De quoi avons-nous besoin pour prédire la résilience des eaux souterraines aux contaminations par les nitrates ?



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Article dans Science of the Total Environment

C’est la question à laquelle répondent plusieurs auteurs des unités de l’OSUR dans une publication mise en ligne en mai 2021 dans la revue Science of the Total Environment : on y retrouve Camille Vautier (Université de Rennes 1, GR, thèse soutenue en décembre 2019), Tamara Kolbe (Technische Universität Bergakademie Freiberg) , Tristan Babey (Stanford University) Jean Marçais (INRAE, RiverLy Lyon-Villeurbanne), Benjamin W. Abbott (Brigham Young University), Anniet Laverman (CNRS, ECOBIO), Zahra Thomas (l’institut Agro, SAS), Luc Aquilina (Université de Rennes 1, GR), Gilles Pinay (CNRS, EVS Lyon) et Jean-Raynald de Dreuzy (CNRS, Géosciences Rennes OSUR). Cette publication apporte des résultats innovants : (1) les trajectoires d’évolution des nitrates peuvent être prédites sur la base de quelques paramètres clés, (2) deux traceurs de datation restent nécessaires pour prédire la concentration en nitrates des eaux souterraines, (3) la stratification de la dénitrification contrôle la dynamique des nitrates dans l'aquifère et (4) le phasage précis des apports passés n’est pas crucial.

 


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La contamination par les nitrates affecte de nombreux aquifères et eaux de surface de la Terre. Jusqu’à présent, les prédictions à grande échelle des concentrations des nitrates dans les eaux souterraines nécessitaient la caractérisation de multiples facteurs anthropiques et naturels.

Afin d'évaluer différentes approches pour la mise à l'échelle des estimations de la récupération des nitrates, les chercheurs de l’OSUR et leurs collègues ont choisi une approche systémique et ont testé l'influence de facteurs hydrologiques, historiques et biologiques sur les prédictions de la concentration future de nitrates dans les aquifères. Ils ont ainsi testé les facteurs à partir d'un large ensemble de données hydrogéologiques provenant d'un bassin versant de socle fracturé en Bretagne à Pleine-Fougères (35).

Une analyse de sensibilité basée sur un modèle calibré de l'écoulement des eaux souterraines, ainsi que sur des données de dénitrification et des apports d'azote, a révélé que les tendances des concentrations en nitrates peuvent effectivement être évaluées avec un nombre limité de paramètres clés.

Il est nécessaire pour cela de définir au préalable la masse totale de nitrate qui a pénétré dans l'aquifère depuis le début de la période industrielle, mais les détails de la série chronologique historique des apports d'azote ne sont pas cruciaux pour établir les prédictions vus la dispersion et le mélange dans les aquifères.

Les processus d'écoulement et de transport dans l'aquifère peuvent être représentés par la moyenne et l'écart-type de la distribution des temps de séjour, ce qui offre un outil facile à manier pour faire des prévisions raisonnables à l'échelle des bassins versants et des régions.

La sensibilité apparente au taux de dénitrification est principalement attribuable aux décalages temporels dans l'épuisement de l'oxygène, ce qui signifie que la dénitrification peut être simplifiée en un processus marche/arrêt, défini uniquement par le temps nécessaire au nitrate pour atteindre la couche réactive hypoxique.

 

Sur la base d'un modèle calibré, les chercheurs ont réussi à prédire les trajectoires des nitrates dans 16 puits différents (de 28 à 98 m de profondeur) d'un aquifère rocheux fracturé non confiné situé dans une zone agricole. L'étude a été menée sur un bassin versant agricole de 35 km2 situé près de Pleine-Fougères, un BV qui fait partie de la Zone Atelier Armorique. Comme dans la plupart des régions de Bretagne, la zone d'étude a été soumise à de forts apports d'engrais organiques et minéraux depuis les années 1960. Après un pic d'apports azotés au début des années 1990, les agriculteurs ont lentement réduit leur utilisation de fertilisants, sans pour autant que l’on constate une baisse des taux de nitrate dans les eaux souterraines…

Les caractéristiques de l’écoulement des eaux souterraines dans la zone saturée expliquent l’héritage marqué en nitrates, en retardant de plusieurs années l'impact des stratégies d'atténuation dans certaines parties du bassin versant. Cela souligne par conséquent la nécessité de déterminer où et quand les résultats des efforts d'atténuation ont une chance d'être mesurables. Ainsi, une analyse de sensibilité sur les concentrations de nitrates estimées a montré que la concentration de nitrates dans l'aquifère peut être prédite en utilisant un nombre limité de paramètres comme :

  • la masse totale de nitrate qui a pénétré dans la zone saturée dans le passé, qui peut être estimée à l'aide des données sur l'utilisation des terres
  • la moyenne et la variance de la distribution du temps de résidence des eaux souterraines, qui peuvent être mesurées avec un minimum de deux traceurs d'âge ; si un seul traceur d'âge est disponible, il doit être combiné avec un modèle ou une hypothèse sur la variance du temps de résidence, qui pourrait être basée sur une analyse géomorphologique
  • le temps nécessaire à l'eau souterraine pour atteindre la zone réactive de l'aquifère, qui peut être évalué avec la concentration en oxygène dissous de l'eau souterraine.

Les autres paramètres, en particulier la forme précise de la série temporelle des entrées de nitrates, ont peu d'impact sur la trajectoire de récupération de l'aquifère.


 

À ce stade, les chercheurs sont désormais en mesure d'évaluer ces paramètres clés à une échelle locale, appropriée pour la mise en œuvre de politiques publiques.

Même si la voie à suivre pour augmenter l'échelle de ces paramètres reste incertaine, la détermination des informations les plus nécessaires et les plus utiles est la première étape vers des prédictions à grande échelle. Le fait que les trajectoires des nitrates dans les eaux souterraines puissent être approchées avec une connaissance limitée du système est prometteur quant à notre capacité future à prédire la contamination des eaux souterraines par les nitrates.

Certes, l'obtention de ces paramètres clés à grande échelle reste un défi compte tenu des informations actuellement disponibles, mais ces résultats sont prometteurs quant à notre capacité future à prédire la concentration de nitrate avec des approches intégrées de surveillance et de modélisation, et éclairer ainsi les politiques publiques (européennes, nationales, régionales, locales), voire les cadres normatif et législatif.

 


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Concentrations de nitrates prédites dans les 16 puits suivant trois scénarios agricoles (décrits en pointillés rouge, orange et verts à gauche). Les concentrations ont été prédites pour 2020, 2030 et 2050 en utilisant le modèle de référence. La carte légèrement agrandie au milieu montre les concentrations sur lesquelles l'analyse de sensibilité a été effectuée, c'est-à-dire les concentrations prédites pour 2030 avec le scénario de référence.

 

 

Référence
Camille Vautier, Tamara Kolbe, Tristan Babey, Jean Marçais, Benjamin W. Abbott, Anniet M. Laverman, Zahra Thomas, Luc Aquilina, Gilles Pinay, Jean-Raynald de Dreuzy, What do we need to predict groundwater nitrate recovery trajectories?, Science of The Total Environment, 788, 2021, 147661, doi.org/10.1016/j.scitotenv.2021.147661




Contact OSUR
Jean-Raynald de Dreuzy (CNRS, Géosciences Rennes) / @
Alain-Hervé Le Gall (CNRS, OSUR multiCOM) / @