Fonctionnement hydrologique dune zone humide : conséquences sur son potentiel épurateur. Exemple...

Fonctionnement hydrologique d’une zone humide : conséquences sur son potentiel épurateur.

Exemple du bassin versant du ru des Roises

DEA HHGG 27-09-02 2

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 ?

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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

I- La zone humide d’étude

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N

0 500 m

RU

DES

ROI S

ES

SALON

COURCEMAINCHAMPFLEURY

80

121

90100

105

101

131

121

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

Le bassin versant du ru temporaire des Roises

Zone humide, 3.2 ha

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100 m

Ru à sec

Le ru des Roises dans la zone humide en « basses eaux » (septembre-octobre)

Tourbe Alluvions et colluvions crayeusesTourbe imperméable

Niveau de la nappe de la craie

2 m

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100 m

Ru

Le ru des Roises dans la zone humide : « hautes eaux » (avril)

Niveau de la nappe de la craie Exfiltrations d’eau dans les tourbes

2 m

Niveau de la nappe de la tourbe

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100 m

Ru

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

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.

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N

0 500 m

RU

DES

ROI S

ES

SALON

COURCEMAINCHAMPFLEURY

80

121

90100

105

101

131

121

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Mare

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C1

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Mare

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ZH10#

ZH12

ZH1ZH1TZH1ZH1T

C1

PiézomètresProfils modélisés

Pont = exutoire du bassin versant

Limites de la zone de tourbes

100 m

Quels flux d’entrée de la zone humide?

Flux longitudinal L

Flux transversal T

Flux L en coupe

craie

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Entrée du bassin versant = pluies efficaces

Flux longitudinalFlux transversal

Quels flux d’entrée de la zone humide?

Flux transversal T

Flux transversal T

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Mare

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Mare

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ZH10#

ZH12

ZH1ZH1TZH1ZH1T

C1


Pont = exutoire du bassin versant

Limites de la zone de tourbes Flux longitudinal L

tourbe craie

Flux L en coupe

craie

Flux T en coupe

tourbe

craie

100 m

craieru

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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

Les deux modélisations proposées s’appuient sur les données hydrométriques de terrain (niveau des nappes et débit du ru).

III - Partition de l’eau au sein de la zone humide

2 flux à déterminer :

Flux longitudinal L,

Flux transversal T.

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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.

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Flux L : résultats de la modélisation avec Modflow

Perméabilité de 2.10-3 m/s



Calage période 98/99

Validation période 93/94

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Flux L : résultats de la modélisation avec Modflow




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)

Les flux d’eau sont connus en tous points en 93/94 et 98/99

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Flux transversal T

• 2 périodes étudiées : hautes eaux (mars-avril) et période de drainage des tourbes (juillet) en régime permanent en 1994.

Flux T total

• Flux T total en amont des profils étudiés obtenu avec Modflow

Quels paramètres hydrodynamiques ? Quelles conditions aux limites ?

• Pour distinguer les flux de la craie et de la tourbe utilisation d’Hydrus 2D

craie

rutourbe

nappe de la craie

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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

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tourbecraie Couche imperméable Présence possible d’imperméable

Flux T : système modélisé et conditions aux limites

Flux obtenu par Modflow = flux imposé

Ru = charge imposée aval Surface de suintement

Les conditions aux limites dépendent de la période choisie.

Les hauteurs d’eau simulées sont comparées aux données piézométriques.

Flux imposé pour le profil aval

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Flux passant par les tourbes : résultats en « hautes eaux » (avril)

Piézomètres

C11

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CZH12ZH12

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Mare

ZH10#

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Mare

ZH10#

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ZH1ZH1TZH1ZH1T

Profils modélisés


Flux T en coupe

Part de l’eau qui passe dans la tourbe : entre 15 et 35 % de l’eau du bassin versant

Flux TProfil aval : 70 % de l’eau passe par la tourbe

Flux T

Profil amont : 50 % de l’eau passe par la tourbe

Flux L: 50 à 70 % des pluies efficaces

100 m

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Période de « drainage des tourbes » (juillet)

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Mare

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ZH10#

ZH12#

C1

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Mare

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ZH10#

ZH12

ZH1ZH1TZH1ZH1T

C1



Flux L: 50 à 70 % des pluies efficaces

Flux T

Flux T

Flux T en coupe

Part de l’eau qui passe dans la tourbe : entre 0.5 et 20 % de l’eau du bassin versant

Profil amont : 1.5 % de l’eau passe par la tourbe

Profil aval : 40 % de l’eau passe par la tourbe

100 m

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

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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 stock d’eau contenu dans les tourbes

Évaluation du champs de vitesse de l’eau dans les tourbes

moyennefiltrationdevitesse

tourbeslesdanstraverséelongueurporositéséjourdeTemps

.

entrantflux

stockéeaudvolumeséjourdeTemps

'

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Longueur de tourbe : 60 m

Longueur de tourbe : 80 m

Évaluation du temps de résidence

Piézomètres

C11

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CZH12ZH12

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Mare

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Mare

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Profils modélisés


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)

100 m

Conclusion

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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)

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Incertitudes sur la géométrie et le fonctionnement du système

tourbecraie Couche imperméable Présence possible d’imperméable

Ru

présence de l’horizon peu perméable sous le ru

perméabilité de la craie et de la tourbe

Test de plusieurs scénarios avec Hydrus 2D

géométrie du bord

Flux passant sous le ru

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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?

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