ruissellement au printemps. En considérant un débit moyen de 60 l/min pour l’ensemble des sources 3, 4, et 5, la taille du bassin d’alimentation doit être de l’ordre de 0.05 km2. Le bassin doit s’étendre approximativement jusqu’à la ligne de crête située 300 à 400 mètres en amont. L’extension approximative du bassin d’alimentation du deuxième de groupe de source (6, 7, 8, 9, 10) est de l’ordre de 0.12 km2 en considérant un
1 6 8 débit de l’ordre de 160 l/min. 3 10 Sources de pollution existantes et potentielles SE moraine latérale Les risques de pollution sont limités à l’élevage de boflysch du Niesen moraine de fond vins et au purinage pendant la période de juin à sep- N 10 faille captage dépôts de pente tembre. Les fumures sont cependant uniquement épandues sur les zones peu escarpées et faciles Figure 33: Bloc diagramme représentant schématiquement la d’accès dans la partie inférieure du bassin d’alimentagéologie du site de Wysseberg. tion. Les étables sont situées en aval des captages 3, 4, 5, et ne constituent donc pas un facteur de risque La roche fissurée est souvent recouverte d’une couche pour ce groupe de sources. Le deuxième groupe de de sol d’une épaisseur maximum d’un mètre, compo- sources est plus exposé aux contaminations puisqu’il sée d’un horizon de sol brun (10 à 20 cm) surmontant se trouve à quelques dizaines de mètres en aval de la un horizon riche en limon et argiles (0 à 70 cm). La route goudronnée (passage de quelques véhicules et partie supérieure de la roche est généralement altérée déplacement du bétail) et également à faible distance et décalcifiée sur plusieurs décimètres. Les grès appa- des étables. raissent alors poreux et friables et les schistes très Caractérisation globale de la vulnérabilité des plastiques. On note localement, dans la partie infé- captages rieure de la zone étudiée (voir figure 33), la présence En raison d’un accès difficile, seules des données réd’une moraine de fond d’une épaisseur inférieure à parties sur une période restreinte de l’année sont dis- 1 mètre contenant de nombreux blocs de grès altérés ponibles (avril–décembre). Des variations importantes de taille centimétrique à décimétrique dans une ma- des débits ont été observées dans le cadre de la délitrice très argileuse. A l’ouest de la zone considérée, un mitation des zones de protection (CSD 1985). Les dédépôt de moraine latérale d’une épaisseur de plusieurs bits minimums à la fin de l’hiver sont de l’ordre de mètres est localisé en amont du deuxième groupe de 20 l/min au total pour les sources 3, 4 et 5, alors que sources (n° 6 à 10). Des dépôts de pente apparaissent les débits maximums sont supérieurs à 200 l/min. Des également en de nombreux endroits. fluctuations significatives (2 à 5°C) des températures de l’eau au cours de l’année montrent que l’aquifère
Extension et limites du bassin d’alimentation est peu profond. Les conductivités à 25°C varient éga- Un calcul prenant en considération 1900 mm de préci- lement de manière significative de 290 à 380 µS/cm pitations, 350 mm d’évapotranspiration et 850 mm de (CSD 1985; Basabe-Rodriguez 1993; présent travail), ruissellement implique une infiltration efficace de démontrant la sensibilité des captages aux variations l’ordre de 700 mm par année. La prise en considéra- des conditions hydrologiques. Le deuxième groupe de tion d’un coefficient de ruissellement élevé se justifie sources (n° 6 à 10) n’a pas fait l’objet de mesures répar la faible perméabilité des couches de couverture et gulières dans le cadre de l’application de la démarche l’accumulation d’une grande quantité de neige d’oc- méthodologique, mais les données à disposition montobre à avril, dont la majeure partie est évacuée par trent également un comportement instable (débits
compris entre 40 et 400 l/min pour l’ensemble des sources). Un nombre limité d’analyses bactériologiques est disponible pour les sources de Wysseberg. Bien que les prélèvements aient été réalisés en novembre ou décembre, deux à trois mois après le départ du bétail, la présence de germes (> 20 par ml) et de quelques Escherichia coli par 100 ml a été observée dans des captages appartenant aux deux groupes de sources. Un échantillonnage effectué pendant la période d’estivage donnerait probablement de plus mauvais résultats en raison de la présence de bétail à faible distance des sources.
En conclusion, les données à disposition démontrent la vulnérabilité des captages et la nécessité d’obtenir des données complémentaires (groupe b de la figure 7).
Données complémentaires – évaluation du degré d’hétérogénéité de l’aquifère Zones d’infiltration préférentielle, caractéristiques des discontinuités Aucune doline ou point d’infiltration préférentielle n’apparaît dans la géomorphologie mais l’étude des photos aériennes révèle la présence de structures subverticales d’orientation N310 et N-S qui déterminent la position des deux zones de résurgence. Ces deux familles de discontinuités apparaissent également à Figure 34: Fracture d’ouverture centimétrique le long d’un cours l’échelle de l’affleurement et doivent, avec les plans de d’eau du site de Wysseberg. (Photo A. Pochon) stratification, contrôler l’écoulement dans l’aquifère fissuré. Suivi détaillé des paramètres Q, T, C D’autres dépressions géomorphologiques sont égale- Des données de débit, de température et de conductiment mises en évidence par photogéologie et doivent vité en continu n’ont pas pu être collectées en raison être considérées comme des structures potentielle- de l’impossibilité d’installer un déversoir dans les ment perméables. chambres de captage.
Des phénomènes de dissolution s’observent le long des plans de discontinuités et sont également responsables d’une décalcification des couches à proximité de la surface. L’effet de la dissolution est donc d’une part de créer une porosité d’interstice dans les couches gréseuses et d’autre part de favoriser les écoulements rapides le long des discontinuités par une augmentation de la perméabilité de fissures. La présence de fractures d’ouverture centimétrique est observée le long des lits des cours d’eau (figure 34).
Essais de traçage D1 a été attribué aux structures majeures sur une lar- Des essais de traçage on été réalisés en décembre geur de 20 à 30 mètres pour tenir compte de 1984 en amont des deux zones de résurgence consi- l’influence d’une forte fracturation de part et d’autre du dérées (CSD 1985). plan de faille. Le reste du bassin d’alimentation a été cartographié en D2 de manière à tenir compte d’un ré- Pour le groupe de sources n° 3, 4, 5, l’injection de fluoseau relativement dense de fractures de plus faible exrescéine a été effectuée directement dans les fissures tension. du flysch dans une fouille d’une profondeur proche de 2 mètres, située à 25 mètres en amont du captage Des essais d’infiltration réalisés en amont des sources n° 3. Les vitesses déterminées sont de l’ordre de n° 3, 4, 5 dans une zone recouverte de sol et de mo- 25 m/h (600 m/j). Pour le groupe de sources n° 6 à 10, raine de fond ont confirmé la faible perméabilité des deux traceurs ont également été injectés en fouille. Le couches de couverture (k compris entre 1•10-6 m/s et premier 30 mètres en amont de la source n° 7 (rhoda- 1•10-7 m/s). mine), le second 20 mètres en amont de la source n° 9 Les classes P0, P1, et P2 ont été attribuées lorsque la et 60 mètres en amont de la source n° 10 (fluoresroche fissurée est affleurante (P0) ou recouverte unicéine). Les vitesses déterminées sont de 480 m/j vers quement de sol (P1 ou P2 suivant l’épaisseur) et la le captage n° 7 et de respectivement 72 et 48 m/j vers classe P3 en cas de présence cumulée de sol et d’une les captages n° 9 et n° 10. épaisseur significative de moraine de fond (entre 50 et Relevons que l’injection en fouille de plusieurs m3 100 cm). La zone recouverte de plusieurs mètres de d’eau à très faible distance du captage est à même de moraine latérale est relativement riche en blocs de créer des gradients supérieurs et donc des vitesses grès altérés de bonne perméabilité, elle a été égalesupérieures à celles observées en conditions hydrolo- ment cartographiée en P3. Les dépôts de pente appagiques naturelles. raissent le plus souvent en P2, parfois en P3 lorsque l’épaisseur de la couverture protectrice est clairement Degré d’hétérogénéité de l’aquifère supérieure à 1 mètre. Les vitesses très élevées déterminées par traçage (50
à 600 m/j) démontrent l’existence de circulations rapi- « Facteur de protection intermédiaire » (figure 37) des dans le substratum fissuré, qui doivent être expli- Les grandes fractures protégées par une couverture quées par des écoulements préférentiels le long de d’une épaisseur inférieure à 1 mètre sont caractérisées fractures de forte perméabilité. L’aquifère doit être par un facteur de protection faible de même que les considéré comme fortement hétérogène (cas b2 de la autres parties du bassin d’alimentation où la roche fisfigure 7) et c’est donc la méthode de cartographie mul- surée est affleurante ou subaffleurante (couverture inticritère de la vulnérabilité « DISCO » qui doit être ap- férieure à 20 cm). pliquée dans ce cas. « Facteur de protection final » (figure 38) En raison de la présence d’une couverture protectrice Application de la méthode « DISCO » pour la peu perméable sur une grande partie du bassin délimitation des zones de protection d’alimentation, le ruissellement diffus est relativement abondant. Un facteur de protection final faible doit Paramètres « discontinuités » et « couverture donc être attribué aux pentes alimentant par ruisselleprotectrice » (figures 35 et 36) ment les secteurs les plus vulnérables. L’évaluation du paramètre « discontinuités » (photos aériennes, terrain) permet de mettre en évidence des structures d’extension hectométrique qui déterminent l’emplacement des deux zones de résurgence. L’indice
602.500 N 10 6
147.500
Paramètre « discontinuités »
603.000 Limite supposée du bassin d’alimentation captage
Figure 35: Site de Wysseberg, carte du paramètre « discontinuités ». 602.500
N 6
147.500 603.000
Paramètre « couverture protectrice »
Limite supposée du bassin d’alimentation captage
Figure 36: Site de Wysseberg, carte du paramètre « couverture protectrice ».
602.500 10 6 N
147.500
Facteur de protection
603.000 intermédiaire Fint
Fint faible (2, 3, 4)
Fint moyen (5, 6, 7) Limite supposée du bassin d’alimentation captage
Figure 37: Site de Wysseberg, carte du « facteur de protection intermédiaire ». 602.500
10 6 N
147.500 603.000
Facteur de protection final
facteur de protection faible
facteur de protection moyen Limite supposée du bassin d’alimentation captage
Figure 38: Site de Wysseberg, carte du « facteur de protection final ».
602.500 N
147.500
Zones de protection S
603.000
Limite supposée du bassin d’alimentation captage
Figure 39: Site de Wysseberg, délimitation des zones S (contours hydrogéologiques).
Délimitation des zones S (figure 39) Comparaison avec les zones de protection Des zones S1 d’une extension de 25 mètres ont été existantes définies en amont des captages de manière à inclure Lors de la délimitation des zones de protection en les drains dont la position exacte n’est pas connue et 1985, la présence d’une couverture protectrice de faiafin de tenir compte du ruissellement en direction de ble perméabilité avait été jugée suffisante pour ne pas l’ouvrage (pente de l’ordre de 10 à 20%). Pour les définir de zones S2. L’ensemble du bassin d’alimentasources n° 3, 4, 5 et 6, 8, 9, une zone S1 commune est tion des sources avait été mis en S3 au-delà des zoproposée en raison du faible éloignement des capta- nes de protection rapprochée des captages (S1. La ges (20 à 30 mètres). Le reste du bassin d’alimentation carte du paramètre P (figure 36) montre cependant est attribué, selon la classe de vulnérabilité, aux zones que la répartition de la couverture protectrice est très S2 et S3. Il est à souligner qu'aucune zone S3 n’est hétérogène. De plus l’épaisseur cumulée du sol et de définie à moins de 100 mètres des captages. Prati- la moraine est inférieure à deux mètres, sauf pour les quement, ceci a essentiellement pour conséquence zones recouvertes de moraine latérale. Les vitesses d’exclure la possibilité d’épandage de fumure liquide à observées dans le flysch fissuré étant particulièrement faible distance en amont du groupe de sources 3, 4, 5. élevées (50 à 600 m/j), il est indispensable de cartographier la couverture protectrice de manière rigoureuse. L’application de la méthode « DISCO » permet donc dans un tel cas de définir des zones de protection plus efficaces.
6.5 Cas particuliers aval du captage et la présence d’un grand glissement
à une centaine de mètres en contrebas attestent de Les particularités du fonctionnement hydrogéologique l’instabilité des masses rocheuses. de certains milieux fissurés et leur implication sur la délimitation des zones de protection sont présentées Contexte géologique brièvement dans le cadre de ce chapitre. Ces observa- Dans la région de la Berra, le Flysch du Gurnigel est tions sont basées sur l’étude de divers sites examinés constitué d’une alternance de bancs de grès et de dans le cadre du développement de la démarche mé- marnes d’épaisseur décimétrique à métrique dont le thodologique. Quelques exemples illustrent également pendage général est d’environ 50° vers le sud à suddes situations dans lesquelles l’applicabilité des mé- ouest. thodes proposées est limitée, et dans lesquelles l’hydrogéologue doit faire preuve de discernement. NW SE captage
6.5.1 Aquifères fissurés fortement écoulements rapides dans la
décomprimés et zones instables roche décomprimée Les phénomènes de décompression conditionnent la écoulements rapides le long perméabilité des massifs cristallins dans les premières de fractures régionales
dizaines à centaines de mètres à partir de la surface éboulis (Avias 1982, Cruchet 1985, Maréchal 1998). Ils sont plus ou moins marqués selon le type de roche, la tec- 100m tonique (schistosité, fracturation), les effets de décompression post-glaciaire (exfoliation) et la topographie (appel au vide). Les zones fortement décomprimées sont souvent instables et possèdent des caractéristiques géologiques et hydrogéologiques particulières. Les phénomènes de fauchage, tassement et glissement sont fréquents et les écoulements d’eau souter- Figure 40: Coupe schématique montrant la situation du captage raine sont imprévisibles et localement rapides. Bien de la Gormande à Léon. que ces milieux soient souvent caractérisés par une forte hétérogénéité, une cartographie multicritère de la vulnérabilité n’est pas toujours applicable en raison de Données existantes et vulnérabilité du captage la difficulté d’évaluer l’hétérogénéité du massif rocheux Des variations significatives des débits, températures par des observations réalisées en surface. et conductivités sont observées selon les conditions hydrologiques, et la qualité bactériologique de l’eau Exemple 1: La Roche (FR) captée est périodiquement dégradée, ce qui démontre Région de la Berra la vulnérabilité du captage (ABA GEOL 1996). Un es- (grès et marnes du Flysch de la nappe du Gurnigel) sai de traçage réalisé à plus de 500 mètres du captage (ABA GEOL 1996) dans les environs de la ligne de Captage crête a révélé la présence d’écoulements rapides le Le captage de la « Gormande à Léon » est raccordé au long des réseaux de fractures (vitesses comprises enréseau d’eau potable de la commune de La Roche. Il tre 75 et 150 m/j). s’agit d’un ouvrage en parfait état datant de 1995 (ABA GEOL 1996) implanté dans une zone où le flysch est fortement fracturé et décomprimé (figure 40). Une accumulation d’éboulis à quelques dizaines de mètres en
Une accumulation anormale de particules fines, de La zone décomprimée en amont du captage doit être terre et d’aiguilles de conifères a été observée dans le considérée comme étant en liaison très rapide avec captage à la suite de crues en automne 2000. L’infiltra- celui-ci (D0), de même que quelques dépressions assition des précipitations à faible distance du captage est milables à des dolines, situées à proximité de la ligne certainement à l’origine de ces apports d’eau de mau- de crête. La prudence conduit à considérer le reste du vaise qualité. Comme de tels problèmes n’avaient pas bassin d’alimentation comme fracturé et potentielleété rencontrés lors des années précédentes, on peut ment en liaison rapide avec le captage (D1. supposer qu’une modification de l’organisation des La couverture protectrice est constituée d’un sol argiloécoulements associée à la création de nouveaux paslimoneux peu perméable dont l’effet protecteur est cesages préférentiels en direction des drains soit responpendant limité (P0 à P2 en raison d’une épaisseur sable de la dégradation de la qualité de l’eau. La forte comprise entre 0 et 100 cm. influence de l’ouragan Lothar dans cette région en décembre 1999, qui a provoqué de nombreux déracine- Zones de protection ments et des mouvements dans les roches dans les Une zone S1 relativement vaste, de 20 mètres au mipremiers mètres à partir de la surface pourrait être nimum en amont des drains de la Gormande à Léon responsable de ces modifications (F. Pasquier, comm. devrait être définie en raison d’écoulements rapides à orale). faible profondeur dans la roche décomprimée. La zone S2 couvre le reste de bassin d’alimentation et com- Degré d’hétérogénéité de l’aquifère prend des forêts et des pâturages. Des précautions Le captage est alimenté d’une part par des eaux circudoivent être prises de manière à réduire les risques de lant dans la zone décomprimée et d’autre part par des pollutions ponctuelles sur le bassin d’alimentation (ressystèmes d’écoulements fissuraux plus profonds dans taurant d’alpage, étables, véhicules de piste en hiver). le flysch. Les vitesses élevées déterminées par traçage (ABA GEOL 1996) impliquent que l’isochrone des Comparaison avec les zones de protection existantes 10 jours passerait au-delà de la limite du bassin
En raison du manque d’information concernant la réd’alimentation du captage. Il s’agit donc d’un captage partition des discontinuités, la quasi-totalité du bassin vulnérable situé dans un milieu fortement hétérogène d’alimentation apparaît en zone S2, ce qui est en ac- (cas b2 de la figure 7). Seule une cartographie de la cord avec les zones de protection existantes (ABA vulnérabilité doit permettre de délimiter les zones S en GEOL 1996). Il s’agit donc d’un cas où la méthode tenant compte de la forte hétérogénéité du milieu. « DISCO » ne permet pas de mettre en évidence des contrastes significatifs de vulnérabilité à l’échelle du Application de la méthode « DISCO » pour la bassin d’alimentation. Dans une telle situation l’applidélimitation des zones de protection cation de la méthode « DISCO » doit toutefois être en- Cartographie de la vulnérabilité treprise pour parvenir aux conclusions mentionnées. Il En raison du manque d’affleurements et de l’absence est tout de même possible de mettre en évidence des de développement d’une géomorphologie caractéristi- zones plus ou moins vulnérables (facteurs de protecque au droit des structures drainantes, la cartographie tion compris entre 2 et 4), essentiellement sur la base du paramètre « discontinuités » ne permet pas ici de de la cartographie des sols. Cette carte des facteurs différencier clairement les zones plus ou moins per- de protection est utile dans le cadre de la planification méables. Seul un nombre limité d’accidents d’exten- de l’occupation du sol et peut permettre de minimiser sion hectométrique peut être cartographié sur la base les risques de pollutions du captage liés à l’élevage et de critères géologiques (Weidmann 2002) et géomor- au tourisme. phologiques.
Exemple 2: Borgnone (TI) le captage a été effectuée. Seule l’uranine a été détec- (gneiss et roches basiques et ultra-basiques de la zone tée. Bien que la restitution de la sulforhodamine puisse pennique d’Orsellina) être relativement mauvaise dû à l’adsorption en présence de particules fines (présence de dépôts de Captage pente limoneux associés à la roche décomprimée), ce Le captage considéré est situé une vingtaine de mè- résultat tend à montrer la forte hétérogénéité du milieu. tres en amont de la route reliant les villages de Bor- Les vitesses sont de l’ordre de 14 mètres par jour. De gnone à Lionza sur le versant sud des Centovalli. très fortes précipitations (80 mm en deux jours) ont L’ouvrage captant est ensablé et désaffecté depuis manifestement conditionné l’apparition du traceur (fiplusieurs années. Il est situé dans la partie amont gure 41) et des vitesses plus élevées sont donc probad’une masse glissée constituée d’un mélange de blocs bles en cas d’injection lors de crues. et de matériel fin.
15.09 17.09 19.09 21.09 23.09 25.09 27.09 Contexte géologique 0 uranine ppb
Les roches sont principalement affectées d’une schis- 20 tosité d’orientation WSW–ENE, parallèle à la structure tectonique régionale la plus importante (faille des Centovalli) et de deux systèmes de failles d’orientation
précipitations mm NW-SE et N-S. L’effet d’une fracturation intense et de pentes escarpées se traduit par une forte instabilité des versants. 20 injection 14.09 Données existantes et vulnérabilité du captage Un suivi mensuel des débits, températures et conduc- 0 15.09 17.09 19.09 21.09 23.09 25.09 27.09 tivités des sources de la région a été réalisé en 1981– 82 (Ammann 1983) puis 1992–93 (IGC 1993) dans le Figure 41: Essai de traçage réalisé dans le cadre de cette étude cadre d’un projet de tunnel visant à améliorer la sécuripour la source de Borgnone en septembre 2000. té de la route menacée par des instabilités rocheuses. Injection à 90 mètres du captage, rinçage avec 3 à 5 Les fluctuations marquées de ces trois paramètres et 3 m d’eau. la faible minéralisation des eaux (proche de celle des eaux de pluie) démontre la vulnérabilité du captage et Délimitation des zones de protection la faible profondeur des écoulements. En considérant L’essai multitraçage a montré l’existence d’écouleun débit moyen de 30 l/min, le bassin d’alimentation ments relativement rapides et la forte hétérogénéité du s’étend vraisemblablement jusqu’à 100 à 200 mètres milieu. Il n’est cependant pas possible de caractériser en amont de la zone de résurgence (voir annexe 1). La l’hétérogénéité du milieu fissuré, et les caractéristiques plus grande partie du bassin est située en amont de la de la couverture protectrice sont également difficiles à masse glissée. Les roches y sont subaffleurantes, évaluer (mélange hétérogène de blocs et de dépôts de mais il est difficile de déterminer si elles sont réellepente d’épaisseur et granulométrie variables). En rement en place ou s’il s’agit de masses tassées. gard de la faible extension du bassin d’alimentation et de vitesses d’écoulement de l’ordre de 20 m/j, Degré d’hétérogénéité de l’aquifère l’assimilation de l’aquifère à un milieu continu est ac- Dans le cadre de l’élaboration du présent guide praticeptable (cas b1 de la figure 7) et implique la délimitaque, une injection simultanée de 500 grammes tion d’une zone S2 couvrant l’ensemble du bassin d’uranine et de 500 grammes de sulforhodamine de d’alimentation au-delà de la zone S1. part et d’autre d’un talweg dans l’axe duquel est situé
Remarques et les écoulements ont donc essentiellement lieu dans La présentation de ces deux exemples montre la diffi- les grès poreux. Les joints de stratification constituent culté d’exploiter et de protéger l’eau potable dans les cependant des zones potentiellement plus perméables zones instables et fortement décomprimées. Ceci et semblent jouer le rôle de drain. Les venues d’eau d’une part en raison de circulations localement rapides apparaissent dès une profondeur d’environ 30 mètres et imprévisibles et d’autre part en raison des risques et sont artésiennes. Des analyses de tritium démonde dégradation à plus ou moins long terme des ouvra- trent que ces eaux se sont infiltrées avant 1950. ges captants. Dans de tels cas, il est recommandé de viser la sécurité en attribuant la zone S2 de manière NW SE assez globale au bassin d’alimentation. «Burdigalien» (grès) Quaternaire «Aquitanien»” (grès et marnes)
6.5.2 Aquifères mixtes
(porosité de fissure et d’interstice) 600
a) Double porosité Certaines roches cohérentes, notamment les grès, présentent, en plus des discontinuités, une porosité d’interstice primaire significative. Cette porosité varie selon 400
le type lithologique (granulométrie, compaction, métamorphisme). En Suisse, ce sont essentiellement les 300 couches de la Molasse marine supérieure qui présen- 0 250 500 750 1000 1250 tent des porosités d’interstice primaires importantes (figure 42). Figure 42: Coupe géologique schématique dans les environs D’autre part, on observe souvent dans la molasse et le d’un forage de Matran dans la Molasse marine flysch le développement d’une porosité d’interstice se- supérieure, « Burdigalien » (d’après Thierrin 1990). condaire dans les premiers mètres à partir de la surface. Cette couche fonctionne alors comme un aqui- Conclusions, délimitation des zones de protection fère poreux et peut être drainée par les fissures en La très faible vulnérabilité du captage est attestée par profondeur (figure 43). Ce cas est traité plus bas, sous le temps de résidence élevé des eaux souterraines b). (cas a de la figure 7). Cette situation est liée à la présence de grès à porosité d’interstice, peu fracturés. En Exemple 3: Matran (FR) raison de leur faible perméabilité, ces grès sont le Forage profond dans les grès de la Molasse marine siège de circulations lentes et de phénomènes de filtrasupérieure (figure 42) tion efficaces. D’autre part, le forage capte à relativement grande profondeur des eaux artésiennes vrai- Captage semblablement liées à des systèmes d’écoulement La commune de Matran s’alimente en eau potable par régionaux. Dans un tel cas, seule la délimitation d’une l’intermédiaire de quatre puits d’une profondeur voisine zone S1 est indispensable, de manière à prévenir de 100 mètres forés dans les grès du « Burdigalien ». d’éventuelles infiltrations d’eau de mauvaise qualité le long du tubage. Cependant des restrictions doivent Données existantes (d’après Thierrin 1990) être faites dans le bassin d’alimentation pour des ou- Bien que la perméabilité des grès soit faible (entre 10-6 vrages profonds comme les forages pour pompes à et 10-7 m/s), des débits compris entre 50 et 200 l/min chaleur ou pour des activités pouvant contaminer sont exploités par puits. La roche est très peu fracturée l’aquifère à long terme (entreposage de déchets).
Un suivi des paramètres physico-chimiques en période taux de renouvellement (plusieurs années) déterminés de très fortes précipitations reste cependant indispen- à l’aide des isotopes. Les diverses sources ont toutesable pour garantir qu’aucune infiltration liée à des fois des caractéristiques physico-chimiques distinctes, aquifères superficiels ne contribue à l’alimentation du ce qui révèle la présence d’eaux d’origines différentes. captage. Une surveillance à long terme est également nécessaire pour s’assurer qu’aucune modification dé- Conclusions, délimitation des zones de protection favorable de l’organisation des écoulements n’inter- L’exemple du site de Luterbach permet d’illustrer les vienne au fur et à mesure de l’exploitation du captage. différents types d’écoulement rencontrés dans la Molasse du Plateau (voir figure 43, types d’écoulement b) Alimentation d’un milieu fissuré par l’in- 1 à 5). termédiaire d’un aquifère poreux perché L’intérêt d’un suivi séparé des différentes venues d’eau Cette situation est fréquente dans les milieux fissurés d’un captage en galerie est évident lors de l’évaluation en Suisse. Les aquifères poreux sont représentés soit de la vulnérabilité du captage, en raison des différenpar des dépôts quaternaires (chenaux fluvio-glaciaires, tes origines possibles de l’eau. La contribution d’une moraine localement perméable) soit par une zone petite venue d’eau de mauvaise qualité pourrait passer d’altération superficielle dans le cas de roches sédiinaperçue si les mesures sont effectuées de manière mentaires détritiques (décalcification, oxydation). globale.
Exemple 4: Luterbach (BE) Dans le cas de Luterbach, les vitesses de transit clai- Sources et galeries dans les grès, conglomérats et rement inférieures à dix mètres par jour ont été obsermarnes de la Molasse marine supérieure (figure 43) vées en direction de la galerie, ce qui est parfaitement en accord avec le comportement stable du captage. Si Le site de Luterbach a fait l’objet d’études détaillées les venues d’eau possèdent des caractéristiques phydans le cadre d’un projet de recherche international sur sico-chimiques contrastées et montrent la contribution les traceurs (Hötzl & Klaiber 1987, Schotterer & Müller d’apports d’origines différentes, la stabilité des débits 1987, Wernli 1987). et des paramètres physico-chimiques (Wernli 1987) témoigne par contre de la faible vulnérabilité des gale- Captages et sources ries en général. Deux galeries creusées dans la molasse au pied d’une forte pente permettent de capter l’eau des fissures de Concernant la délimitation des zones de protection, il la roche. Ces galeries contribuent à l’alimentation en apparaît que les aquifères situés dans la Molasse du eau potable de la commune de Burgdorf. De nombreu- Plateau peuvent le plus souvent être assimilés à des ses sources non captées apparaissent également dans milieux continus en raison de la forte influence de réla région le long des flancs des collines. servoirs à porosité d’interstice et d’une porosité de fracture relativement faible. Lorsque que le rôle des Données existantes fractures est uniquement de drainer localement l’eau Le fonctionnement complexe du site de Luterbach a des aquifères poreux sus-jacents, la délimitation des été mis en évidence par des mesures géophysiques, zones de protection est effectuée selon les principes par l’injection de traceurs et par des analyses des ca- recommandés pour les aquifères poreux (annexe 4 de ractéristiques physico-chimiques et isotopiques de OEaux 1998). l’eau des sources et des galeries (Hötzl & Kleiber 1987, Schotterer & Müller 1987, Wernli 1987). L’ensemble des observations a montré que les vitesses d’écoulement des eaux souterraines sont relativement lentes (2 à 5 m/j), ce qui est en accord avec les faibles
Figure 43: Bloc diagramme schématisant les différents types d’écoulement rencontrés à Luterbach. 1) source liée à un chenal quaternaire, 2) source liée à la couche superficielle altérée et décalcifiée de la molasse, 3) source apparaissant au niveau d’un banc plus marneux, 4) source liée à une fracture dans la molasse non altérée mais alimentée essentiellement par l’eau stockée dans la zone altérée, 5) captage en galerie avec venues d’eau au niveau de fractures subverticales liées à la décompression post-glaciaire; ces fractures sont également en connexion avec des réservoirs à porosité d’interstice. OMM = Molasse marine supérieure.
Remarques éboulis) dans la zone d’exutoire des aquifères fissurés En présence de captages vulnérables situés dans le (figure 44). L’eau captée est alors un mélange d’eau contexte du Plateau suisse, l’utilisation de la géophysi- provenant de l’aquifère fissuré et de l’aquifère quaterque doit être envisagée, car les affleurements et les naire. indices géomorphologiques sont très rares et ne per- Dans le cas de captages vulnérables, une estimation mettent pas de déterminer la structure de l’aquifère. des vitesses de transit dans les deux aquifères doit être effectuée pour comprendre l’organisation des c) Exutoire en milieu poreux écoulements et déterminer l’origine des apports d’eau Etant donné l’omniprésence des dépôts quaternaires de mauvaise qualité. Lors d’essais de traçage, l’injecdans les régions alpines et du Plateau suisse, on note tion de traceur dans le milieu fissuré (système d’écousouvent l’existence de formations non consolidées lement « régional ») et dans le milieu poreux (système d’épaisseur significative et caractérisées par une d’écoulement « local ») est recommandée. bonne perméabilité (moraine latérale, fluvio-glaciaire,
Conclusions, délimitation des zones de protection Si les propriétés de l’aquifère poreux et de l’aquifère fissuré sont clairement différentes (hétérogénéité, vitesse de transit) les zones de protection doivent être a définies selon des critères différents pour les deux aquifères: b
méthode des isochrones pour le milieu non consolidé (OEaux 1998)
application de la démarche méthodologique présentée dans le cadre de ce guide (figure 7) pour le milieu fissuré.
Milieux fissuré écoulements rapides en direction du captage Milieux poreux Figure 45: Esquisse d’une source située à faible distance d’un cours d’eau. L’eau s’infiltre en amont du captage le long du cours d’eau et peut s’écouler rapidement par l’intermédiaire des fractures interconnectées a et b.
Ces relations entre eaux de surface et eaux souterrai- Figure 44: Coupe schématique d’un aquifère fissuré avec zone nes peuvent être mises en évidence par essai de trad’exutoire en milieu poreux. çage. L’injection d’un traceur en continu dans le cours d’eau pendant plusieurs heures et un échantillonnage serré pendant quelques jours est alors particulièrement
6.5.3 Infiltration de cours d’eau
utile. Il permet de déterminer le temps de transit entre à proximité d’un captage la zone de pertes et le captage et d’estimer le pourcen- Dans le cas de captages situés à faible distance d’un tage de contribution du cours d’eau au débit capté. cours d’eau, une contribution significative des eaux de surface au débit capté est fréquemment observée. Les Conclusions et recommandation vitesses de transit en direction du captage sont sou- Dans de telles situations, la qualité de l’eau captée vent rapides en raison de la mise en charge des fractusera fortement influencée par celle du cours d’eau. res situées le long du cours d’eau (figure 45). Dans ce cas, il est recommandé d’examiner la possibi- Ce type de situation est souvent rencontré dans les lité de limiter cette influence, p.ex. par l’étanchéification régions de montagne. Les zones de résurgence appa- du cours d’eau. Si cela ne peut pas être réalisé, des raissant au point topographiquement bas, de nom- mesures veillant à garantir la bonne qualité des eaux breux captages sont implantés sur les flancs de vallées de surface devront impérativement être proposées (par transversales, à proximité de cours d’eau. ex. délimitation d’une aire Ao) et une installation de traitement devra être prévue.
7 Recommandations, aspects financiers
7.1 Recommandations Par souci de transparence, il est recommandé de
faire figurer dans le rapport d’expert les différentes Acquisition des données complémentaires cartes ayant permis la définition des zones de proen présence d’un nombre élevé de captages tection (cartes des paramètres « discontinuités » et Une des caractéristiques des aquifères fissurés en « couverture protectrice », cartes du « facteur de Suisse est la présence d’un très grand nombre de cap- protection intermédiaire » et du « facteur de protectages caractérisés par de faibles débits (débits moyens tion final »). le plus souvent compris entre 30 et 500 l/min). Dans de nombreux cas, les communes s’alimentent en eau potable par l’intermédiaire de plusieurs captages, ce qui 7.2 Aspects financiers multiplie le nombre de données à collecter. S’il est particulièrement important d’obtenir un nombre suffisant Le temps à investir dans le cadre d’une étude pour la de données pour chaque captage dans le cadre de délimitation des zones de protection est non seulement l’étude de base, les captages présentant des caracté- dépendant des caractéristiques du captage et du conristiques similaires peuvent ensuite être regroupés texte hydrogéologique mais également des données pour que les coûts de l’étude restent raisonnables. Les géologiques et hydrogéologiques existantes ainsi que essais de traçage ou les observations détaillées de l’étendue, la complexité et l’accessibilité du site d’événements de crue peuvent ainsi être effectués sur considéré et de la diversité de l’utilisation du territoire. un nombre réduit de captages représentatifs. Le calcul des heures de travail nécessaires pour l’application de la démarche méthodologique (tableau Application de la méthode de cartographie 6) est indicatif. Il est présenté sous forme de fourchet- « DISCO » tes afin de tenir compte de ces différents facteurs. Lors de l’application de la méthode « DISCO », la dé- Dans les cas complexes ou si la documentation existermination des facteurs de protection sur la base des tante est insuffisante, cette fourchette peut être dépascartes des paramètres « discontinuités » et « couverture sée. protectrice » et des phénomènes de ruissellement représente une partie importante du travail. Dans le cas d’un bassin d’alimentation de grande extension (supérieure à 1 km2 et lorsque les cartes des paramètres « discontinuités » et « couverture protectrice » sont
complexes (grand nombre de polygones caractérisés par des indices différents), l’utilisation d’un système d’information géographique est fortement recommandée. Pour des bassins d’alimentation d’une taille inférieure à 1 km2 et/ou lorsque les cartes des paramètres ne sont pas trop complexes, l’utilisation d’un programme de dessin sur ordinateur, voire un traitement manuel des données peuvent s’avérer suffisants.
Tableau 6: Estimation du nombre d’heures nécessaires pour la délimitation des zones de protection selon les trois méthodes présentées (déplacements et frais non inclus); voir commentaires dans le texte, chapitre 7.2.
Etude de base Compilation de la documentation existante (géologie et hydrogéologie, plans communaux) 4 à 8 heures Reconnaissance des captages et du bassin d’alimentation potentiel, première tournée de mesure 4 à 8 heures 10 tournées de mesure aux captages 15 à 50 heures Interprétation des données, rapport succinct 8 à 16 heures Séances, divers 4 heures Total (arrondi) 35 à 85 heures Principaux frais: analyses chimiques et bactériologiques, déplacements
Etude complémentaire Etude détaillée du bassin d’alimentation (discontinuités, zones d’infiltration) 4 à 8 heures Essai multitraçage (organisation, injection, interprétation) 12 à 24 heures Suivi d’événements de crue 8 à 12 heures Interprétation des données, rapport succinct 8 à 16 heures Total (arrondi) 30 à 60 heures Principaux frais: essai multitraçage (déplacements, traceurs, échantillonnage, analyses); le cas échéant, location d’appareils de mesure, géophysique
Délimitation des zones de protection Cas a Rédaction du rapport final, cartes, règlement 8 à 12 heures Séances, divers 4 heures Total (arrondi) 15 heures Total des heures pour le cas a (étude de base + délimitation de zones S): 50 à 100 heures
Rédaction du rapport final, cartes, règlement 12 à 16 heures Séances, divers 4 heures Total (arrondi) 15 à 20 heures Total des heures pour le cas b1 (étude de base + étude complémentaire + délimitation des zones S): 80 à 165 heures
Cartographie des paramètres discontinuités, couverture protectrice, évaluation des 8 à 16 heures pour 1 phénomènes de ruissellement km2 Interprétation, réalisation des cartes, détermination du facteur de protection 12 heures Contrôles de terrain, ajustements 4 à 6 heures Rédaction du rapport final, règlement 16 heures Séances, discussions internes, divers 8 heures Total (arrondi) 50 à 60 heures Total des heures pour le cas b2 (étude de base + étude complémentaire + délimitation des zones S): 115 à 205 heures (+ 6 à 10 heures par km supplémentaire)
8 Conclusions et perspectives
La démarche méthodologique proposée dans le cadre Pour les captages vulnérables dans le cas d’aquifères de ce guide pratique permet de délimiter les zones de fissurés fortement hétérogènes, la délimitation des zoprotection des captages en milieu fissuré en tenant nes de protection selon une méthode de cartographie compte des différents types de contextes hydrogéo- multicritère de la vulnérabilité est nécessaire. Son aplogiques rencontrés en Suisse. Elle permet une défini- plication requiert un volume de travail important et ne tion des zones de protection basée sur des critères peut se départir d’une certaine incertitude liée à la quahydrogéologiques rigoureux en utilisant à bon escient lité des données collectées sur le bassin d’alimenles outils à disposition de l’hydrogéologue. tation. C’est cependant l’unique approche qui permette de concilier une activité générant des contraintes im- La réalisation d’une étude relativement simple pour les portantes sur le bassin d’alimentation (élevage, toucaptages naturellement bien protégés contre les pollurisme) et l’exploitation d’une eau potable de qualité actions et d’une étude plus poussée pour les captages ceptable. Si la prévention a un prix, elle est aussi un vulnérables permet en outre de limiter les coûts dans investissement avantageux. Elle doit permettre d’améles cas les moins problématiques. L’approche propoliorer de manière durable la qualité de l’eau captée en sée a été développée de manière à exiger l’acquisition permettant de planifier de manière adéquate l’occupadu minimum de données nécessaire pour permettre tion du sol (épandage de fumure, utilisation d’engrais une délimitation appropriée des zones de protection. ou de pesticides) sur l’ensemble du bassin d’alimenta- Dans le cas des captages peu vulnérables, l’étude de tion du captage. D’autre part, elle doit également perbase doit être effectuée avec un soin particulier, puis- mettre de réduire au maximum les problèmes de polluque c’est uniquement sur la base d’une excellente sta- tions ponctuelles accidentelles (ex.: fuite de fumure ou bilité du captage (même en cas de fortes précipita- de carburant) ou permanentes (ex.: trop grandes contions) et d’une qualité de l’eau irréprochable que la centrations de bétail autour des abreuvoirs ou des enméthode simplifiée de dimensionnement minimum doit droits de traite) dans les zones les plus vulnérables
Pour les captages vulnérables dans le cas d’aquifères faiblement hétérogènes, la délimitation des zones de protection est effectuée en considérant l’aquifère fissuré comme un milieu continu équivalent. En raison de l’hétérogénéité du milieu à l’échelle locale, la détermination des vitesses d’écoulement les plus élevées, qui doivent servir de base à la définition de l’isochrone des 10 jours, peut s’avérer délicate. La réalisation d’essais de traçage dans des conditions optimales (période de hautes eaux, injection de traceurs en plusieurs points dans des zones fortement fracturées) doit toutefois permettre de définir des zones S d’extension suffisante pour garantir une protection efficace du captage.
9 Références bibliographiques
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Annexes
Annexe 1 Détermination de l’extension d’un bassin d’alimentation par calcul du bilan annuel
Le bilan se calcule en 3 étapes. Une 4ème étape sert à ajuster les limites du bassin d’alimentation. Les calculs sont indicatifs. Les résultats doivent être considérés respectivement comme des ordres de grandeur et comme des surfaces minimales.
Annexe 2 Caractérisation globale de la vulnérabilité du captage
A Débit, température et conductivité • lors de la mesure de la conductivité, les caractéristiques de l’appareil doivent être mentionnées (conduc- Nombre d’observations minimal nécessaire tivité ramenée à 20 ou 25°C) et la valeur lue doit être Le comportement hydrologique du captage doit être stabilisée, évalué sur la base d’un nombre suffisant de mesures • une brève description des conditions météorologide débit, conductivité et température (une dizaine au ques le jour même et les jours précédant les mesuminimum). res est indispensable pour l’interprétation des données, en complément des données pluviométriques Parmi ces mesures, au minimum deux doivent être pride MétéoSuisse (ex.: orage local, précipitations sous ses peu après de fortes précipitations (15 à 20 mm au forme de neige, fonte des neiges), minimum). Une répartition des mesures sur une longue • en cas d’exploitation de données anciennes, leur fiapériode (si possible sur une année hydrologique avec bilité doit être évaluée. une mesure par mois) permet d’autre part d’estimer le débit moyen et de mettre en évidence les fluctuations Présentation et interprétation des résultats saisonnières. Les mesures de débit, température et conductivité devraient être représentées dans un graphe où figure Mesures en cas de fortes précipitations également la pluviométrie, déterminée sur la base des La réaction d’un captage est fortement dépendante stations météorologiques les plus proches (voir p.ex. la des conditions antécédentes d’humidité. Après une figure 21). Les variations des paramètres mesurés longue période sèche, de fortes précipitations peuvent ensuite être interprétées en tenant compte (>15 mm) pourront se traduire par une réaction très des conditions météorologiques. faible au niveau du captage en raison d’un déficit en eau important dans la zone non saturée, les sols et les végétaux. Une averse identique intervenant lors d’une B Qualité de l’eau période relativement humide pourra par contre fortement influencer les débits, températures et conductivi- Biologie tés. Il est indispensable d’avoir à disposition des mesu- Un minimum de trois mesures de bactériologie est reres lors d’une période de recharge significative de commandé pour délimiter les zones de protection. Les l’aquifère. échantillons doivent être prélevés dans des périodes où les risques sur le bassin d’alimentation sont élevés
Représentativité des mesures (présence de bétail, purinage, tourisme) et en tenant Un certain nombre de précautions doivent être prises compte des conditions météorologiques (plus grande pour garantir la qualité et la représentativité des mesuprobabilité de pollution biologique après de fortes res: pluies).
le lieu de la mesure doit être précisé (captage, collecteur, réservoir) et les observations doivent être faites Chimie au même endroit pour être comparées. Des mesures L’importance des analyses chimiques est fortement propres à chaque source et le plus près possible de dépendante de l’occupation du sol. En présence d’agrila zone de résurgence sont recommandées, culture intensive, plusieurs analyses concernant no-
la méthode de détermination du débit doit être mentamment les nitrates et les pesticides sont nécessaires. tionnée (seau, lecture déversoir), de même qu’une Dans les zones où l’activité agricole se limite à estimation de l’incertitude, l’élevage, deux analyses chimiques comprenant les
ions majeurs, le nitrate, l’ammonium et la demande en oxygène peuvent être suffisantes.
Turbidité Les mesures de turbidité ne sont pas obligatoirement effectuées en routine, mais elles permettent de mettre en évidence la présence de problèmes en cas de dépôts de particules fines dans le captage ou en cas de couleur anormale de l’eau en période de crue. Lorsque la présence d’une turbidité élevée est suspectée, des mesures spécifiques doivent être effectuées en période de crue.
Annexe 3 Caractérisation des aquifères au moyen des hydrogrammes
A Interprétation des hydrogrammes (structure, quantité) influencent également l’allure des hydrogrammes. Le suivi des variations de débit, conductivité, température et turbidité lors d’une crue permet d’acquérir des Phases 1 et 2: effet piston. L’augmentation des débits informations sur les caractéristiques globales de l’aqui- n’est pas accompagnée d’une baisse de la conductifère et sa vulnérabilité. vité, l’eau fraîchement infiltrée n’arrive pas encore à l’exutoire. La stabilité des températures, voire de la Différentes méthodes ont été développées pour interturbidité (augmentation possible due à un accroissepréter la réponse des aquifères karstiques et en dément des vitesses dans l’aquifère) confirme cette hypoduire des informations sur leur structure et leur foncthèse. L’eau ancienne stockée dans l’aquifère et dans tionnement. Peu de travaux ont été effectués sur des la zone non saturée est poussée vers l’exutoire par hydrogrammes en milieu fissuré, mais certaines des l’augmentation des charges hydrauliques. Lors de la méthodes mentionnées plus haut peuvent également 1ère phase, les caractéristiques de l’eau restent compapermettre d’obtenir des informations sur ce type d’aquirables à celles du débit de base précédant la crue. fère. Lors de la 2ème phase on observe une augmentation des conductivités liée à la mobilisation d’eau plus mi- Décomposition d’un hydrogramme en diverses néralisée, stockée dans des volumes peu perméables phases (modifié d’après Ford & Williams 1991) de la zone saturée ou non saturée.
Phase 3: les eaux fraîchement infiltrées rejoignent l’exutoire. Cela se traduit par un pic négatif de conductivité et souvent par une modification des températures 4 (pic positif ou négatif selon les contrastes de température entre la pluie et l’aquifère) et un pic de turbidité. débit Les eaux infiltrées au droit de zones de forte perméabilité bien connectées au captage rejoignent rapidement conductivité électrique l’exutoire (infiltration directe des précipitations et d’eaux de ruissellement).
Phase 4: la proportion d’eau fraîchement infiltrée dimiturbidité nue progressivement. Les eaux infiltrées lors de la température crue contribuent en plus faible proportion au débit et leurs caractéristiques chimiques et thermiques se différencient de moins en moins de celle des eaux plus anciennes en raison d’un contact prolongé avec l’aquifère. Sur la base des caractéristiques de l’eau et de Remarques: ce schéma est présenté à titre d’exeml’allure de la courbe de décrue cette phase peut être ple. L’allure des différentes courbes change d’un aquiassimilée au débit de base. fère ou d’une source à l’autre et selon les conditions hydrologiques. L’effet « piston » (phases 1 et 2) n’apparaît pas systématiquement. Les conditions antécédentes d’humidité, les caractéristiques des précipitations
B Décomposition d’hydrogrammes Les débits initiaux des réservoirs considérés au début selon la méthode de Maillet (1905) de la récession Q0i, les coefficients de tarissement αi (pente des droites) et les temps ti correspondant aux La représentation de la courbe de récession d’une intersections de ces segments de droite, peuvent être source avec une échelle semi-logarithmique peut gé- déterminés et permettent de caractériser les différents néralement être décomposée en plusieurs segments réservoirs. de droite. Dans ce cas, la courbe de récession corres- Si cette séparation en un nombre de réservoirs dispond à la succession de plusieurs fonctions exponentincts à caractéristiques très différentes ne correspond tielles. Chaque fonction exponentielle peut être assimiqu’à un modèle très simplifié de la réalité, cette mélée à un réservoir se vidangeant plus ou moins rapidethode permet néanmoins d’évaluer l’hétérogénéité des ment et donc caractérisé par une plus ou moins forte aquifères (plus les coefficients α sont différents plus perméabilité. l’aquifère peut être considéré comme hétérogène). Exemple d’hydrogramme dont la courbe de réces- Les volumes écoulés lors de la crue, qui correspondent sion peut être décomposée en trois fonctions exà la surface des triangles représentés sur la figure ciponentielles: dessous, peuvent également être calculés. En comparant ces volumes avec une estimation grossière du vo- Q0 lume infiltré lors de la crue (= surface du bassin d’alimentation x précipitation efficace), un pourcentage d’apport rapide peut également être déterminé. Plus ce pourcentage sera élevé et plus le tarissement de ces réservoirs sera rapide, plus l’aquifère sera considéré comme vulnérable (une grande proportion des précipi- Q
tations est évacuée rapidement vers l’exutoire par l’intermédiaire de zones de forte perméabilité).
temps t0 récession
Q (échelle log)
temps
Annexe 4 Recommandations concernant les essais de traçage en milieu fissuré
Lieu d’injection: Quel que soit le type de roche fissu- cubes sont généralement suffisants pour garantir une rée, l’hétérogénéité à l’échelle locale (mètre ou dizaine bonne pénétration du traceur dans la zone saturée. de mètres) rend le résultat de l’essai de traçage forte- Echantillonnage: Les risques de contamination lors ment dépendant du point d’injection. Certaines précaud’essais de traçage doivent être réduits au maximum, tions facilitent l’injection du traceur: c’est pourquoi la personne responsable des prélève-
choix d’une zone potentiellement perméable sur la ments ne doit pas avoir été en contact avec les trabase de critères géomorphologiques, géologiques ou ceurs. Le prélèvement d’un échantillon avant le tragéophysiques, çage est également indispensable. Il est conseillé
utilisation d’une fouille d’injection assez étendue pour d’analyser cet échantillon « blanc » avant d’organiser optimiser les chances d’infiltration dans des fractures l’essai de traçage pour mettre en évidence l’effet réside bonne perméabilité, duel d’autres traceurs ou la présence d’une substance
réalisation d’essais d’infiltration sur le lieu de l’injec- (matière organique, azurants optiques) pouvant perturtion pour s’assurer que la zone choisie est suffisamber l’analyse du traceur choisi. ment perméable. La cadence d’échantillonnage doit être élevée au dé- Utilisation de plusieurs traceurs: L’utilisation simul- but puis peut être progressivement espacée. Un tanée de deux ou trois traceurs différents permet échantillonnage serré lors de la première période de d’augmenter les chances de réponse positive et d’ac- fortes précipitations suivant l’injection du traceur est quérir une meilleure connaissance de l’organisation indispensable. des écoulements. Remarques: Dans le cas de la délimitation de Conditions hydrologiques: Les vitesses d’écoule- l’isochrone de 10 jours, seule la vitesse horizontale doit ment sont moins élevées en période de basses eaux être en principe prise en considération. Le traceur doit qu’en période de hautes eaux. L’injection des traceurs donc être injecté le plus près possible de la zone satuen période de relativement hautes eaux est recom- rée. En présence d’une couche protectrice efficace, mandée pour déterminer les vitesses d’écoulement homogène et d’une épaisseur de plusieurs mètres, on
lorsque les conditions sont défavorables pour la qualité peut cependant tenir compte du temps de transit vertides eaux. cal et de l’effet épurateur dans la zone non saturée (Instructions pratiques pour la protection des eaux sou- Quantité de traceur à injecter: La restitution des traterraines, OFEFP 2004). ceurs dans les milieux fissurés est souvent assez mauvaise (de l’ordre de quelques %) et les pics peu- Dans le cas où une méthode de cartographie de la vent se prolonger sur une longue période (plusieurs vulnérabilité est utilisée, d’éventuels essais réalisés à semaines) en raison d’une dispersion importante. Il est titre de contrôle devraient être effectués dans des condonc important d’injecter une quantité suffisante de ditions naturelles, sans modifier la couverture protectraceur. Pour un même débit qu’en milieu karstique ou trice. poreux, une plus grande masse de traceur doit être uti- Pour d’autres informations sur la réalisation et l’interlisée (p.ex. 5x plus). prétation des essais de traçages, il convient de men- Eau d’injection: Le volume injecté doit être suffisant tionner le guide pratique « Utilisation des traceurs artipour pousser le traceur vers la zone saturée, mais ne ficiels en hydrogéologie » (Schudel et al. 2002). doit pas être trop important, afin d’éviter de créer des gradients hydrauliques démesurés. Deux à cinq mètres
Annexe 5 Caractérisation des sols (sols au sens pédologique et roches meubles)
A Pouvoir épurateur de différents types de sol en condition non-saturée (Rehse 1977)
M Description du matériau H (m) I = 1/H
1 Humus, 5 - 10 % humus, 5 - 10 % argile 1.2 0.8
2 Argile sans fentes de retrait, limon argileux, sable très argileux 2 0.5
3 Silt argileux à silt 2.5 0.4
4 Silt; sable silteux; sable silteux et peu argileux 3.0 - 4.5 0.33 - 0.22
5 Sable fin à moyen 6 0.17
6 Sable moyen à grossier 10 0.1
7 Sable grossier 15 0.07
8 Gravier silteux, riche en sable et argile 8 0.13
9 Gravier peu silteux, beaucoup de sable 12 0.08
10 Gravier fin à moyen riche en sable 25 0.04
11 Gravier moyen à grossier, peu de sable 35 0.03
12 Galets 50 0.02
M = n° de la classification granulométrique H = épaisseur de la couche de sol nécessaire pour une épuration complète I = index
B Classification grossière des sols par une rapide évaluation de leurs propriétés plastiques (pour une analyse et une classification plus détaillée, voir McRae 1988)
prendre un échantillon de sol et l'humidifier 1) de telle manière à le saturer (l’échantillon doit être maintenu à saturation pendant le test)
enlever les éléments d’un diamètre supérieur 2) à 1mm en malaxant l’échantillon
3) rouler l'échantillon entre les mains et essayer de faire un cylindre d'environ 1 cm de diamètre po le ib
ss ss
ib po
le im
échantillon à dominance prendre le cylindre formé sous 3), sableuse 4) essayer de faire un cylindre de 0.5 cm de diamètre, puis de former un anneau d’environ 3 cm de diamètre re de s
po su on an
ss fis ati le s
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ib rm su rm ib
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le at r e fo ss
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échantillon à dominance échantillon à dominance limoneuse pauvre argileuse ou limoneuse en argile riche en argile
Annexe 6 Essais d’infiltration (évaluation de la perméabilité de la couverture protectrice)
Dans l’ensemble de cette annexe, on entend par per- Essai d’infiltration à niveau variable méabilité le coefficient de perméabilité de Darcy. (selon Porchet) Dispositif: L’essai peut être effectué dans un trou Essai d’infiltration avec double anneau creusé à la tarière ou dans une fouille. (selon Müntz) Mise en œuvre: Après saturation du sol, la variation Dispositif: Il s’agit de deux cylindres en métal qui doidu niveau d’eau est mesurée en fonction du temps. vent être assez robustes pour être enfoncés de quelques centimètres dans le sol à l’aide d’une massette. Interprétation: La perméabilité du sol est déterminée par la formule suivante pour un trou cylindrique: Mise en œuvre: Après saturation du sol, la vitesse d’infiltration est mesurée dans le cylindre intérieur tandis qu’une charge comparable à celle de ce dernier cylindre est maintenue dans l’anneau extérieur pour limiter au maximum l’effet de la perméabilité horizontale (généralement élevée dans les sols stratifiés).
Interprétation: La variation du niveau d’eau au cours (tiré de Lallemand-Barrès & Roux 1999) du temps dans l’anneau intérieur est reportée sur un graphe. La perméabilité verticale du sol, exprimée en Cette méthode a l’avantage d’une mise en œuvre simm/j, est donnée par la pente de la droite une fois le réple dans le cas d’essais dans un trou de tarière. gime permanent atteint. L’utilisation d’une tête de diamètre élevé (min. 10 cm) Cette méthode a l’avantage de déterminer essentiel- est conseillée pour faciliter la mesure du niveau d’eau lement la perméabilité verticale de la couverture pro- et étudier une surface horizontale assez grande. Les tectrice sans en perturber la structure. désavantages sont la mesure de la perméabilité à une certaine profondeur dans la couverture protectrice et la Remarque: Plus le diamètre de l’anneau extérieur est détermination d’une perméabilité globale (verticale + grand, plus la mesure sera précise (Hachicha et al. horizontale). 1996).
Vitesse et temps de séjour dans le sol Connaissant la perméabilité du sol, la vitesse approximative de l’eau dans le sol en condition saturée peut être évaluée sur la base d’une estimation de la porosité efficace ωe:
Remarque: La présence de petits conduits dans les premiers décimètres de la couche de sol (terriers de rongeurs notamment) peut conduire à l’infiltration rapide d’eau vers l’aquifère. Puisque l’essai d’infiltration ne permet d’étudier qu’une petite surface, la perméabilité peut être sous-estimée.
Interprétation des résultats De manière générale, un sol peut être considéré comme fortement perméable pour des valeurs de perméabilité supérieures à 1 m/j (>10-5 m/s), comme moyennement perméable pour des valeurs comprises entre 0.1 et 1 m/j (10-6 à 10-5 m/s) et comme faiblement perméable pour des valeurs inférieures à 0.1 m/j