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 EtudesAgriculture
et environnement La
nappe alluvialeColonisation
des bancs de galets |
Vincent LAFON B.T.S.
Métiers de l'Eau
Confrontée à
des taux de nitrates dans le puits de captage qui tendent à atteindre
les normes admissibles pour les Eaux destinées à la consommation
humaine, la commune de Siorac en Périgord se doit de trouver une
nouvelle source d'eau potable. Mon rôle était donc de participer à ce premier mois d'étude de la nappe alluviale avec M. GILBERT, élu de la commune de Siorac, et M. RUFFINONI, chercheur au CNRS, et d'analyser les conséquences de l'implantation de la zone tampon pour la qualité de l'eau.
Il s'agit d'une nappe d'accompagnement de la rivière qui suit le cours de celle-ci à travers les couches d'alluvions, sédiments abandonnés par la rivière (sables, graviers, galets). Elle est alimentée par la rivière, avec laquelle elle entretient des relations étroites (infiltration), et par les eaux issues du bassin versant provenants des nappes phréatiques et du lessivage des sols, comme le montre le schéma ci-dessous.
I.2. La nappe alluviale de " Laplaine " : Il s'agit de la nappe d'accompagnement de la Dordogne. Elle est située dans la plaine alluviale de la commune de Siorac en Périgord, entre la rivière, avec laquelle elle est en relation directe, et la Nauze, petit affluent de la Dordogne sans lien avec la nappe selon les enquêtes effectuées par bureau d'étude TEMSOL (cf. localisation en Annexe I ). Afin de mener l'étude de la nappe, un réseau de 16 piézomètres a été mis en place, de PZ1 à PZ14 et PZA , PZB, et deux puits d'essais de captages ont été creusés, en amont et en aval du terrain (cf.. plan d'implantation des piézomètres en Annexe II, et coupe d'un piézomètre et d'un puits d'essai en Annexe III). Ces piézomètres permettent de mesurer les variations de niveau de la nappe, parallèlement à celles de la Dordogne, d'observer le sens d'écoulement de la nappe en fonction de ce niveau, de calculer l'épaisseur de celle-ci, et de procéder aux analyses de l'eau de l'aquifère. Les puits permettront
de pratiquer aux essais de captage de cette nappe qui devra alimenter
en eau potable la commune de Siorac. I.3. contexte physique : La Dordogne est une
rivière à fond mobile de 480 Km de long qui court sur un
lit de galets avec un module de 200 m3/h au niveau de Siorac. Son cours
est fortement artificialisé de part les barrages hydroélectriques
(7 en amont de Siorac dont 5 majeurs ) qui créent de fortes variations
de niveau ( barrage de Bort les Orgues par exemple).
II.1. Etude du site de " laplaine". L'étude de sol réalisée par le bureau d'étude TEMSOL-Périgord lors de la mise en place des piézomètres et des puits d'essai de captage (cf. Annexe II) a révélé que le site de " Laplaine " était constitué comme suit :
Au cours du forage du Puits Aval, TEMSOL a prélevé trois échantillons de matériaux sur lesquels ont été effectuées des analyses granulométriques plus complètes permettant de caractériser la nature du matériau, et de déterminer le diamètre des particules par tamisage (cf. Tableau 2 ci-dessous).
II.2. Interprétation des résultats de TEMSOL : Avec une épaisseur d'environs de 2 à 4 m, la nappe évolue essentiellement au sein de la couche graveleuse et peut atteindre, en périodes de hautes eaux, la base des alluvions fins. D'après ce tableau,
on peut constater que cette strate graveleuse est formée d'une
épaisseur de sable moyen (98.7 % des particules ont un diamètre
inférieur à 2 mm) et, à la base, d'une couche de
sable plus grossier (89.4 % des particules ont un diamètre compris
entre 2 et 50 mm). De plus, cette structure granulaire et la faible vitesse d'écoulement, offrent des conditions propices aux déroulements de phénomènes biochimiques, qui peuvent permettre d'améliorer la qualité de l'eau de la nappe. En effet, une partie des intrants amenés par la rivière et les nappes de terrasses est consommée par les micro-organismes du sol pour leurs besoins nutritionnels (apport d'azote, de carbone, et de phosphore). En outre, les filtres granulaires présentent souvent des phénomènes de nitrification et de dénitrification grâce au développement de bactéries au sein du matériau. La nitrification est un processus biochimique de transformation de l'azote ammoniacale (NH4+) en azote nitrique (NO3-) en présence d'oxygène. Elle comporte deux phases successives effectuées par deux genres bactériens différents : - La nitritation, qui est la transformation des ions ammonium (NH4+) en nitrites (NO2-), sous l'action des Nitrosomonas, - La nitratation, transformation des nitrites en nitrates (NO3-) par le biais des Nitrobacters. Ces groupes de bactéries sont autotrophes, c'est à dire que leur source de Carbone pour la synthèse de molécules organiques est le carbone minéral, et vont donc utiliser les carbonates et bicarbonates contenus dans l'eau. Compte tenu de leur caractère aérobie, ces micro-organismes ne pourront effectuer la nitrification qu'au niveau supérieur du terrain, où l'oxygène peut diffuser et suppléer aux besoins des bactéries. Ce phénomène biochimique, lorsqu'il a lieu, permet une amélioration sensible de la qualité de l'eau (la teneur en ammoniac est normée à 0.5 mg/l) mais est tributaire de facteurs extérieurs : - la température
(une température trop basse durant la période hivernale
risque de limiter l'activité bactérienne), La Dordogne, d'après des analyses effectuées, ne contient que 0.01 mg/l d'ion ammonium, et la nappe phréatique, exploitée par la commune de Siorac, possède une teneur nulle en ammoniaque. On peut donc supposer que ce phénomène de Nitrification est limité au niveau du site de " Laplaine ". De ce fait, si on trouve des nitrates au niveau de la nappe alluviale, ils ne sont donc pas d'origine biologique. Le processus biologique de dénitrification nécessite un apport de matière organique pour avoir lieu, or les nappes sont souvent pauvres en carbone organique, il apparaît donc que ce phénomène est limité au niveau du site de " Laplaine ". La zone tampon pourra fournir cet apport de carbone nécessaire et permettre à ce processus de se dérouler (la dénitrification microbienne est développée au chapitre V sur la zone tampon).
Au niveau du site de
" Laplaine ", chaque piézomètre a fait l'objet
d'un nivellement NGF, c'est à dire que la hauteur de chacun a été
mesurée par rapport au niveau de la mer, niveau de base. III.1. Mesures et calculs effectués au niveau des piézomètres et des puits d'essai : Schéma 2 : paramètres
pris en compte au niveau d'un piézomètre.
La sonde se comporte d'un fil gradué relié à une électrode qui, en contact avec la surface de l'eau, déclenche un signal sonore. La hauteur ainsi mesurée, " HS ", représente la profondeur de la nappe. Par conséquent,
l'épaisseur de la nappe peut être déterminée
en soustrayant la hauteur totale du forage (" HT ") à
cette dernière valeur : De plus la côte
NGF du toit de nappe peut être obtenue en soustrayant la côte
NGF du piézomètre étudié avec la profondeur
mesurée : Lors de chaque prise de mesure, ces calculs sont effectués, mis sous forme de tableau (cf. tableaux de mesures fournis en annexe IV) et exploités par la suite. N.B. : Le niveau NGF de la Dordogne est fourni par la Direction Régionale de l'Environnement (antenne de Périgueux) III.2. Influence du cours d'eau sur la nappe. Les variations de l'épaisseur de la nappe au niveau de chaque piézomètre ont permis d'observer le comportement de l'aquifère vis à vis de la rivière. L'aquifère de
" Laplaine " étant la nappe d'accompagnement de la Dordogne,
elle suit le cours de celle-ci selon une composante directionnelle amont-aval.
Mais il convient d'étudier également l'influence de la rivière
sur le sens d'écoulement transversal de celle-ci. Tableau 2 : Côte du toit de nappe moyen et niveau de la Dordogne.
Les variations de ces deux grandeurs sont mise en relief grâce au graphique ci-après. Bientôt sur la toile ... D'après ce graphique, nous constatons que le 7, 10 et 24 janvier, et le 1er et 3 février, correspondent à des jours d'alimentation de la Dordogne par la nappe, alors que le 13, 18, 19, 26 et 28 janvier, nous observons que la rivière alimente la nappe. La nappe est fortement soumise aux fluctuations de la rivière et bat dans les mêmes proportions que celle-ci mais avec un décalage dans le temps. En période de basses eaux, on voit donc une alimentation de la rivière par la nappe, alors qu'en hautes eaux, le niveau dans les piézomètres augmente parallèlement à celui de la rivière, et l'aquifère est alors alimentée par la Dordogne. L'alternance de ces deux phases va avoir une influence sur la qualité de l'eau de captage car les nappes de terrasse possèdent, contrairement à la rivière, une teneur élevée en nitrates. III.3. Influence du mélange eau de rivière - eau de nappe. Nous avons vu que dans le milieu alluvial, la nappe est fortement soumise à la rivière et que la proportion de mélange des deux eaux est fonction du niveau de la rivière et évolue parallèlement à celui-ci. Ce mélange peut permettre une " dilution " des intrants, issus du bassin versant où se pratique une agriculture intensive, qui percolent dans les eaux souterraines durant les périodes pluvieuses. En effet, la rivière possède une teneur en nitrate nettement inférieur à celle des nappes phréatiques. De ce fait, durant les périodes où le niveau de la rivière est relativement élevé, la proportion importante d'eau de rivière peut entraîner une dilution des intrants azotés et donc une baisse de leur concentration au sein de la nappe. L'étude, menées en partenariat avec le CNRS (Centre National de Recherche Scientifique) durant toue l'année, permettra de déterminer la position idéale du puits où la qualité d'eau disponible est la meilleure (plusieurs séries d'analyses seront effectuées sur les piézomètres et les puits d'essai.)
Les calculs d'épaisseur de nappe seront d'autant plus important durant la période d'étiage durant laquelle le niveau de l'aquifère sera au plus bas. En effet l'épaisseur de la nappe doit être suffisante afin de pouvoir délivrer un débit minimum de 40 à 50 m3/h, débit qui permettrait de couvrir les besoins en eau potable de la commune de Siorac. Si le seuil limite d'épaisseur de nappe, estimé à environs 2.50 m, est franchi, il faudra alors mettre en place plusieurs puits de captage permettant d'atteindre ce débit. Le but de l'étude du rabattement de nappe est de voir si le puits est capable de fournir la quantité d'eau nécessaire pour l'adduction en eau potable de Siorac. Cela consistera à
pomper l'eau de la nappe, au niveau d'un puits d'essai, avec un débit
de 80 m3/h, soit environs deux fois la consommation en eau de Siorac. Cette hauteur doit être
d'au moins 1.50 m afin de ne pas entraîner les matière en
suspension qui décanteront au fond du puits, et pouvoir faire face
au pointe de consommation.
D'après une étude de Charles RUFFINONI, chercheur au CNRS Toulouse et participant au projet de captage de la nappe alluviale de " Laplaine ",sur la contribution des ripisylves au contrôle des flux d'azote en milieu fluvial. Pour faire face au problème
des nitrates la solution choisie par la commune de Siorac est l'implantation
d'une zone tampon végétalisée sur le site de "
Laplaine "(en référence aux étude réalisées
sur ces formations.
V .1. Une zone tampon :
Une zone tampon est
une parcelle, située entre les zones de culture et un cours d'eau,
à l'image des forêts alluviales et autres ripisylves (boisements
des berges) plus répandues par le passé.
Dans ses travaux études, Charles RUFFINONI a montré que les ripisylves et autres zones tampons participent efficacement à la régulation des flux de nitrates dans les hydrosystèmes (étude combinée avec celle d'autres auteurs). Ces boisements riverains, traversés par d'importantes masses d'eau, sont capables de puiser et de stocker efficacement l'azote. Ainsi, dans la plaine alluviale garonnaise il a pu démontrer " qu'une jeune ripisylve peut prélever en moyenne 0.38 g d'azote par jour et par mètre cube, soit 38 fois plus qu'une prairie pâturée, 25 fois plus qu'une jeune peupleraie et 1.5 à2 fois plus des peupleraies mâtures ". L'agriculture intensive tend à mettre en culture les surface des bord des cours d'eau. En effet, ces sols rivulaires sont très faciles à travailler mais leur texture sablo-graveleuse les rend filtrants et un apport important d'engrais est nécessaire. Du fait de cette structure et de leur très faible teneur en matières organiques, ces sols n'ont pratiquement aucun pouvoir de fixation. Mais l'irrigation accrue
de ces parcelles et le lessivage des sols entraînent souvent les
fertilisants agricoles et autres pesticides vers les nappes phréatiques
sous-jacentes, dans lesquelles les teneurs en nitrates peuvent alors y
dépasser la norme de potabilité (50 mg/L). Les nappes phréatique cheminent peu à peu en direction de la rivière où elles peuvent émergées. Ainsi, l'implantation d'une zone tampon d'une largeur convenable (au moins 10 m) sur le site de " Laplaine " pourrait permettre d'éliminer une grande partie des composés azotés transitants vers la nappe, futur point de captage. Plusieurs processus physiques ou biologiques peuvent être à l'origine de la baisse des teneurs en nitrates :
V.2. Le risque des nitrates. L'accroissement des teneurs en nitrates dans l'eau potable présente un risque pour la santé humaine. En effet, les nitrates font partie des substances indésirables dans la législation pour les Eaux destinées à la consommation humaine. Ingérer dans l'organisme, les nitrates sont réduits en nitrites au niveau de l'intestin. Ces composés peuvent être dangereux car ils favorisent l'évolution de l'hémoglobine en méthémoglobine, forme alors incapable de fixer le dioxygène. Ce problème va essentiellement se poser chez les nourrissons (cyanoses dues à une sous oxygénation du sang)qui ont une forme d'hémoglobine plus sensible à l'action des nitrites car ils ne possèdent pas, contrairement à l'adulte, la diaphorase, enzyme capable d'inverser le phénomène. De plus, les nitrites
peuvent évoluer en nitrosamines par réaction avec les acides
aminés durant la digestion, qui sont des cancérigènes
très actifs du système digestif. A partir d'un certain seuil, le dioxygène vient à manquer et la matière organique des végétaux morts s'accumule alors sur les fonds sous forme de vase. A ce stade, il peut se produire des phénomènes de fermentations anaérobies engendrants des nuisances olfactives (odeur de putréfaction due au dégagement d'hydrogène sulfuré), et la vie de la faune est alors fortement perturbée (mortalité croissante des espèces les plus sensibles). V .3. Rôle de la végétation pour l'élimination des intrants azotés. Plusieurs résultats
d'études expérimentales effectuées au niveau de zones
alluviales ont été publiés, et montrent le rôle
de la végétation des bords des cours d'eau pour le contrôle
des flux de nitrates (tableau 3 ci-dessous):
On peut observer, d'après ces études, que la végétation rivulaire, ripisylves et forêts alluviales, contribue efficacement à l'élimination des composées azotés transitant dans les zones alluviales. Sur le site de " Laplaine ", une zone tampon sera implantée d'arbres dont le système racinaire est suffisamment puissant pour aller puiser l'eau à plus de trois mètres de profondeur : Chênes, frênes, aulnes. Ainsi, pendant la période végétative (environs huit mois par an, de fin février jusqu'à fin octobre), ces formations végétales particulièrement dynamiques pourront prélever directement les composés azotés nécessaires à leur croissance au sein de la nappe alluviale, dont la profondeur est d'environs 2 à 3 m. Les nitrates sont alors incorporés et stockés dans le tissu végétal sous forme réduit, constituant essentiel des structures végétales. L'enracinement puissant des ces formations devrait permettre d'absorber les flux de nitrates issus du bassin versant, même en période d'étiage de la Dordogne. Schéma 4 L'absorption racinaire des végétaux de la zone tampon : en période végétative, les végétaux puisent les nitrates qui migrent avec les eaux du sous-écoulement depuis les zones de culture jusqu'à la rivière.
La vitesse d'écoulement de la nappe dans les sédiments alluviaux ne doit pas être trop importante afin de permettre un épuration des nitrates. L'influence de la végétation se répercute également sur l'activité bactérienne, et en particuliers, la zone tampon peut offrir des conditions idéales à la dénitrification microbienne dans la zone alluviale. V.4. La dénitrification microbienne. La dénitrification
microbienne ou " respiration nitrate ", est utilisée
par des bactéries lorsque le milieu ne contient plus de dioxygène.
A défaut
d'oxygène, ces bactéries, dites dénitrifiantes, utilisent
alors les nitrates comme accepteur final d'électron dans la chaîne
respiratoire pour pouvoir oxyder les matières organiques incorporées
et fournir l'énergie sous forme d'ATP (Adénosine Tri-Phosphates)
aux cellules.
Pour accomplir ce processus, ces micro-organismes synthétisent la Nitrate Réductase Dissimilatrice, enzyme capable de catalyser ces réductions. Cette enzyme est induite lorsque le dioxygène disparaît du milieu et les nitrates sont présents. La plupart des bactéries
dénitrifiantes, telles Pseudomonas aeruginosa, sont hétérotrophes,
c'est à dire qu'elles utilisent des composés organiques
pour leurs besoins nutritionnels et énergétiques.
Schéma 5 La dénitrification microbienne : en période de hautes eaux, les nitrates sont recyclés par les micro-organismes.
La dénitrification peut s'avérer être un processus efficace pour l'élimination des nitrates mais qui est tributaire de l'hydrologie du cours d'eau, de la teneur en carbone organique et de la vitesse d'écoulement de la nappe au sein de sédiment.
Ces résultats figurent en Annexes VI et VII. Ces résultats
s'avèrent assez encourageants. On peut observer que la teneur en
nitrates au niveau des piézomètres PZ 1 à PZ 10 est
très faible (de <1 à 3.4 mg/l). L'analyse complète
effectuée au niveau du puits aval révèle une teneur
en nitrate de 5.4 mg/l et aucune valeur hors norme pour les paramètres
concernants les pesticides (atrazine, simazine,…) Au cours du mois de mars, l'eau de la Nauze et celle du puits amonts fera également l'objet d'une analyse complète (l'analyse de la Nauze pourrait expliquer les fortes teneurs en nitrates au niveau de PZ 11, PZ 12 et PZ 13). A partir du mois d'avril, les teneurs en nitrates vont faire l'objet d'un suivi (au niveau de quelques piézomètres deux analyses seront effectuées par mois).
Lors de la recherche d'une nouvelle ressource en eau, la commune de Siorac a fait procéder à des recherches de nappes profondes par un bureau d'étude géologique qui a estimé le coût de la mise en œuvre du forage. Une première
estimation pour un captage de 50 m3/h au niveau des couches du Crétacé
(400 m de profondeur) conduit a un coût global de 1 400 000 F Hors
Taxe. Ces coûts prennent en compte les travaux d'études, de constructions du forage muni d'une pompe immergée, éventuellement d'une bâche, d'une station de reprise, et le raccordement au réseau existant. Le coût global de l'exploitation de la nappe alluviale ne serait que de 500 000 F : 150 000F pour l'étude,la mise en place du champs piézométrique et la construction du puits d'adduction, et 350 000 pour le raccordement au réseau. La mise en œuvre
d'un forage profond constituerait un investissement très lourd
pour Siorac, commune de 900 habitants. En outre, l'eau au sein
de ces aquifères est en quantité limitée et est soumise
à pollution (on a trouvé des atrazines à -180 m dans
la zone prospectée.
L'implantation d'une
zone tampon sur le site de " Laplaine " peut être un moyen
d'obtenir une eau de qualité. En outre, le tourisme représente en PERIGORD NOIR 43% du Produit Local Brut, on comprend donc tout l'intérêt de la préservation des ripisylves et des forêts alluviales pour le maintient de la qualité de l'eau de la Dordogne (eau de baignade) et, dans un second plan, pour la conservation et la valorisation du patrimoine : Ces formations rivulaires contribuent au maintient des berges face à l'érosion, offrent des paysages variés et attrayants, et constituent des milieux à forte valeur écologique de part la diversité de la faune et de la flore qui y vient.
Ce stage m'a permis
de découvrir le fonctionnement d'un syndicat intercommunal, et
en particulier sa gestion très réglementée et contrôlée. |
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