Exemple du bassin versant du ru des Roises Fonctionnement hydrologique d’une zone humide : conséquences sur son potentiel épurateur. 6 mois de stage Unité drainage et étanchéité Collaboration UMR Environnement et grandes cultures de l’INRA et L’INA PG Ru des Roises situé dans le sud de la région Champagne Exemple du bassin versant du ru des Roises

Contexte et objectifs du travail Les fonctions environnementales d’une zone humide Dénitrification et fonctionnement hydrologique En milieu anaérobie, réduction des nitrates en azote N2, oxydation de la matière organique. Efficacité d’une zone humide comme zone tampon Quelle part de l’eau du bassin versant passe dans la zone concernée par la dénitrification ? Quel est le temps de séjour moyen de l’eau dans cette zone ? Les 3 fonctions environnementales En particulier dénitr montrée dans certaine zh Utile dans zone agricole ou nappe polluée Dans notre zh, conditions biochimiques sont réunies pour que se produise une dénitrification, on s’intéresse aux conditions hydrologiques qui contrôlent l’efficacité de cette dénitr DEA HHGG 27-09-02

Plan de l’exposé I - La zone humide d’étude II - Démarche d’étude III - Partition de l’eau au sein de la zone humide IV - Évaluation du temps de résidence de l’eau DEA HHGG 27-09-02

I- La zone humide d’étude

Le bassin versant du ru temporaire des Roises Culture et forêt sur craie blanche du Sénonien. Tourbes en zone humide. 33 piézomètres, un pluviomètre, mesures de débit, 3 essais de pompage. Limite BV 1268 ha Zone humide, 3.2 ha Craie fissurée, présence d’une nappe Dire pourquoi il est temporaire et les années des mesures Transition = la zone humide est composée de tourbes DEA HHGG 27-09-02

Alluvions et colluvions crayeuses Le ru des Roises dans la zone humide en « basses eaux » (septembre-octobre) 100 m Ru à sec 2 m Tourbe Alluvions et colluvions crayeuses Tourbe imperméable Niveau de la nappe de la craie Présenter les couches, mise en évidence par observations sur le terrain et mesures expérimentales de l’imperméable L’analyse des données expérimentales nous a permis de mettre en évidence le caractère saisonnier du fonctionnement DEA HHGG 27-09-02

Le ru des Roises dans la zone humide : « hautes eaux » (avril) Niveau de la nappe de la craie Niveau de la nappe de la tourbe 2 m Coupe transversale de la zone humide, hétérogénéité des matériaux et de leurs perméabilités Exfiltrations d’eau dans les tourbes DEA HHGG 27-09-02

Le ru des Roises dans la zone humide : « drainage des tourbes » (juillet) Niveau de la nappe de la craie 2 m Niveau de la nappe de la tourbe Coupe transversale de la zone humide, hétérogénéité des matériaux et de leurs perméabilités DEA HHGG 27-09-02

II – Démarche suivie pour estimer la part de l’eau passant par les tourbes Idée : Faire un bilan d’eau dans la zone, le comparer à la quantité d’eau transitant dans le bassin versant.

Quels flux d’entrée de la zone humide? # t M a r e Z H 1 2 C T Piézomètres Profils modélisés Pont = exutoire du bassin versant Limites de la zone de tourbes 100 m Flux transversal T Flux longitudinal L Flux L en coupe craie Présenter la zh!! Limite des tourbes DEA HHGG 27-09-02

Quels flux d’entrée de la zone humide? Flux transversal T # t M a r e Z H 1 2 C T Piézomètres Profils modélisés Pont = exutoire du bassin versant Limites de la zone de tourbes Flux longitudinal L Flux T en coupe tourbe craie Flux L en coupe craie Flux transversal T tourbe craie Flux longitudinal Flux transversal craie ru Entrée du bassin versant = pluies efficaces DEA HHGG 27-09-02

Comment déterminer ces flux? modélisation à l’échelle du bassin versant (logiciel Modflow, écoulement souterrain saturé) Flux L arrivant en amont de la zone humide Flux T de la nappe de la craie vers la zone humide modélisation complémentaire à l’échelle d’un profil de la zone humide (Hydrus 2D, prise en compte zone non saturée ) Flux T : distinction flux tourbe/craie Bien préciser hydrus 2D équation de Richards utilisé en vertical et transversal de la zh. Les deux modélisations proposées s’appuient sur les données hydrométriques de terrain (niveau des nappes et débit du ru). DEA HHGG 27-09-02

III - Partition de l’eau au sein de la zone humide 2 flux à déterminer : Flux longitudinal L, Flux transversal T.

Flux L : modélisation à l’aide du logiciel Modflow Hypothèses de fonctionnement Bassin hydrogéologique avec ru = bassin topographique, ru=charge imposée. Régime des hautes eaux = pseudo permanent. Craie imperméable à 70m NGF. Entrée du modèle Régime permanent : recharge avec bilan climatique et débit du ru. Calage perméabilité 98/99, validation 92/93, 93/94, 97/98, 99/00. Régime transitoire : réserve utile du sol de 100 mm. Calage porosité de drainage 98/99, validation 93/94. DEA HHGG 27-09-02

Flux L : résultats de la modélisation avec Modflow Perméabilité de 2.10-3 m/s Perméabilité de 6.10-4 m/s Perméabilité de 2.10-5 m/s Calage période 98/99 Validation période 93/94 Sens des écoulements, perméabilité liée à la topographie, montrer ce que signifie eau qui entre dans le ru en amont de la zone DEA HHGG 27-09-02

Flux L : résultats de la modélisation avec Modflow Perméabilité de 2.10-3 m/s Perméabilité de 6.10-4 m/s Perméabilité de 2.10-5 m/s Flux L = 50 à 70 % des pluies efficaces Flux L Flux T Le flux T est composé d’eau provenant essentiellement des zones agricoles (riche en nitrate) Sens des écoulements, perméabilité liée à la topographie, montrer ce que signifie eau qui entre dans le ru en amont de la zone Les flux d’eau sont connus en tous points en 93/94 et 98/99 DEA HHGG 27-09-02

Flux transversal T Flux T total craie ru tourbe nappe de la craie Pour distinguer les flux de la craie et de la tourbe utilisation d’Hydrus 2D Flux T total Flux T total en amont des profils étudiés obtenu avec Modflow 2 périodes étudiées : hautes eaux (mars-avril) et période de drainage des tourbes (juillet) en régime permanent en 1994. Quels paramètres hydrodynamiques ? Quelles conditions aux limites ? DEA HHGG 27-09-02

Flux T : perméabilité de la tourbe et de la craie Perméabilité de la craie obtenue par Modflow : 2.10-3 m/s Mesure de perméabilités à saturation de la tourbe 12 échantillons non remaniés prélevés à différentes profondeurs perméamètre à charge constante Perméabilité entre 4.10-4 et 10-6 m/s suivant la profondeur 3 échantillons considérés comme imperméables Courbe reliant teneur en eau et pression pour 4 échantillons Les échantillons imperméables sont une vérification de la présence de la couche imperméable DEA HHGG 27-09-02

Flux T : système modélisé et conditions aux limites Ru = charge imposée aval Surface de suintement Flux obtenu par Modflow = flux imposé tourbe craie Couche imperméable Présence possible d’imperméable Flux imposé pour le profil aval Parler des conditions aux limites simples, puis de la présence de l’imperméable : En amont on a testé les 2 géométries, les résultats sont sensiblement identiques. La présence de l’imperméable sous le ru est déterminante : pour le profil aval, le fond du ru est constitué de tourbe et d’une couche imperméable, on a du prendre en compte un flux imposé à droite (lié à l’écoulement hydrogéologique). Ce profil est dans l’axe du ru, on ne peut donc pas considérer un plan de flux nul. Les conditions aux limites dépendent de la période choisie. Les hauteurs d’eau simulées sont comparées aux données piézométriques. DEA HHGG 27-09-02

Flux passant par les tourbes : résultats en « hautes eaux » (avril) 100 m Piézomètres C 1 # Z H 2 M a r e t T Profils modélisés Limites de la zone de tourbes Flux T Profil amont : 50 % de l’eau passe par la tourbe Flux L: 50 à 70 % des pluies efficaces Flux T en coupe Flux T Profil aval : 70 % de l’eau passe par la tourbe Part de l’eau qui passe dans la tourbe : entre 15 et 35 % de l’eau du bassin versant DEA HHGG 27-09-02

Période de « drainage des tourbes » (juillet) 100 m Z Z H H 1 1 2 2 # C C 1 1 Flux T Z Z H H 1 1 Limites de la zone de tourbes # # # # # # # # # # # # # # # # # # # M M a a r r e e # # Piézomètres Profils modélisés # # Flux L: 50 à 70 % des pluies efficaces # # # # # # # # # # # # # # # # Flux T en coupe Profil amont : 1.5 % de l’eau passe par la tourbe # # # # # # t # # # # # # Faire transition : on obtient une estimation de la part de l’eau, sur 2 profils représentant la zone humide= ordre de grandeur pour toute la zone # # Z Z H H 1 1 # # Flux T Z Z H H 1 1 T T # # Profil aval : 40 % de l’eau passe par la tourbe Part de l’eau qui passe dans la tourbe : entre 0.5 et 20 % de l’eau du bassin versant DEA HHGG 27-09-02

IV – Évaluation du temps de résidence de l’eau dans la tourbe

Méthode proposée pour calculer le temps de séjour Utilisation de la modélisation à l’échelle d’un profil de la zone humide, 2 méthodes de calcul : Évaluation du champs de vitesse de l’eau dans les tourbes Évaluation du stock d’eau contenu dans les tourbes Ne pas dire formule mais plutôt relation DEA HHGG 27-09-02

Évaluation du temps de résidence Piézomètres C 1 # Z H 2 M a r e t T Profils modélisés Limites de la zone de tourbes Hautes eaux : 7 jours Drainage des tourbes : 600 jours (incompatible avec durée de cette période) Hautes eaux : 10 à 22 jours Drainage des tourbes : 1 000 jours (incompatible avec durée de cette période) Longueur de tourbe : 60 m Longueur de tourbe : 80 m DEA HHGG 27-09-02

Conclusion

Principaux résultats En « hautes eaux », conditions hydrologiques favorables (mais temps de séjour suffisant?) En période de « drainage des tourbes », faible part de l’eau du bassin versant concernée L’eau qui passe dans les tourbes provient des zones cultivées (dilution de l’eau du ru par les eaux venant de la forêt) Apport de l’hydrologie sur le potentiel épurateur de la zone humide DEA HHGG 27-09-02

Incertitudes sur la géométrie et le fonctionnement du système tourbe craie Couche imperméable Présence possible d’imperméable Ru géométrie du bord perméabilité de la craie et de la tourbe présence de l’horizon peu perméable sous le ru Flux passant sous le ru Expliquer que modflow ne gère pas les exfiltrations Test de plusieurs scénarios avec Hydrus 2D DEA HHGG 27-09-02

Perspectives de travail Expérimentations complémentaires : Temps de dénitrification dans le site étudié Perméabilité de la craie au niveau de la zone humide Modélisation du transport de nitrate dans le bassin versant Apport suivant assolements, transport en zone non saturée, transport en nappe avec Modflow Application à la gestion des eaux sur ce bassin : 3 axes L’occupation du sol (rôle de la forêt) Amélioration des pratiques culturales La zone humide : un vannage augmenterait-il son efficacité? Terminer sur!! la zone humide permet d’améliorer EN PARTIE la qualité de l’eau dans le BV car petite surface + l’eau peut l’éviter. DEA HHGG 27-09-02

Fin