H) II.4.1 Cas général
II.6 Autres marqueurs des pluies .1 Eléments dissous
II.7.3 Influence théorique de l’évapotranspiration sur la composition isotopique de l’eau s’infiltrant
Le signal isotopique du flux d’entrée des aquifères est fortement dépendant des apports atmosphériques. Les quantités de pluie pouvant s’infiltrer pour constituer la réserve utile du sol sont indissociables de l’influence de l’évaporation en surface. La démarche entreprise ici ne vise pas à refléter les bilans de masse entre les différents phénomènes (évaporation, ruissellement), mais plutôt à cerner les éventuelles modifications, par effet d’évapotranspiration, des compositions isotopiques des eaux en entrée d’aquifère.
Comme les jours de pluie sont moins fréquents que les jours secs en climat tempéré, on peut soit considérer uniquement les évaporations se déroulant les jours de précipitations, soit aborder ces phénomènes à l’échelle mensuelle, sous forme d’un bilan pluie moins ETP. Ces deux approches vont être évoquées, ainsi que les conséquences sur les valeurs isotopiques. La seule station pour laquelle les enregistrements s’étendent sur une durée suffisante est St-Just-St-Rambert. Par ailleurs, il a été observé d’après les quantités annuelles de précipitations que le nombre de jours pluvieux varie fortement selon les années (Tab. 12). Pour calculer un effet maximal de l’évapotranspiration sur les signatures isotopiques, les valeurs de l’ETP (et non de l’ETR) sont utilisées. En conséquence, les quantités d’eau disponibles à l’infiltration sont soit minimisées si l’on considère que toute l’eau échappant à l’évapotranspiration percole vers un aquifère, soit surestimées dans le cas d’une perte supplémentaire par reprise racinaire. année nombre de jours de pluie pluviométrie St-Just-St-R. (RR en mm) nombre de jours où RR–ETP>0* ETP* (mm/an) ETP* RR– (mm/an) RR–
ETP* jours où RR–nombre de ETP>0a ETPa (mm/an) ETPRR–a (mm/an) RR– ETPa 2001 77 861,85 65 781,37 80,48 733,13 68 590,48 271,37 756,33 2002 91 993,23 79 778,91 214,32 841,5 84 597,73 395,5 844,02 2003 68 556,24 44 904,32 -348,08 452,76 48 632,75 -76,51 465,91 ←--- Hargreaves ---→ ←--- Thornwaite ---→
Tab. 12 : bilan annuel de pluviométrie et d’ETP à St-Just-St-Rambert ; RR – ETP représente la quantité potentiellement disponible pour l’infiltration; * : ETP de Hargreaves calculée à Tarentaise ; a : ETP de Thornthwaite calculée à St-Just-St-Rambert ; les colonnes en grisé correspondent aux bilans en considérant les
seules ETP lors des jours de pluie (voir texte pour explications).
Les énormes quantités RR – ETP figurées en grisé (Tab. 12, ETP calculée seulement les jours de pluie) impliqueraient une saturation permanente en eau des sols, ce qui n’est pas le cas. A l’opposé, l’utilisation des ETP journalières donne des ordres de grandeur plus raisonnables. Pour Tarentaise, les recharges ainsi déterminées sont de l’ordre de 80mm en année normale (2001) et de 200mm en année pluvieuse (2002). En 2003, la recharge paraît fortement compromise (-350mm).
Pour comparer les quantités disponibles à celles mesurées aux émergences des sources, on peut établir un bilan des flux pour le bassin versant du Furan. En entrée sont utilisés les volumes annuels de pluie à Rochetaillée et Tarentaise, en sortie les débits des ruisseaux drainant le bassin amont. En année normale les nappes délivrent un débit continu : les sources pérennes échantillonnées dans le bassin versant entre 2000 et 2003 n’ont connu le tarissement qu’en 2003. La partie amont de ce bassin est drainée vers un barrage dont les flux entrants
sont évalués par l’exploitant (Stéphanoise des Eaux). Pour 2002 par exemple, un apport annuel total de 10,3
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106 m3 est estimé, pour 3110 ha de surface drainée, ce qui donne une quantité de 3310 m3/ha/an. Les hauteurs de précipitations mesurées vont de 9930 m3/ha/an pour St-Just-St-Rambert à 13910 m3/ha/an pour Tarentaise. Un facteur de 3 à 4,2 existe donc entre quantité précipitée et quantité déterminée au barrage, qui résulte des écoulements directs après la pluie et des relargages des nappes. Ce facteur constitue la limite supérieure reconnue pour la quantité de précipitations atteignant la nappe phréatique (5 à 25% ; Clark et Fritz, 1997). En première approche, on peut attribuer cette différence entre entrée (pluie) et sortie (sources, écoulements) du système à une consommation par évapotranspiration, par les plantes, par infiltration profonde (failles) et en moindre mesure par les activités anthropiques, ici limitées (bassin peu peuplé à agriculture extensive limitée).En se référant au tableau 12, il apparaît une infiltration potentielle d’environ 20% en retenant un calcul à pas de temps journalier, alors que le calcul pour les seuls jours de pluie conduit à une fraction disponible d’environ 80%. Cet énorme pourcentage n’est pas raisonnable dans une optique d’évaluation réaliste des flux dans le bassin. Cependant l’objectif poursuivi est bien d’obtenir la plus forte modification possible du signal isotopique. Il faut donc employer la méthode qui permet d’exagérer les flux. Aussi a-t-on délibérément choisi l’ETP de Heargreaves, calculée seulement les jours de pluie, pour obtenir des modifications de composition isotopique sur un volume plus important.
Dans cette optique, les rapports isotopiques mensuels en oxygène et hydrogène des pluies ont été recalculés en utilisant une pondération non basée sur les volumes résiduels (RR – ETP). Dès lors, les évènements les plus réduits n’apportent plus leur contribution à la signature mensuelle, une gamme de 66 à 90% de pluies constatées étant alors susceptibles de s’infiltrer. Les compositions isotopiques mensuelles sont alors sensiblement modifiées pour les mois les plus sujets à forte évapotranspiration, c’est à dire ceux s’étendant de février à octobre, avec un pic d’avril à juillet (Fig. 19).
Il est à noter qu’une approche par distillation de Rayleigh ne peut pas être utilisée dans notre cas car elle nécessite l’existence d’une surface d’eau libre.
Fig. 19 : modification du signal isotopique en oxygène (δ18O) et hydrogène (δD) après prise en compte de l’effet quantitatif de l’évapotranspiration ; les losanges figurent les pluies brutes, les carrés se rapportent aux seules pluies efficaces (quantité de pluie diminuée de la perte par évaporation) ; pas d’événement en décembre 2001.