Modélisation spatiale des ressources en eau du Renaison
12. Identification, localisation et comportement des ressources en eau
12.2 Evaluation de la vulnérabilité des ressources en eau superficielle
La vulnérabilité d’une ressource en eau à la pollution peut être définie comme la facilité qu’un polluant éventuel a pour atteindre cette ressource et comme l'irréversibilité de l'atteinte de la nappe souterraine ou du cours d'eau.
La protection des ressources en eau contre des pollutions est un enjeu important pour la préservation des usages de l’eau et des milieux naturels aquatiques. Un SAGE doit prendre en compte la variation spatiale de la vulnérabilité de la ressource en eau dans le cadre de la protection de la ressource puisque le SAGE doit fixer les "objectifs généraux d'utilisation, de mise en valeur et de protection quantitative et qualitative des ressources en eau superficielle et souterraine et des écosystèmes aquatiques" (Loi sur l'Eau du 3 janvier 1992, art. 5).
La vulnérabilité de la ressource en eau superficielle ou souterraine doit guider les aménagements et la gestion des activités et usages de l'eau. Certaines portions d'un bassin versant sont capables de supporter des activités à risques de pollution tandis que d'autres doivent être ménagées car elles ont une influence déterminante sur la qualité de l'eau.
Une carte de vulnérabilité est pertinente dans le cadre d’un SAGE puisqu’elle permet de distinguer des unités de fonctionnement sur un bassin versant et d’adapter la gestion globale en fonction de ces unités. La carte doit permettre aux autorités ou aux usagers :
- de protéger les secteurs les plus vulnérables (plantation d’une ripisylve, reconversion des terrains d’agriculture intensive, assainissement des habitations...)
- d’optimiser le choix de l’implantation d’activités présentant un risque de pollution. Cette approche converge avec celle des périmètres de protection des captages d'eau potable bien qu’elle n’ait pas les mêmes objectifs. Les ressources en eau à usage d’alimentation en eau potable font l’objet d’une procédure réglementaire de périmètres de protection. Ces périmètres ont pour objet d’offrir une auto-épuration du terrain à des polluants provenant de l’amont et de permettre un temps d’intervention minimum lors d’une pollution accidentelle massive [Lallemand-Barres et Roux, 1989].
La cartographie de la vulnérabilité est fondamentale pour appuyer une politique de préservation des ressources sur la distribution de paramètres physiques. En effet, pour l’exemple des périmètres de protection, la prise en compte de la vulnérabilité par définition manuelle butte sur la prise en compte de toute la diversité spatiale du milieu (sols, pente).
Bien que la connaissance approfondie des phénomènes hydrologiques nécessite forcément des observations et des mesures de terrain, la modélisation spatiale permet de mieux représenter l'impact de variables sur le fonctionnement du milieu et donc sur la vulnérabilité de la ressource. L’objectif est ici de tester de nouvelles méthodes de calcul avec un SIG et non de valider un modèle étant donné l’absence de mesures de terrain.
12.2.1.1 Phénomènes contrôlant la vulnérabilité d’une ressource en eau
Lorsqu’un polluant est déversé dans le milieu naturel, il peut soit s’écouler en surface soit s’infiltrer dans le milieu souterrain. En milieu souterrain, le polluant est soumis à des processus divers et complexes qui peuvent réduire sa quantité [Lallemand-Barres et Roux, 1989] :- filtration physique des molécules plus grosses que les vides entre les grains du sol, - biodégradation due à l’action de micro-organismes,
- adsorption sur les minéraux tels que l’argile, ce phénomène s'il réduit le caractère massif de la pollution entraîne cependant une pollution résiduelle pérenne.
Pour l’écoulement superficiel, ces phénomènes peuvent aussi intervenir mais ils sont beaucoup moins importants, ce qui explique que les pollutions transmises en surface soient plus massives mais également moins pérennes.
D’autres facteurs ne réduisent pas la quantité du polluant mais modifient ses impacts sur le milieu hydrologique :
- dilution du polluant dans l’eau du milieu naturel,
- temps de transfert jusqu’à la ressource en eau : plus il est faible, moins les mesures de dépollution ou de remplacement de ressource auront le temps d’être prises.
12.2.1.2 SIG et cartographie de la vulnérabilité
Des cartes de vulnérabilité des ressources en eau ont été réalisées à partir de SIG dans de nombreux pays depuis plusieurs années. Bien que certaines méthodes s’appuient sur une prise en compte de la variabilité spatiale des données, elles ne correspondent qu’à une superposition cartographique dont l’exploitation ne peut être que limitée : [Aller et al., 1985], [Peverieri et al., 1991], [Munoz et Langevin, 1991], [Barrocu et Biallo, 1993] et [Griner, 1993]. En effet, cette superposition se réduit à une analyse locale qui ne permet pas d’affecter à un point une valeur dépendant de son environnement géographique. Pour évaluer la vulnérabilité sur une base plus physique grâce à des lois déterministes, certains hydrogéologues ont employé des modèles hydrodynamiques [Lallemand-Barres et Roux, 1989]. Mais ces modèles sont trop exigeants en données pour pouvoir être utilisés largement.
L’objectif est ici plutôt, de définir des unités de fonctionnement sur un bassin versant afin de gérer l’espace en fonction de la sensibilité du milieu [Wasson et al., 1993].
Une première méthode qui s’appuie sur la détermination d’un temps de transfert calculé à l’aide de la loi de Darcy a été élaborée. Cette méthode est utilisée pour réaliser une carte de temps de transfert représentant la vulnérabilité. Aucune validation n'a pu être réalisée dans le cadre de cette thèse. Ce travail est donc actuellement uniquement prospectif, le but étant de montrer que les outils d'analyse spatiale d'un SIG peuvent prendre en charge des calculs de ce
12.2.1.3 Evaluation de la vulnérabilité par la loi de Darcy
Critère utilisé et domaine d’applicabilité de la méthode proposéeLes phénomènes d’adsorption, de filtration mécanique, de biodégradation et de dilution sont complexes et très variables dans l’espace, dans le temps et en fonction de la nature du polluant. La modélisation de ces phénomènes est impossible à l’échelle d’un bassin versant en l’absence d’une grande densité de mesures.
Le critère de vulnérabilité qui a été retenu est le temps de transfert entre le point de pollution et la ressource en eau [Laurent et al., 1995]. Le danger de pollution massive baisse quand le temps de transfert augmente [Barrocu et Biallo, 1993] pour deux raisons : dégradation et dilution du polluant et possibilité d'intervention humaine pour trouver une ressource de substitution ou pour traiter la pollution. Mais ce critère n'est pas adapté si on s'intéresse à un risque de pollution chronique et diffuse.
La carte de vulnérabilité résultante est donc une carte des temps de transfert jusqu’à la ressource en eau (rivière, lac, puits exploitant une nappe souterraine...).
Pour déterminer un temps de transfert, il est nécessaire de connaître la vitesse de transfert. Cette vitesse est contrôlée par des processus complexes qui sont principalement : la convection, la diffusion et la dispersion [de Marsily, 1981] :
- convection : déplacement d’un volume d’eau et de polluant sans modification de ce volume (pas de mélange avec l’environnement), les vitesses de déplacement sont données par la loi de Darcy,
- diffusion moléculaire : le mouvement thermique des particules mélange les molécules de polluant avec son environnement aquifère, le volume pollué augmente donc et la concentration se réduit,
- dispersion cinématique : l’irrégularité des chemins microscopiques de l’eau entre les grains du sous-sol entraîne une dispersion du polluant dans le milieu aquifère (augmentation du volume pollué).
Les deux derniers phénomènes, s’ils sont importants, tendent à retarder et à diluer le pic de concentration en polluant. La prise en compte du mécanisme d’écoulement convectif tend alors à surestimer les vitesses de transfert ce qui n’est pas réellement un handicap puisque cela se situe dans une situation pessimiste (plus forte concentration, temps de réaction moindre pour stopper le polluant ou trouver des ressources de substitution).