Analyse de la vulnérabilité intrinsèque des eaux souterraines autour des sites BASOL du bassin Adour-Garonne

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1 ² Analyse de la vulnérabilité intrinsèque des eaux souterraines autour des sites BASOL du bassin Adour-Garonne Rapport final BRGM/RP FR Juillet 2008

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4 Mots clés : Agence de l Eau Adour-Garonne, BASOL, vulnérabilité eaux souterraines, sites BASOL, sites pollués, Installations Classées, IDPR, ZNS, SIG. En bibliographie, ce rapport sera cité de la façon suivante : V. Mardhel et S. Pinson avec la collaboration de J-Y. Koch-Mathian (2008) Analyse de la vulnérabilité intrinsèque des eaux souterraines autour des sites BASOL du bassin Adour- Garonne BRGM/RP FR. 87 p, 2 ann., 19 fig. BRGM, 2008, ce document ne peut être reproduit en totalité ou en partie sans l autorisation expresse du BRGM.

5 Synthèse L étude a été réalisée à la demande du Ministère de l Ecologie, de l Energie, du Développement durable et de l Aménagement du territoire (MEEDDAT, DGPR) dans le cadre du programme 06POLA23 de la direction de service public du BRGM et de la convention d études MEEDDAT BRGM , fiche 2. Les objectifs de l étude sont de croiser à l échelle les sites inscrits dans BASOL (sites pollués ou susceptibles d être pollués faisant l objet d une action de l administration) situés dans les secteurs les plus vulnérables pour différents besoins, dont le programme de mise en banque des données qualité acquises dans le cadre de l auto-surveillance des sites et les programmes de surveillance et de contrôle opérationnel qualitatif des masses d'eau prévues par la Directive Cadre sur l Eau pour les pollutions ponctuelles. La méthode de cartographie développée permet de traiter les différentes bases de données disponibles sur l ensemble du territoire à l aide d un Système d Information Géographique (SIG) sous ArcGis et de contribuer ainsi, en première approche, à la connaissance de la vulnérabilité simplifiée des eaux souterraines. De nombreuses applications sont possibles en matière de gestion et de surveillance des eaux souterraines. L'analyse de la vulnérabilité des eaux souterraines au droit des sites BASOL du territoire de l agence Adour-Garonne a été menée sur la base des résultats obtenus par unités fonctionnelles de la carte de vulnérabilité intrinsèque simplifiée d Aquitaine et des outils développés dans le cadre de ces travaux d analyses de vulnérabilité. Dans ce document, la vulnérabilité des nappes profondes (>100 m) ou bien captives, n est pas abordée. L analyse de vulnérabilité a été réalisée à l échelle de chacun des sites par la combinaison de deux critères : - L indice de développement et persistance des réseaux (IDPR) ; - L épaisseur de la zone non saturée (ZNS). L IDPR a été créé pour contribuer à la réalisation des cartes nationales ou régionales de vulnérabilité. Il traduit l aptitude des formations du sous-sol à laisser ruisseler ou s infiltrer les eaux de surface et se fonde sur l analyse des réseaux hydrologiques et celle du Modèle Numérique de terrain (MNT). L épaisseur de la Zone Non Saturée est obtenue par cartographie des niveaux d eau moyens, issue de la compilation des donnes piézométriques des premières nappes rencontrées (Banque des données du Sous-Sol du BRGM) et du MNT. BRGM/RP FR 5

6 Cette analyse menée pour chacun des 744 points a permis d établir une première classification de la vulnérabilité au droit des sites. Elle a été ensuite comparée à la carte nationale de vulnérabilité (version 2007) afin d obtenir un critère d analyse harmonisé au reste du territoire national. Ces deux approches ont été comparées afin d en mesurer les éventuels écarts. Au final les résultats sont similaires avec l une ou l autre des deux méthodes. 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. Les méthodes de cartographies à index sont basées sur la combinaison de cartes de divers paramètres d'une région (critères de vulnérabilité), en donnant un index numérique ou une valeur à chaque paramètre. La combinaison des cartes se fait au moyen de logiciels de traitement multicritères (SIG, par exemple). 6 BRGM/RP FR

7 Sommaire 1. Introduction Contexte général Objectif Cadre géographique Déroulement de l étude Les sites BASOL Rappels Les principaux textes règlementaires La base de données BASOL Répartition des sites Localisation et précision La vulnérabilité des aquifères : rappels et méthodologie de cartographie Notions générales de vulnérabilité Critères utilisés Méthode d'analyse simplifiée de la vulnérabilité des eaux Données de base utilisées dans le cadre de l étude Détermination de l épaisseur de la zone non saturée Cartographie des niveaux d eau moyens Calcul et cartographie de l épaisseur de la zone non saturée Cartographie de l indice de développement et persistance des réseaux (IDPR) Introduction à l approche IDPR...30 BRGM/RP FR 7

8 Définition de l IDPR (Indice de Développement et Persistance des Réseaux) Calcul de l'idpr Exemple d exploitation de l IDPR Calcul de l'indice simplifié de vulnérabilité détermination des valeurs et poids des critères Critère IDPR Critère ZNS Calcul de la vulnérabilité des eaux souterraines par points Agrégation des données ZNS aux sites Agrégation des données IDPR aux sites BASOL Calcul de la vulnérabilité des eaux souterraines dans un rayon de 500 m au droit des sites BASOL Calcul de la vulnérabilité des eaux souterraines par unités fonctionnelles Proposition de méthodes de hiérarchisation des sites Conclusion Bibliographie BRGM/RP FR

9 Liste des figures Figure 1: Le bassin Adour Garonne Figure 2 : Les masses d eau souterraine du Bassin Adour-Garonne classées par contexte lithostructural Figure 3 : Localisation des sites BASOL sur le Bassin Adour-Garonne Figure 4 : Répartition des sites BASOL et précision de leur localisation Figure 5 : Définition de la zone non saturée. (Hydrogéologie, G. Castany, 2000) Figure 6 : Carte de l'épaisseur moyenne de la zone non saturée pour le bassin Adour- Garonne (pas de 250 m) Figure 7 : Données brutes du calcul de l'idpr sur le Bassin Adour-Garonne Figure 8 : Fiches par masse d eau Figure 9 : L exemple du massif des Arbailles Figure 10 : Valeurs normées du critère IDPR selon la nature de la masse d eau au sein de laquelle le site BASOL se situe Figure 11 : Valeurs normées du critère ZNS selon la nature et le type d écoulement de la masse d eau au sein de laquelle le site ICSP se situe Figure 12 : ZNS affecté aux zones circulaires de 500m de rayon autour de chacun des sites - Données fournies en annexe Figure 13 : IDPR affecté aux zones circulaires de 500 m de rayon autour de chacun des sites - Données fournies en annexe Figure 14 : Vulnérabilité des sites BASOL (méthodologie du buffer de 500 m) Figure 15 : Intersection des couches d'informations constituant les unités fonctionnelles 44 Figure 16 : Avancement en France de la carte 2008 de vulnérabilité obtenue par cette méthode Figure 17 : Vulnérabilité des sites BASOL par unités fonctionnelles Figure 18 : Les différentes méthodes d analyse de vulnérabilité pour les sites BASOL Figure 19 : Comparaison des différentes méthodes pour la région Aquitaine Liste des annexes Annexe 1 : Table récapitulative des valeurs obtenues pour la ZNS, l IDPR et la vulnérabilité au droit de chaque site BASOL. Annexe 2 : Données numériques (CD-ROM) : atlas cartographique des sites BASOL par département et commune. BRGM/RP FR 9

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11 1. Introduction L étude a été réalisée à la demande du Ministère de l Ecologie, de l Energie, du Développement durable et de l Aménagement du territoire (MEEDDAT, DGPR) dans le cadre du programme 06POLA23 de la direction de service public du BRGM et de la convention d études MEEDDAT BRGM (fiche 2) notifiée le 28 juillet CONTEXTE GENERAL Depuis 2003 a été engagée en France la cartographie de la vulnérabilité intrinsèque simplifiée des eaux souterraines. La méthode «IDPR» (Indice de Développement et Persistance des Réseaux, voir définition 4.3.2) développée par le BRGM exploite dans un Système d Information Géographique (SIG) les couches d informations numériques existantes acquises de façon homogène sur l ensemble du territoire métropolitain. En 2007, cette méthode a été étendue à l Europe dans le cadre d un projet de recherche européen Footprint 1. Dans la plupart des bassins et des régions (bassin Seine-Normandie, Loire Bretagne, Rhin-Meuse, région Nord - Pas de Calais), où a été mise en œuvre cette cartographie, différentes applications ont été réalisées pour le ministère en charge du développement durable (MEEDDAT, Direction de la Prévention des Pollutions et des Risques), afin de hiérarchiser les sites pollués inscrits dans la base de données BASOL et les Installations Classées, en fonction de la vulnérabilité des premières nappes rencontrées (parfois de telles demandes ont pu faire l objet de partenariats, à l exemple de l agence de l eau du bassin Seine-Normandie). Concernant le bassin Adour-Garonne, objet du présent rapport, cette méthode de cartographie de la vulnérabilité été initiée dans la région Aquitaine en 2006 dans le cadre de la convention MEEDDAT-BRGM CV qui a donné lieu au rapport BRGM /RP FR, décembre Dans cette région, le croisement de cette carte avec les Installations Classées et sites suivis pour les eaux souterraines (inscrits dans BASOL) en a été une première application, en vue : - d une part, de prioriser les actions de bancarisation dans la banque de données ADES 2 des données d auto-surveillance, - et d autre part, d affecter aux sites sélectionnés un critère correspondant à la vulnérabilité simplifiée des premières nappes rencontrées. 1 FOOTPRINT est un projet de recherche cofinancé par la Commission Européenne qui vise à développer trois logiciels contribuant à l'évaluation - et à la réduction - du risque de transfert des pesticides vers les ressources en eau. 2 ADES : Banque nationale des eaux souterraines. BRGM/RP FR 11

12 Le MEEDDAT a ensuite souhaité étendre à l ensemble cette cartographie et son application aux sites BASOL dans le cadre de la convention d études MEEDDAT BRGM OBJECTIF Les travaux proposés dans le cadre de l étude ont pour objectif de traiter de façon homogène à l échelle les critères de vulnérabilité intrinsèque simplifiée des premières nappes rencontrées autour des sites BASOL. Pour cela est constituée une Geodatabase couplée à un Système d Information Géographique sous ArcGis afin de réaliser le traitement des données numériques et de restituer des fichiers de résultats et des atlas cartographiques. Une méthodologie permettant d évaluer la vulnérabilité, à partir d un ensemble d informations (topographie, réseau des cours d eau, ) et de leur traitement numérique, a été employée et validée. Cette méthodologie et les hypothèses simplificatrices qui la sous tendent sont présentées au chapitre 2, après quelques rappels de définitions. A partir de plusieurs paramètres, il sera défini un nombre limité de classes de vulnérabilité pour les eaux souterraines au droit des sites BASOL du Basin Adour- Garonne permettant une hiérarchisation de ceux-ci CADRE GEOGRAPHIQUE Le bassin Adour-Garonne englobe entièrement les 2 régions administratives Aquitaine (5 départements) et Midi-Pyrénées (8 départements) et en partie quatre autres régions, au Nord et à l Est : Poitou-Charentes avec principalement 2 départements, Limousin avec principalement 1 département, Auvergne avec principalement 1 département et Languedoc-Roussillon avec principalement 1 département (fig 1). 12 BRGM/RP FR

13 Figure 1: Le bassin Adour Garonne Conformément à la Directive Cadre Européenne sur l Eau, (DCE), 105 masses d eau souterraine, de niveau 1 (voir définition page suivante), ont été délimitées sur le Bassin Adour-Garonne. Ces masses d eau se répartissent selon leur type de la manière suivante (voir tableau et figure suivante). Types de masse d eau Alluvial Dominante sédimentaire Edifice volcanique Imperméable localement aquifère Intensément plissé Socle 18 masses d eau 61 masses d eau 4 masses d eau 6 masses d eau 8 masses d eau 8 masses d eau Nature des écoulements Libre Captif 69 masses d eau 14 masses d eau Libre et captif Libre 14 masses d eau associés majoritairement Captif 8 masses d eau BRGM/RP FR 13

14 Une masse d'eau souterraine est un volume distinct d'eau souterraine à l'intérieur d'un ou de plusieurs aquifères. Les masses d'eau souterraine sont dérivées de travaux réalisés sur le référentiel BDRHF v1 3. Le découpage retenu pour les masses d'eau répond aux quelques grands principes exposés ci-après : Les masses d'eau sont délimitées sur la base de critères géologiques et hydrogéologiques. Le redécoupage des masses d'eau pour tenir compte des effets des pressions anthropiques doit rester limité. A l'image des masses d'eau superficielle, la délimitation des masses d'eau souterraine est organisée à partir d'une typologie Cette typologie s'inspire largement de celle élaborée pour les entités hydrogéologiques définies dans le cadre de la révision de la BDRHF. Elle est basée sur la nature géologique et le comportement hydrodynamique ou fonctionnement «en grand» des systèmes aquifères (nature, vitesse des écoulements). Elle comprend 2 niveaux de caractéristiques (principales et secondaires). Les masses d'eau peuvent avoir des échanges entre elles ; Tous les captages fournissant plus de 10m3/jour d'eau potable ou utilisés pour l'alimentation en eau de plus de 50 personnes doivent être inclus dans une masse d'eau ; Les eaux souterraines profondes, sans lien avec les cours d'eau et les écosystèmes de surface, dans lesquelles il ne s'effectue aucun prélèvement et qui ne sont pas susceptibles d'être utilisées pour l'eau potable en raison de leur qualité (salinité, température?), ou pour des motifs technico-économiques (coût du captage disproportionné) peuvent ne pas constituer des masses d'eau ; Compte tenu de sa taille, une masse d'eau pourra présenter une certaine hétérogénéité spatiale tant au niveau de ses caractéristiques hydrogéologiques que de son état qualitatif et quantitatif ; En un point quelconque plusieurs masses d'eau peuvent se superposer. Les masses d'eau souterraine sont principalement dérivées du référentiel BDRHFv1, du thème hydrographique BDCarthage v3 4 de la BDCarto. Les masses d'eau souterraine ont été élaborée par le BRGM et les Agences de l'eau pour les besoins de la directive cadre sur les eaux. Les spécifications ont été élaborées par le groupe Référentiels du SIE. 3 BDRHF v1 : Version 1 de la base de données du Référentiel Hydrogéologique Français. 4 BDCarthage v3 : Version 3 du Référentiel hydrographique de la France (couches cartographiques utilisables dans un SIG). 14 BRGM/RP FR

15 Le BRGM a réalisé les couches nationales. Les masses d'eau souterraine sont découpées en 10 niveaux en métropole et 2 dans les DOM. Les caractéristiques principales des masses d eau souterraine de niveau 1 du bassin sont synthétisées dans le tableau ci-dessus. Figure 2 : Les masses d eau souterraine du Bassin Adour-Garonne classées par contexte lithostructural 1.4. DEROULEMENT DE L ETUDE La cartographie proprement dite de la vulnérabilité intrinsèque des eaux souterraines par la méthode IDPR (Indice de Développement et Persistance des Réseaux, voir définition 4.3.2) a été réalisée au terme de l année 2007 dans le cadre d un projet national pour la Direction de l Eau du MEEDDAT portant sur la caractérisation des masses d eau en France. Une fois cette carte de vulnérabilité réalisée, le traitement cartographique des sites BASOL géoréférencés a pu commencer. Il a comporté, les tâches principales suivantes : BRGM/RP FR 15

16 - Extraction du fichier des sites de la base SEI-BASOL du MEEDDAT (janvier 2008) ; - Réalisation de la «Geodatabase» et du SIG avec l affectation pour chaque point 5 des données issues des couches d informations numériques (notes IDPR, Zone Non Saturée de la vulnérabilité déduite, des classes de vulnérabilité, très faible à très forte, complétées par les données hydrogéologiques et géologiques du SIG) ; - Proposition de méthodes de hiérarchisation des sites et comparaison entre elles ; - Réalisation de tableaux triés des résultats sous Excel et (ou) Access et de bilans statistiques (par régions et départements) ; - Etablissement des cartes avec les sites BASOL sur fonds cartographiques par département et commune du bassin. Edition numérique au format PDF d un atlas joint au rapport (CD-ROM) ; - Rédaction du rapport de synthèse rappelant la méthodologie et fournissant les bilans et résultats. Edition en 5 exemplaires pour le MEEDDAT. Le budget prévu à l origine dans le projet prévoyait pour moitié un cofinancement de l agence de l eau qui n a pu être obtenu fin Les travaux pour le MEEDDAT ont donc dû se limiter au croisement cartographique des «données brutes» sur les 744 sites BASOL, sans reprise du géoréférencement x, y des points des résultats, ni validation dans le cadre d un groupe de suivi de l étude. L ensemble des résultats est présenté dans ce rapport. 5 Rappel : Il ne s agit pas de réaliser une étude à l échelle de chacun des sites, mais de résultats obtenus par croisement des couches du SIG vulnérabilité à l échelle de précision de l information cartographique des données de base (1/ à 1/ ) avec les limites inhérentes aux modes d acquisitions. 16 BRGM/RP FR

17 2.1. RAPPELS 2. Les sites BASOL Les principaux textes règlementaires Les principaux texte relatifs à la surveillance des eaux souterraines sont listés ciaprès : - L'article 65 de l'arrêté ministériel du 2 février 1998 modifié, relatif aux prélèvements et à la consommation d'eau ainsi qu'aux émissions de toute nature des ICPE soumises à autorisation, prévoit que certaines installations, du fait du risque de pollution des eaux souterraines qu'elles présentent, mettent en place une surveillance de ces eaux. - Conformément à l'article 18 du décret n du 21 septembre 1977 pris en application de la loi du 19 juillet 1976 relative aux installations classées pour la protection de l environnement, et dans le but de protéger les intérêts visés à l'article L du Code de l'environnement, le préfet peut prescrire par arrêté complémentaire à l'exploitant d'une installation classée soumise à autorisation, la surveillance des eaux souterraines. - L'article 131 du Code minier prévoit que la réalisation d'un sondage ou ouvrage, notamment destiné à surveiller la qualité des eaux souterraines, et dont la profondeur dépasse dix mètres, fasse l'objet d'une déclaration à la DRIRE. - La loi n 92-3 du 3 janvier 1992 sur l eau pose le principe de l'unité juridique de l'eau, celle-ci n'étant plus compartimentée entre eaux souterraines et eaux superficielles d'une part, eaux domaniales et eaux non domaniales d'autre part. Elle met en place un régime de déclaration et d'autorisation pour toutes les installations, ouvrages, travaux et activités qui ont des effets sur l'eau, quelle que soit la nature de la ressource considérée La base de données BASOL BASOL est une base de données gérée par le MEEDDAT et les DRIRE, sur les sites et sols pollués (ou potentiellement pollués) appelant une action des pouvoirs publics, à titre préventif ou curatif. Cette base est publique et accessible sur le site internet Elle fournit des informations sur la localisation des sites, leur situation technique, la nature des polluants, l impact des sites, l origine de l action des pouvoirs publics et la surveillance de la qualité des eaux souterraines. Le recensement et la saisie est faite dans les régions par les DRIRE dans une base de travail (SEI-BASOL), qui fait l objet d une validation par le MEEDDAT avant mise à disposition publique sur internet. Un tableau de bord de l état des sites est mis à jour régulièrement par le MEEDDAT. Sur 4033 sites inscrits dans BASOL en France fin 2008, on distingue 5 catégories : les sites sans restriction après évaluations et travaux (10 %), les sites en cours de traitement (7 %), sites sous surveillance avant diagnostics (4 %), sites en cours d investigation (27 %) et les sites sous surveillance traités ou en cours de traitement (52 %). BRGM/RP FR 17

18 La surveillance de la qualité des eaux souterraines joue un rôle de détection ou de suivi selon que la pollution des eaux souterraines est avérée ou non. Depuis 2000, les sites recensés dans BASOL doivent mettre en place une surveillance de la qualité des eaux souterraines ou disposer d'une justification technique d'absence de surveillance. Sur les 4033 sites inscrits dans BASOL, 66 % disposent d'une surveillance, 25 % justifient l'absence de surveillance, 9 % ne disposent pas encore de surveillance REPARTITION DES SITES Sur l ensemble du territoire du Bassin Adour-Garonne, on dénombre 744 sites BASOL (extrait de la base SEI-BASOL de janvier 2008) répartis de manière hétérogène, notamment avec une forte concentration de sites en région Aquitaine et plus précisément dans les départements des Landes et de Gironde (environ 45 % des sites du Bassin Adour-Garonne) comme le montre la carte et le tableau ci-dessous : Les 744 sites sont répertoriés sur 412 communes avec un maximum de 28 sites sur la commune de Bordeaux. REGION Nombre de sites BASOL AQUITAINE 493 Département Nombre de sites BASOL 24 Dordogne Gironde Landes Lot-et - Garonne Pyrénées-Atlantiques 73 AUVERGNE 3 15 Cantal 3 BOURGOGNE 1 21 Côte d'or 1 LIMOUSIN 22 LANGUEDOC- ROUSSILLON MIDI-PYRENEES Corrèze Haute-Vienne 4 34 Hérault 5 48 Lozère 3 9 Ariège Aveyron Haute-Garonne Gers 8 46 Lot Hautes-Pyrénées Tarn Tarn-et-Garonne 14 POITOU Charente 19 CHARENTES 17 Charente-Maritime Deux-Sèvres 3 Tableau 1 : Répartition et nombre de sites BASOL par région et par département 18 BRGM/RP FR

19 Figure 3 : Localisation des sites BASOL sur le Bassin Adour-Garonne BRGM/RP FR 19

20 2.3. LOCALISATION ET PRECISION Chaque site BASOL est localisé avec une précision qualifiée grâce à un système de codes de la manière suivante (voir tableau 2 ci-dessous) : CODE Lexique SYSADM_PRECISION Précision coordonnées x y 1 ADRESSE avec NUMERO 2 ADRESSE avec RUE 3 COMMUNE (CENTRE) 4 AUTRE Tableau 2 : Codification et lexique de la précision des sites Pour les codes 1, 2 et 3 c'est le système de GEOCODEUR automatique d'adresses qui le fournit. Le code 4 correspond à une saisie des coordonnées XY des sites par la DRIRE. 1 Adresse (numéro) 2 Adresse (rue) 3 Commune (centroïde) 4 - Autres 106 sites 231 sites 346 sites 61 sites Figure 4 : Répartition des sites BASOL et précision de leur localisation 20 BRGM/RP FR

21 On observe que 45 % des sites BASOL ont une précision acceptable pour les croisements SIG (sites géocodés à l adresse, de précisions 1 et 2) et que 55 % des sites ont une précision 3 (centre commune) et 4 (autres, non définis). Il faut bien noter que, dans le cadre de cette étude, les recherches complémentaires de localisation et de géoréférencement qui auraient permis d améliorer les coordonnées x, y de la base BASOL n ont pu être menées pour des raisons de contraintes budgétaires. La méthode d analyse développée ci-après aura donc pour limite principale la qualité de géoréférencement des sites. Celle-ci pourrait être révisée par la suite si la précision des coordonnées x, y était améliorée. BRGM/RP FR 21

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23 3. La vulnérabilité des aquifères : rappels et méthodologie de cartographie 3.1. NOTIONS GENERALES DE VULNERABILITE Avant de décrire la méthodologie de l étude, il apparaît important de rappeler quelques définitions : Le risque de pollution résulte du croisement d'un ou plusieurs aléas et d'un ou de plusieurs paramètres : R(isque) = A(léa) x E(njeux). Un aléa suppose une approche probabiliste, il s'agit de l'application d'un stress, (une action polluante par exemple) sur un point, un axe ou un espace plus ou moins vulnérable du milieu naturel au regard des eaux souterraines dans le cadre de cette étude. 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 (à notre échelle de travail) alors que la vulnérabilité spécifique (directement liée aux polluants éventuels) est évolutive et ne caractérise qu un instant précis. BRGM/RP FR 23

24 Les enjeux représentent la cible qui ne doit pas être atteinte par les effets du stress sur le milieu naturel. La notion de risque est donc étroitement liée à la définition des enjeux. Par défaut, dans le cadre de cette étude, l'enjeu est représenté par l'eau souterraine mobilisable dans les nappes phréatiques quel qu'en soit l'usage. Le transfert des polluants dans le sol s effectue d abord à travers la zone non saturée (ZNS) avant d atteindre la zone saturée. La ZNS est la zone du sous-sol comprise entre la surface du sol et la surface d une nappe libre. A cet endroit, la quantité d eau gravitaire est temporaire, en transit. Trois parties différenciées en fonction de leur teneur en eau la composent : Une zone d évapotranspiration qui est soumise à d importantes variations de la saturation en eau ; Une zone de transition où la teneur en eau correspond à la capacité de rétention du sol ; La frange capillaire qui, en plus de la percolation per descensum (recharge) correspond à l eau de la nappe remontant par ascension capillaire. Figure 5 : Définition de la zone non saturée. (Hydrogéologie, G. Castany, 2000) 24 BRGM/RP FR

25 3.2. CRITERES UTILISES Dans le cadre de l étude, c est la vulnérabilité intrinsèque, telle que décrite cidessus, qui va être l objet de la détermination. Pour qualifier cette vulnérabilité, un certain nombre de critères sont disponibles, ils sont associés aux ensembles souterrains dans lesquels ils interviennent et sont récapitulés dans le Tableau 3. VULNERABILITE INTRINSEQUE Sol Zone non saturée (ZNS) Zone saturée Topographie (pente) Pédologie (perméabilité verticale des sols, nature et texture des sols) Profondeur de la nappe libre ou épaisseur de la ZNS Temps de transfert (perméabilité verticale) Bilan hydrique (ruissellement et infiltration efficace) Structure de la ZNS (variation de faciès, épaisseur des discontinuités de faciès, position dans le profil vertical, texture, teneur en matière organique et argile) Type de nappe (libre ou captive) Temps de résidence (dépend de l'hydrodynamisme des formations aquifères) Relation eaux souterraines/eaux superficielles Piézométrie (sens et direction d'écoulement et évolutions selon la période du cycle hydrologique) Présence ou non d un horizon moins Epaisseur de l aquifère perméable et position de celui-ci (quantité de réserve) La recharge (recharge annuelle nette). Type de système hydrogéologique (caractères plus ou moins capacitif et transmissif) Battement de nappe Fracturation (directions et densité) du substratum Tableau 3 : Critères de vulnérabilité L'exploitation de ces critères est souvent normalisée au travers de différentes méthodologies d'analyse de la vulnérabilité des eaux. BRGM/RP FR 25

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27 4. Méthode d'analyse simplifiée de la vulnérabilité des eaux 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 (Gogu et Dassargues, 1998 b). Parmi celles-ci, les méthodes dites «de cartographie à index avec pondération des critères» (Point Count Systems Models, PCSM) apparaissent les plus pertinentes vis-à-vis des réalités de terrain. Ce sont aussi les plus reconnues et utilisées à l'heure actuelle (Gogu et Dassargues, 2000 ; Zaporozec et Vrba, 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, il a été décidé que l indice de vulnérabilité simplifiée des eaux souterraines au droit des sites ICSP utilisera deux critères : L'épaisseur de la zone non saturée : 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 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 précises du milieu saturé, s'applique aux nappes dites phréatiques DONNEES DE BASE UTILISEES DANS LE CADRE DE L ETUDE Les principales données utilisées pour cette étude seront les suivantes : Données de la BSS (données piézométriques), MNT (altitude du sol au pas de 50 m de l IGN), Tracé des cours d eau et zones hydrologiques de la BD Carthage, BRGM/RP FR 27

28 4.2. DETERMINATION DE L EPAISSEUR DE LA ZONE NON SATUREE Pour l étude de la vulnérabilité, il est nécessaire de déterminer l épaisseur de la zone non saturée (ZNS), qui joue un rôle primordial dans la qualification de la capacité d un aquifère à être affecté par l'infiltration d'un polluant. Ce calcul de l épaisseur de la zone non saturée a été effectué en plusieurs étapes, sur la base des études de vulnérabilité aux remontées de nappes menées en 2003 (rapport BRGM RP FR) : 1. Réalisation, sur l ensemble du territoire d'étude, d une carte des niveaux moyens des eaux souterraines (remarque : le terme de «piézométrie» ne peut être retenu car l interpolation des niveaux d'eau est effectuée sur la totalité du territoire d étude et sans distinction des nappes existantes). 2. Déduction de l épaisseur de la zone non saturée à partir de la différence entre les niveaux d eau moyens et la topographie (déduite du modèle numérique de terrain) Cartographie des niveaux d eau moyens La carte des niveaux d eau moyens se fonde sur l'ensemble des points d'eau décrits dans la Banque de données du Sous-Sol (BSS) pour lesquels ont été définis des niveaux d'eau statiques lors de la réalisation des ouvrages. A ces données ont été ajoutés des points fictifs obtenus par densification du semis de points à partir du traitement des informations de la BSS Calcul et cartographie de l épaisseur de la zone non saturée L'épaisseur de la ZNS est calculée à partir du niveau d'eau moyen obtenu précédemment et du modèle numérique de terrain (différence entre la cote altimétrique et le niveau d'eau). La figure ci-après présente la cartographie ainsi obtenue de l épaisseur de la ZNS. 28 BRGM/RP FR

29 Figure 6 : Carte de l'épaisseur moyenne de la zone non saturée pour le bassin Adour- Garonne (pas de 250 m) BRGM/RP FR 29

30 4.3. CARTOGRAPHIE DE L INDICE DE DEVELOPPEMENT ET PERSISTANCE DES RESEAUX (IDPR) Introduction à l approche IDPR La recherche d'éventuelles corrélations entre la forme du réseau hydrographique et les formations géologiques a suscité un grand nombre de travaux. L'hypothèse principale qui les sous tend suppose que les réseaux hydrographiques conservent, dans leurs formes, la signature des phénomènes endogènes (Deffontaines, 1990) ou exogènes ils montrent ainsi que le tracé du réseau hydrographique résulte d'interactions complexes. Bien que l'eau de ruissellement s'écoule par le chemin le plus court du point haut (sommet, crête,..) au point bas (mer, lac, fleuve...), son cheminement est conditionné par différents paramètres topographiques et géologiques. Parmi ces facteurs, les causes d'origines uniquement géologiques sont nombreuses et peuvent se décomposer de la manière suivante : La lithologie La lithologie est la science qui définit la nature des roches issues d'une formation géologique. La nature des roches intervient dans les modifications du relief. - la nature physique : épaisseur, dureté, compétence, perméabilité, porosité. - la nature chimique : sensibilité à la dissolution, qualité des eaux interstitielles, phénomènes de cristallisation ou de diagenèse. En fonction de la lithologie, le comportement du réseau et son organisation vont être différents. La structure La géologie structurale (ou tectonique régionale) s'attache à l'étude des déformations des roches. Elle s'intéresse à l'agencement originel des roches, incluant les pendages. Les alternances géologiques, les discordances, les déformations en cours ou phénomènes néotectoniques affectent la lithosphère et modifient la topographie et façonnent considérablement le réseau hydrographique. D'autres facteurs interviennent et sont la résultante d'une combinaison de contraintes de nature diverse. Leur importance diffère selon l'échelle à laquelle on observe le réseau hydrographique. La pente régionale La pente régionale est définie par un sens, une direction puis une inclinaison. La pente est un élément déterminant dans l'orientation et l'organisation des cours d'eau. Le rajeunissement Le rajeunissement est le début d'un nouveau cycle d'érosion. Il y a alors une reprise de l'érosion sur un relief pénéplané ou aplani, par abaissement du niveau aval des cours d'eau ou par surrection du niveau amont. Le déclenchement d'un tel phénomène a lieu 30 BRGM/RP FR

31 lors d'une augmentation de la pente longitudinale du cours d'eau qui accroît sa dynamique et rompt son profil d'équilibre. L eustatisme est le phénomène responsable des variations générales du niveau moyen des mers. De telles variations agissent sur le potentiel érosif d'un cours d'eau et donc sur sa morphologie. Ainsi, l'eustatisme est l'une des causes du rajeunissement Définition de l IDPR (Indice de Développement et Persistance des Réseaux) L'idée qui sous tend l'idpr découle des observations suivantes, 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, comme nous venons de le voir ci-dessus, 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 structure et la fracturation des roches, 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. Couches d informations utilisées : - Le réseau hydrologique naturel, utilisé dans la démarche de calcul de l'idpr provient des données de la BD CARTHAGE IGN. Les arcs décrits dans la couche d'information HYA99 et les plans d'eau ou zones larges des cours d'eau de cette base de données cartographiques décrivent la géométrie des axes hydrographiques. La nature des axes et l'état des axes hydrographiques conditionnent plusieurs approches distinctes du milieu qui dépendent étroitement de la qualité des informations intégrées à BD CARTHAGE. - Le réseau théorique des écoulements est fondé sur l'analyse des talwegs. Il suppose une lame d'eau météoritique et un récepteur imperméable homogène. Il s'établit à partir de l'analyse du modèle numérique de terrain (MNT). BRGM/RP FR 31

32 Calcul de l'idpr L'IDPR permet de rendre compte indirectement de la capacité intrinsèque du sol à laisser infiltrer ou ruisseler les eaux de surface. Cette fonction d'infiltration dépend de la perméabilité verticale qui traduit la capacité d un sol à laisser passer un fluide. Très variable, ce paramètre dépend essentiellement de la lithologie de la formation considérée. L'IDPR compare un réseau théorique établi selon l'hypothèse d'un milieu parfaitement homogène au réseau mis en place sous le contrôle d'un contexte géologique hétérogène. Il varie selon une échelle comprise entre 0 et n. Par souci de simplification du critère, l'idpr est arbitrairement multiplié par 1000 et limité à L IDPR est inférieur à 1000 quand le réseau théorique n est pas repris par une rivière réelle. Ce rapport indique alors une infiltration majoritaire des eaux. Inversement, quand le réseau réel est plus dense que le réseau calculé, on est en zone de ruissellement majoritaire, l'idpr tend vers 2000 (Tableau 4). IDPR <1000 Infiltration majoritaire Par rapport au Ruissellement superficiel Interprétation Il y a non-conformité entre la disponibilité des axes de drainage liés aux talwegs et les axes hydrologiques observés. L'eau ruisselant sur les terrains naturels rejoint un axe de drainage défini par l'analyse des talwegs sans que celui-ci ne se concrétise par l'apparition d'un axe hydrologique naturel. Développement d'un réseau de talweg de densité supérieure à l'expression du réseau de drainage naturel. =1000 Infiltration et Ruissellement superficiel de même importance Il y a conformité entre la disponibilité des axes de drainage liés au talweg et les axes hydrologiques en place >1000 Ruissellement superficiel Par rapport à l'infiltration vers le milieu souterrain L'eau ruisselant sur les terrains naturels rejoint très rapidement un axe hydrologique naturel sans que la présence de celui-ci soit directement justifiée par un talweg. Le réseau de drainage naturel est de densité supérieure à celui du réseau des talwegs. > 2000 Majoritairement assimilable à des milieux humides Un IDPR supérieur ou égal à 2000 traduit une stagnation permanente ou transitoire des eaux, menant à deux interprétations différentes. Quand la ZNS est faible, par exemple au niveau des cours d eau et des zones humides, l eau ne s infiltre pas car le terrain est saturé. Dans le cas d une ZNS plus importante, le refus d infiltration semble montrer une imperméabilité des terrains naturels. On pose l hypothèse que des valeurs d IDPR supérieures à 2000 sont majoritairement assimilables à des milieux humides 6 induisant la possibilité d inondation par effet de barrière hydraulique. Tableau 4 : Valeurs de l'idpr 6 Les milieux humides en tant qu'hydrosystèmes font partie intégrante des systèmes aquatiques auxquels ils sont reliés : soit une nappe phréatique, soit un cours d'eau dont ils sont les prolongements latéraux, soit une zone lacustre dont ils constituent les bordures. A ce titre ces milieux humides ne peuvent être, d'un point de vue hydrologique, isolés des autres hydrosystèmes avec lesquels ils sont connectés et aux variations de stocks auxquels ils réagissent. 32 BRGM/RP FR

33 Figure 7 : Données brutes du calcul de l'idpr sur le Bassin Adour-Garonne BRGM/RP FR 33

34 Analyse de la vulnérabilité intrinsèque des eaux souterraines autour des sites BASOL Exemple d exploitation de l IDPR Le karst des Arbailles est l un des réservoirs karstiques pyrénéens. Parmi ceux-ci on distingue deux types de réservoirs : - Les réservoirs dans les calcaires crétacés de la couverture axiale qui s étendent sur les massifs des Eaux-Bonnes-Eaux Chaudes et dans le secteur de La Pierre St Martin et qui ont des débits variables ; - Les réservoirs des chaînons pyrénéens qui s étirent du massif des Baronnies à l Est au massif des Arbailles à l ouest et qui renferment des émergences importantes comme l Oeil du Neez (6 000 m3/h) qui alimente en eau potable la ville de Pau, les sources Aygue Blanque et Aygue Nègre (1000 m3/h) qui approvisionnent en partie l ouest des Pyrénées-atlantiques, et les nombreuses sources du Massif des Arbailles au Pays Basque. Le karst des Arbailles est partagé entre les masses d eau 5052 et 5051 (figure n 8). Figure 8 : Fiches par masse d eau Ces masses d eau correspondent aux domaines intensément plissés des zones de montagne récemment tectonisées (principalement les Alpes et les Pyrénées). Elles 34 BRGM/RP FR

35 sont composées d une alternance d entités aquifères et imperméables de lithostratigraphie, de taille et d extension très variables, souvent mal connues. Elles sont caractérisées par des variations rapides de lithologie et d épaisseur en liaison avec les accidents tectoniques propres à ces zones montagneuses. Le massif des Arbailles inclus dans ce type de masse d eau n a pas été identifié comme une masse d eau spécifique. L approche IDPR met en évidence le massif karstique et place en exergue l inclusion de ce domaine sédimentaire dans les masses d eau comme décrit dans le guide méthodologique de mise en œuvre de la DCE pour l identification et la délimitation des masses d eau souterraine. Figure 9 : L exemple du massif des Arbailles BRGM/RP FR 35

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37 5. Calcul de l'indice simplifié de vulnérabilité Afin de réaliser le calcul de l indice de vulnérabilité on différencie les critères suivants : - la zone non saturée (ZNS) qui intervient avant l arrivée du polluant dans l aquifère (nature, perméabilité, épaisseur) ; - les caractéristiques propres des aquifères (type de perméabilité, degré de karstification/fissuration, hétérogénéité) susceptibles d influencer le comportement du polluant dans la nappe (dispersion, rapidité de propagation, ). Le point de départ de cette approche se fonde sur l'idpr. Celui-ci se substitue aux données liées à la perméabilité des sols (eaux superficielles) ou du sous-sol (les eaux souterraines). Il s'agit d'une approche simplifiée des caractéristiques de ces milieux pour lesquels, on l'a vu précédemment, l'idpr décrit, de manière qualitative, la perméabilité à travers les pôles infiltration et ruissellement. L'IDPR est croisé avec l'épaisseur de la ZNS pour hiérarchiser la vulnérabilité simplifiée des eaux souterraines. Il peut également être croisé avec la pente pour hiérarchiser la vulnérabilité des eaux de surfaces. L'épaisseur de la zone non saturée et la pente des terrains naturels étant dans ce cas considérés comme les facteurs susceptibles de retarder ou d'accentuer la migration des polluants dans les deux milieux considérés DETERMINATION DES VALEURS ET POIDS DES CRITERES L analyse de la vulnérabilité des eaux souterraines au droit des sites découle ainsi d une approche dite d analyse multicritère. Cela désigne généralement un ensemble de méthodes permettant d agréger plusieurs critères avec l objectif de sélectionner ou mettre en évidence une ou plusieurs solutions. L analyse multicritère mise en place vise à fournir des outils qui permettent de progresser dans la résolution d un problème de hiérarchisation qualitative où plusieurs indicateurs doivent être pris en compte. La divergence de ces indicateurs nécessite alors la recherche d une adéquation ou le meilleur compromis possible permettant de hiérarchiser le milieu naturel. Pour appliquer cette approche, les étapes suivantes ont été suivies : identification de l objectif global de la démarche (défini par le cahier des charges initial de cette étude), listes des solutions ou méthodologies existantes pour réaliser cette carte, identification des critères ou standards qui orientent la prise de décision, Règles d association de ces critères pour définir la solution la plus satisfaisante. BRGM/RP FR 37

38 La différence entre les différentes méthodes d analyse multicritères employées pour la définition de la vulnérabilité des eaux souterraines se trouve dans la façon de réaliser cette dernière étape, soit dans la façon d évaluer chacune des combinaisons en fonction des critères retenus. Dans la plupart des méthodes multicritères, l importance relative des critères accordée par les décideurs est représentée par des poids. Dans la suite de cette analyse on définira ainsi les termes suivants : - Critères (ou attributs) : aspects suivant lesquels les alternatives sont examinées ; qualitatifs ou quantitatifs - Poids (des critères) : importance attribuée aux critères ; subjectifs ; normalisation. Le résultat de cette approche multicritères résulte d un calcul selon une méthode dite WSM (Weight Sum Method) ou modèle des sommes pondérées. Celle-ci est en règle générale reconnue idéale pour les problèmes à une seule dimension (c est-à-dire que la solution au problème posé varie dans un seul sens, en l occurrence d une vulnérabilité faible vers une vulnérabilité forte) CRITERE IDPR La valeur affectée à l indice IDPR (pondérée de 0 à 100) varie en fonction de la typologie des masses d eau (et du caractère karstique ou non de celles-ci) à laquelle est rattaché le point étudié. Trois occurrences sont ainsi distinguées : les masses d eau alluviales, les masses d eau à caractère karstique, les autres cas Valeur affecté à l'idpr Alluvial Valeur de l'indice IDPR Karstique Autres cas Figure 10 : Valeurs normées du critère IDPR selon la nature de la masse d eau au sein de laquelle le site BASOL se situe 38 BRGM/RP FR

39 5.3. CRITERE ZNS La valeur affectée à l épaisseur de la ZNS (pondérée de 0 à 100 également) varie en fonction de la typologie des masses d eau, de la nature de l écoulement (libre, captif ou karstique). Cinq occurrences sont distinguées : Valeur affecté à la ZNS Imperméable localement aquifère Caractère Karstique, captif Caractère Karstique, libre Type Sédimentaire, libre Type Alluvial Valeur de la ZNS (m.) Figure 11 : Valeurs normées du critère ZNS selon la nature et le type d écoulement de la masse d eau au sein de laquelle le site ICSP se situe La formule de calcul de la vulnérabilité intrinsèque des eaux souterraines au droit des sites est la suivante : V i = (Poids IDPR * [Critère IDPR]) + (Poids ZNS * [Critère ZNS]) Avec : Poids IDPR + Poids ZNS = 1, V i compris entre 0 et 100 BRGM/RP FR 39

40 5.4. CALCUL DE LA VULNERABILITE DES EAUX SOUTERRAINES PAR POINTS Compte tenu de la précision des fonds employés, le calcul des indices IDPR et ZNS (réalisés aux pas respectifs de 100 mètres et 250 m), il n est pas satisfaisant d affecter à un point la valeur directement issue des grilles de calcul utilisées. Un cercle de rayon fixé a été défini autour des sites étudiés et les valeurs d IDPR et de ZNS ont été calculées à partir d une fonction d intégration spatiale. La figure ci-contre illustre ce mode d agrégation des données Agrégation des données ZNS aux sites L indice ZNS calculé précédemment sous la forme d une grille au pas de 250 m est rapporté aux sites BASOL. La valeur obtenue est égale à la moyenne des cellules incluses dans le cercle intégrateur. 500 Figure 12 : ZNS affecté aux zones circulaires de 500m de rayon autour de chacun des sites - Données fournies en annexe 40 BRGM/RP FR

41 Agrégation des données IDPR aux sites BASOL L indice IDPR calculé sous la forme d une grille au pas de 50 m est rapporté aux sites BASOL par l intermédiaire d un cercle intégrateur de 500 mètres de rayon. Les valeurs obtenues sont la moyenne et la médiane des cellules incluses dans le cercle intégrateur. 500 m Figure 13 : IDPR affecté aux zones circulaires de 500 m de rayon autour de chacun des sites - Données fournies en annexe. BRGM/RP FR 41