Vulnérabilité intrinsèque simplifiée et Indice de persistance des réseaux (IDPR)

De nombreuses méthodes de détermination de la vulnérabilité des eaux souterraines   ont été développées dans le monde, allant des plus complexes avec des modèles prenant en compte les processus physiques, chimiques et biologiques dans la zone noyée, à des méthodes de pondération entre différents critères affectant la vulnérabilité.

L’étude menée par le BRGM en partenariat avec le Ministère de l’Ecologie et l’Agence de l’Eau Seine-Normandie en 2005 (rapport BRGM/RP-54148-FR) avait pour objectif la réalisation d’une carte de vulnérabilité simplifiée des eaux souterraines   du bassin Seine-Normandie à l’échelle 1/100 000 permettant d’évaluer globalement le risque de migration de polluants à partir de n’importe quel point de pression.

La vulnérabilité des eaux souterraines   a été définie sur la totalité du bassin Seine-Normandie et des différentes masses d’eau souterraines situées dans son emprise. L’analyse menée en 2005 par le BRGM en partenariat avec l’Agence de l’Eau Seine-Normandie est issue d’une méthodologie novatrice dite « approche indirecte », désignée sous le terme d’IDPR (indice de développement et de persistance des réseaux) développée par le BRGM.

Sommaire de l’article :

  1. Notions de base (dont IDPR)
  2. Méthode d’analyse simplifiée de la vulnérabilité des eaux et carte
  3. Interprétation des résultats
  4. Précision et validation des résultats
  5. Données associées

Notions de base (dont IDPR)

Le risque de pollution résulte du croisement d’un ou plusieurs aléas et d’un ou de plusieurs enjeux :
R(isque) = A(léa) x E(njeux)
Un aléa suppose une approche probabiliste ; il s’agit de l’application d’un stress, (action polluante par exemple) sur un point, un axe ou un espace plus ou moins vulnérable du milieu naturel au regard des eaux souterraines  .
Les enjeux représentent la cible qui ne doit pas être atteinte par les effets du stress sur le milieu naturel.
La vulnérabilité est représentée par la capacité donnée à l’eau située en surface de rejoindre le milieu souterrain saturé en eau. La notion de vulnérabilité repose sur l’idée que le milieu physique en relation avec la nappe d’eau souterraine procure un degré plus ou moins élevé de protection vis-à-vis des pollutions suivant les caractéristiques de ce milieu. Dans la littérature, on distingue deux types de vulnérabilité ; la vulnérabilité intrinsèque et la vulnérabilité spécifique (Schnebelen et al., 2002) :

  • la vulnérabilité intrinsèque est le terme utilisé pour représenter les caractéristiques du milieu naturel qui déterminent la sensibilité des eaux souterraines   à la pollution par les activités humaines ;
  • la vulnérabilité spécifique est le terme utilisé pour définir la vulnérabilité d’une eau souterraine à un polluant particulier ou à un groupe de polluants. Elle prend en compte les propriétés des polluants et leurs relations avec les divers composants de la vulnérabilité intrinsèque.

La distinction des deux types de vulnérabilité est nécessaire car, d’une façon générale, elles ne se placent pas sur la même échelle d’investigation : la vulnérabilité intrinsèque peut être considérée comme invariante dans le temps (échelle de travail) alors que la vulnérabilité spécifique (directement liée aux polluants éventuels) est évolutive et ne caractérise qu’un instant précis.

La zone non saturée   (ZNS) est la zone du sous-sol comprise entre la surface du sol et la surface d’une nappe d’eau souterraine libre. A cet endroit, la quantité d’eau gravitaire est temporaire, en transit. Le transfert des polluants dans le sol s’effectue d’abord à travers la zone non saturée   (ZNS) avant d’atteindre la zone saturée (nappe).

L’Indice de Persistance des Réseaux (IDPR) : l’idée qui sous-tend l’IDPR découle de l’observation suivante : l’organisation du réseau hydrographique   est dépendante des formations géologiques qui le supportent. Dans l’hypothèse d’un milieu parfaitement homogène, seule la pente et la morphologie des reliefs guident la mise en place des cours d’eau. Or dans le milieu naturel, les structures géologiques et la composition lithologique du sous-sol ont une influence significative sur l’établissement des réseaux hydrographiques. En effet, la nature des surfaces des bassins a un rôle primordial sur le comportement hydrologique de ceux-ci. Les paramètres qui interviennent sont la lithologie, la pédologie et la couverture végétale. Ces paramètres influencent grandement la perméabilité   et la rugosité de la surface, qui conditionnent à leur tour la vitesse du ruissellement et le rapport de l’écoulement sur l’infiltration  , appelé aussi coefficient d’écoulement. La densité de drainage est donc un indicateur révélateur des propriétés des formations géologiques. Un bassin formé de matériaux très perméables aura en général une densité de drainage faible. A l’inverse, un bassin formé de roches imperméables mais meubles et érodables, comme des marnes ou des argiles, va souvent présenter une densité de drainage élevée. L’IDPR devient ainsi le moyen de quantifier ce rôle en comparant un réseau théorique établi selon l’hypothèse d’un milieu parfaitement homogène (indice de développement ID) au réseau naturel mis en place sous le contrôle d’un contexte géologique hétérogène (de persistance des réseaux PR). L’indice de développement et de persistance des réseaux présente une métrologie de l’écart constaté entre les deux réseaux.

Méthode d’analyse simplifiée de la vulnérabilité des eaux et carte

Parmi les méthodes de détermination de la vulnérabilité des eaux souterraines, les méthodes dites « de cartographie à index avec pondération des critères » apparaissent les plus pertinentes vis à vis des réalités de terrain et sont également les plus reconnues et utilisées actuellement (Gogu et Dassargues ,2000 ; Vrba et Zaporozec, 1994). La majorité de ces méthodes exploite un critère relatif à la morphologie du territoire étudié :

  • soit la pente prise en compte directement au travers de sa valeur absolue ;
  • soit la pente par un facteur indirect, reprenant la densité de drainage des réseaux hydrologiques de surface.

Au-delà du facteur pente, la nature des couvertures en place au-dessus des aquifères (leur capacité à laisser transiter les polluants) et l’épaisseur des terrains non saturés sont les critères prépondérants utilisés par différentes méthodes d’analyse de vulnérabilité.

Compte-tenu de ces méthodologies et des retours d’expérience qui leurs sont associés, la carte de vulnérabilité simplifiée des eaux souterraines   du bassin Seine-Normandie s’est basée sur la combinaison de deux critères :

  • L’épaisseur de la zone non saturée   (ZNS)  : déduite de l’approche régionale des niveaux d’eau souterraine comparée au modèle numérique de terrain au pas de 50 m.
  • L’indice de développement et de persistance des réseaux (IDPR) qui tend à unifier et simplifier l’approche géomorphologique relative à la nature des formations de couverture des premières nappes rencontrées. Il permet une analyse régionale simplifiée de la vulnérabilité des eaux qui en l’absence de données précise du milieu saturé, s’applique aux nappes dites phréatiques.

La carte réalisée correspond à une combinaison 50/50 des critères ZNS et IDPR, à laquelle s’ajoute :

  • un seuil, lorsque la ZNS est inférieure à 3 m, pour lequel la vulnérabilité intrinsèque est classée très forte
  • le recensement de cavités, gouffres, dolines (exprimé par une densité de cavités au km2)
Cartographie de la vulnérabilité intrinsèque simplifiée des eaux souterraines du bassin Seine-Normandie (BRGM) -  voir en grand cette image"
Cartographie de la vulnérabilité intrinsèque simplifiée des eaux souterraines du bassin Seine-Normandie (BRGM)

L’analyse combinatoire des données géographiques a été menée au moyen du logiciel de traitement cartographique ArcGis© et s’apparente à une méthodologie de cartographie à index.

Interprétation des résultats

L’IDPR permet de rendre compte indirectement de la capacité intrinsèque du sol à laisser infiltrer ou ruisseler les eaux de surface. A l’échelle du Bassin de Seine-Normandie, la cartographie de cet indice est conforme au comportement attendu des grandes régions géologiques avec une répartition qui souligne la disposition à l’infiltration   des terrains naturels.

Ainsi le contraste observé entre les domaines post-orogéniques et les formations du socle est nettement redevable au critère IDPR. Ce contraste marqué, qui place le domaine sédimentaire comme majoritairement plus infiltrant que le domaine du socle est conforme à la connaissance régionale des experts.

La transition de l’IDPR vers la notion de vulnérabilité se fait avec l’exploitation du critère lié à l’épaisseur de la ZNS. Ce critère permet de hiérarchiser la cible eau souterraine selon la distance à parcourir depuis la surface des terrains naturels jusqu’au milieu saturé. Ainsi la vulnérabilité des eaux souterraines   est plus importante dans les vallées (par la faible épaisseur de la zone non saturée  ). Plus généralement, dans le domaine sédimentaire, le critère lié à l’épaisseur de la zone non saturée   conditionne, à part égale avec l’IDPR, l’indice de vulnérabilité des eaux souterraines  .

Précision et validation des résultats

La limite d’interprétation et d’exploitation de la carte de vulnérabilité simplifiée est fixée par la méthode d’élaboration des données qui la composent. Par construction, on peut considérer une échelle minimum de 1/100 000. Celle-ci est directement due aux échelles de validité des données cartographiques exploitées (MNT, BD Carthage). Localement, la précision des unités fonctionnelles qui sont déduites d’éléments issus de la carte géologique au 1/50000, induit une restitution cartographique qui semble de précision plus fine que celle citée précédemment. Seul l’avis des hydrogéologues régionaux permettra de trancher localement sur la pertinence d’une exploitation à plus grande échelle de ce document.

La validation de la méthode IDPR/ZNS a été effectuée en comparant la carte de vulnérabilité simplifiée du bassin Seine Normandie et des exemples de cartes de vulnérabilité régionales. Quatre zones de contrôle des résultats ont été retenues :

  • Carte de vulnérabilité des nappes d’eau en Ile-de-France (source   : IAURIF) ;
  • Carte de vulnérabilité des Yvelines (source   : BRGM : 81 SGN 348 IDF) ;
  • Carte de vulnérabilité de la craie   champenoise (méthode élaborée par J. Ricour) ;
  • Carte de vulnérabilité en Bourgogne (méthode élaborée en Bourgogne pour les phytosanitaires).

Les objets analysés à titre de comparaison (nappes exploitées pour l’AEP et qui ne correspondent pas toujours aux premières nappes rencontrées - cas des cartes IDF et Yvelines), le caractère spécifique ou intrinsèque de la vulnérabilité (cas des cartes Champagne-Ardenne et Bourgogne) limitent la portée de telles comparaisons. Cependant, aux dires des experts consultés lors des comités de pilotage qui ont guidé cette étude, les convergences sont significatives et la carte à l’échelle du bassin n’a pas été remise en cause par les résultats des approches régionales antérieures.

Données associées

Carte de vulnérabilité intrinsèque simplifiée - 2005

Epaisseur de la Zone Non Saturée   (ZNS) - 2005

Indice de Persistance des Réseaux (IDPR) - 2007

Bibliographie
La bibliographie spécifique sur la vulnérabilité est consultable sur l’espace Bibliographie du SIGES.

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