Détermination de la vitesse de transfert des nitrates en zone crayeuse sur deux bassins versants à enjeux : La Retourne (08) et la Superbe (51)

En Champagne-Ardenne, l’évolution de la qualité de l’eau de la nappe de la craie   constitue un enjeu majeur dans la mesure où cette eau est en grande partie utilisée pour l’alimentation en eau potable  . Les analyses régulièrement effectuées sur les eaux brutes (avant traitement éventuel) montrent parfois des teneurs en nitrates   supérieures aux normes en vigueur (50 mg/L). Cette situation est préoccupante sachant que les apports sont raisonnés depuis plusieurs années et que les mesures agroenvironnementales (MAE) se généralisent notamment dans l’aire d’alimentation des captages.

Partenaires
En 2006, la DREAL Champagne-Ardenne et le BRGM ont conduit une étude qui visait à déterminer les vitesses de circulation dans la zone non saturée   crayeuse et à estimer les stocks de nitrates   encore présents pour comprendre et prévoir l’évolution de la qualité de la nappe de la craie   (Rapport BRGM/RP-54985-FR).

Si la nappe de la craie   est souvent présentée comme un aquifère   simple et homogène, on s’aperçoit au contraire qu’elle présente une productivité qui varie largement en fonction de la topographie, du degré de fracturation et d’altération de la craie  . Ainsi la craie   de fond de vallée fissurée et perméable contraste avec la craie   compacte et peu perméable sous-jacente que l’on retrouve également sur les crêtes topographiques et les abrupts. Si l’on considère la position intermédiaire correspondant aux versants à pente douce, la craie   se caractérise par une perméabilité   qui diminue au fur et à mesure que l’on s’éloigne des axes de vallées ou de talwegs.

Cette grande variabilité des perméabilités induit des vitesses de circulation extrêmement différentes à l’intérieur de cet aquifère  . Schématiquement, on peut dire que deux types de circulation se surimposent : rapide au travers des fissures ou des fractures et lente au travers de la matrice crayeuse (flux par piston classiquement décrit).

La démarche méthodologique a conduit à sélectionner deux bassins versants tests (ROUXEL-DAVID E., BARAN N., 2004) sur la base de :

  • Leurs caractéristiques hydrogéologiques spécifiques ;
  • Leur superficie raisonnable pour travailler sur ce type de problématique ;
  • L’enjeu socio-économique important qu’ils représentent ;
  • L’existence d’une bibliographie d’ordre scientifique ou générale relativement abondante.

Il s’agit du bassin versant   de la Retourne situé dans le sud du département des Ardennes et des bassins versants de la Maurienne et de la Superbe situés dans le sud du département de la Marne  .

Carte de localisation des bassins versants de la Retourne, de la Maurienne et de la Superbe (BRGM) -  voir en grand cette image"
Carte de localisation des bassins versants de la Retourne, de la Maurienne et de la Superbe (BRGM)

En partenariat avec les chambres d’agriculture des Ardennes et de la Marne  , quatre parcelles agricoles (2 par bassin versant  ) ont été choisies selon les critères suivants :

  • contextes hydrauliques a priori fortement distincts ;
  • existence d’un historique des pratiques culturales détaillé le plus long possible ;
  • accord des propriétaires et exploitants concernés.

Sur chaque parcelle, un forage   a été réalisé à la tarière (4 au total). Les solides de la zone non saturée   ont été récupérés par horizon de 50 centimètres d’épaisseur jusqu’à la nappe (conditionnement pour dosage des nitrates  , de la teneur en eau et du carbone organique ainsi que du tritium). Les forages ont été équipés en piézomètres afin de permettre le suivi quantitatif et qualitatif des eaux souterraines   pendant la période septembre 2005-août 2006. La sélection des autres ouvrages de suivi s’est fait notamment en fonction de leurs positions hydrogéologiques (amont/aval du bassin), topographiques (plateau/versant/thalweg) et de l’occupation du sol (zones non cultivées/zones de grandes cultures/vignobles/corps de ferme).

Les profils de nitrates   et de tritium ont permis d’estimer les vitesses de transfert de l’eau et des solutés dans la zone non saturée   crayeuse et de caractériser le stock et l’évolution des nitrates   dans la zone non saturée   :

  • vitesse moyenne d’infiltration   des nitrates   au sein de la zone non saturée   de la craie   est de l’ordre de 0.3 à 0.6 m par an.
  • Le stock cumulé de nitrates   entre 0 à 4.5 m de profondeur sur les parcelles étudiées en mg N-NO3 /kg /ha est de l’ordre de 430 à 670.
  • Le stock sur toute la hauteur du profil en mg N-NO3/kg /ha est compris entre 430 et 3250.
  • Soit une quantité moyenne d’azote en mg de N-NO3/kg / ha et par mètre de craie   (estimée pour chaque profil comme étant le ratio entre le stock de d’azote et la profondeur totale) est comprise entre 87 et 96.
  • En termes de prévision de l’évolution de la qualité de l’eau, considérant que l’eau et les solutés associés s’infiltrent majoritairement sous l’effet de la convection-dispersion, les secteurs ayant une zone non saturée   épaisse (> 15-25 m) ne devraient pas présenter, à ce jour, de contamination de la nappe par les nitrates  . Toutefois, la détérioration de la qualité de la nappe interviendra d’ici un nombre d’années dépendant de l’épaisseur de la zone non saturée  . Pour les secteurs ayant une zone non saturée   moindre, l’évolution de la qualité sera sans doute variable d’un point à un autre en fonction des historiques culturaux ayant conduit à la constitution de stocks de nitrates   plus ou moins importants dans la zone non saturée  .

La connaissance des modes de transfert des nitrates   ainsi que de leur vitesse de migration est un atout en termes de gestion de la ressource pour raisonner par exemple l’implantation de forages pour l’alimentation en eau potable   ou encore prévoir les effets attendus sur la qualité de l’eau lors de la mise en place de solutions correctives.

Bibliographie :

  • ROUXEL-DAVID E., BARAN N. (2004) – Détermination de la vitesse de transfert des nitrates dans la zone non saturée crayeuse. Phase 1 : identification des différents contextes hydrogéologiques. Rapport BRGM RP-53357-FR.
  • BARAN N., CHABART M., en collaboration avec BRAIBANT G., JOUBLIN F., PANNET P., PERCEVAL W., SCHMIDT C. (2006) - Détermination de la vitesse de transfert des nitrates en zone crayeuse sur 2 bassins versants à enjeux : La Retourne (08) et la Superbe (51). Rapport final BRGM/RP-54985-FR. 108 pages, 42 figures, 5 tableaux, 4 annexes.

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