Influence de la nature et de l’état d’humidité des sols sur le transfert de polluants
Le modèle proposé s’applique à un écoulement par ruissellement et à un écoulement en milieu poreux. L’écoulement en milieu fissuré requiert une étude fine des structures (karsts dans du calcaire, basalte diaclasé, failles ouvertes dans toute roche compacte) et le recours à des modèles aux éléments finis est indispensable pour la détermination des temps de transfert dans ce type de milieu.
L’écoulement souterrain et l’écoulement superficiel peuvent se produire simultanément en différents lieux sur un même bassin versant ou alternativement en un même point selon l’état d’humidité du sol.
- Ruissellement
Le ruissellement (cf. Figure 47 : type Qa) est contrôlé par plusieurs paramètres dont les principaux sont : la perméabilité du sol (les argiles comme les roches consolidées non altérées ont une trop faible perméabilité pour permettre l’infiltration), la situation topographique (le ruissellement est favorisé par la convergence d’écoulements et la faible pente) et le contexte météorologique (ruissellement favorisé lors d’une forte pluviométrie sur sols humides). Lorsque le sol est moins humide, il peut y avoir stockage de la pollution pendant plusieurs jours voire plusieurs mois puis lessivage lors d’un épisode pluvieux conséquent (phénomène fréquemment observé avec les nitrates). Dans ce cas, la pollution est retardée ce qui réduit la gravité de la situation en permettant d’intervenir pour traiter la pollution si possible ou de trouver une ressource de remplacement. Il est ainsi plus prudent de se placer dans une situation météorologique humide.
- Ecoulement au travers d'une nappe permanente
Lorsque le sol est suffisamment perméable et non saturé, le polluant peut s’infiltrer, migrer verticalement dans le sol jusqu’à rejoindre une nappe souterraine permanente, le mouvement devient alors latéral (cf. Figure 47 : type Qc). Ce type d’écoulement se produit dans des formations géologiques perméables : sédiments sableux ou graveleux non consolidés (alluvions par exemple).
- Ecoulement souterrain temporaire de faible profondeur
Il existe fréquemment des discontinuités horizontales à l’intérieur du sol. Ces discontinuités génèrent des variations importantes de perméabilité. Une grande partie de l’écoulement vertical peut alors être « stoppé » s’il rencontre un horizon de moindre perméabilité et migrer alors latéralement au sein d’une nappe temporaire (cf. Figure 47 : type Qb). Ce cas est très fréquent [Pilgrim et Cordery, 1992] dans :
- des altérites sur substratum imperméable : arènes sur granite, sur schiste...
- un profil de lessivage à partir d’une roche argilo-sableuse : migration des argiles en profondeur (0,3 à 1 m) et enrichissement relatif en sables en surface.
Ce phénomène est accru par l'accroissement de la perméabilité et de la porosité dans les premiers décimètres du sol du fait de l’activité des organismes vivants ou du travail des hommes sur les terres labourées. Brakensiek et al. (1988) ont observé un accroissement des porosités efficaces de 10 à 20% après labour. Skaggs et Khaleel ont relevé des vitesses d’infiltration deux fois plus élevées en prairie que sur sol nu et encroûté [Skaggs et Khaleel, 1982].
P Qa Qb Qc Rivière nappe aquifère sol zone non-saturée P : point de pollution
Qa : transfert par ruissellement
Qb : transfert souterrain temporaire de faible profondeur Qc : transfert au travers d’une nappe d’eau permanente
Figure 47 : Les trois grands types d’écoulement sur un versant Evaluation des vitesses de transfert en fonction du type d’écoulement - Ruissellement :
Le temps de transfert avec un ruissellement peut être supposé instantané à l’échelle de temps qui nous intéresse (le jour) étant donné l’ordre des vitesses d’écoulement superficiel.
- Transferts souterrains :
La vitesse de cheminement effective up (en m.s-1) d'une molécule d'eau ou de polluant en
milieu poreux est estimée à partir de la loi de Darcy :
up K i
eff
= *
ω (1)
avec : K perméabilité de l'aquifère en m.s-1
i gradient de charge hydraulique (sans dimension)
ωeff porosité efficace (sans dimension) qui diffère de la porosité totale par le fait
qu'elle néglige l'eau liée aux grains
Il est nécessaire d’introduire une étape supplémentaire pour le type d'écoulement au travers d’une nappe permanente car avant de rejoindre la nappe permanente, la migration est verticale dans la zone non-saturée qui peut présenter une porosité efficace et une perméabilité différentes de celles de la nappe.
Nous avons donc pour ce type d’écoulement :
upA KA
effA
=
ω (2)
avec : KA perméabilité de la zone non saturée
ωeffA porosité effective de la zone non saturée
. une seconde étape de migration avec une vitesse upB contrôlée par l’équation (1) avec
des valeurs de paramètres correspondant à la nappe permanente
Evaluation de la perméabilité à partir de la carte géologique ou pédologique
Pour déterminer les temps de transfert d’une pollution, il faut posséder une information détaillée sur les propriétés de l’aquifère, telles que la variabilité spatiale de la perméabilité. Toutefois, les cartes des perméabilités du sol sont rarissimes. La carte géologique de France du BRGM est utilisée afin d’évaluer la perméabilité à partir de la texture des roches.
La texture du matériau détermine sa perméabilité, il est donc possible d’établir une relation entre le paramètre texture du sol et sa perméabilité [Saxton et al., 1986] et [Rawls et Brakensiek, 1983 et 1985]. Cependant, cette texture est elle-même peu précise dans les cartes car rarement quantifiée en termes de pourcentage granulométrique, on dispose le plus souvent d’une terminologie générale telle que « sables argileux », « limons sableux »... ce qui entraîne une gamme de perméabilités possibles. Si une texture correspond à un intervalle de valeurs de perméabilité, la valeur la plus forte est retenue puisqu’elle correspond à la situation la plus défavorable (vitesse proportionnelle à la perméabilité).