Vulnérabilité intrinsèque des aquifères et des zones humides de la région Centre Note de synthèse BRGM/RP-54299-FR décembre 2005
Vulnérabilité intrinsèque des aquifères et des zones humides de la région Centre Note de synthèse BRGM/RP-54299-FR décembre 2005 Étude réalisée dans le cadre des projets de Service public du BRGM 2005 EAU E 04 J.C Martin Vérificateur : Original signé par Th. Pointet Approbateur : Original signé par J.P. Leprêtre Le système de management de la qualité du BRGM est certifié AFAQ ISO 9001:2000.
Mots clés : Eaux souterraines, Vulnérabilité, région Centre. En bibliographie, ce rapport sera cité de la façon suivante : Martin J.C. (2005) - Vulnérabilité intrinsèque des aquifères et des zones humides de la région Centre. Note de synthèse. Rapport BRGM/RP-54299-FR. 21 p., 13 ill. BRGM, 2005, ce document ne peut être reproduit en totalité ou en partie sans l autorisation expresse du BRGM.
Sommaire 1. Introduction...5 2. Objectif et méthodologie...7 2.1. PROBLÉMATIQUE GÉNÉRALE... 7 2.1.1. Notion de vulnérabilité... 7 2.1.2. Cartographie du risque de pollution des eaux par les produits phytosanitaires... 8 2.2. MÉTHODOLOGIE DE L ÉTUDE... 10 2.2.1. Définition des paramètres hydrogéologiques... 10 2.2.2. Construction d un grille de calcul... 11 2.2.3. Choix d un système de pondération et de notation... 11 3. Les variables du calcul de la vulnérabilité... 13 3.1. FORMATIONS AQUIFÈRES ET COUVERTURES IMPERMÉABLES DE LA RÉGION CENTRE (VARIABLES V3 ET V4)... 13 3.1.1. Les ensembles hydrogéologiques... 13 3.1.2. Classe de perméabilité des aquifères (variable V4)... 13 3.1.3. Les couvertures imperméables (variable V3)... 15 3.1.4. Cas particuliers des zones humides... 16 3.2. PLUIE EFFICACE (VARIABLE V1)... 16 3.3. PENTE DU TERRAIN (VARIABLE V2)... 17 3.4. PROFONDEUR DES NAPPES (VARIABLE V5)... 17 4. Vulnérabilité intrinsèque des aquifères - Note par commune... 19 5. Conclusions... 21 BRGM/RP-54299-FR Note de synthèse - 3 -
Liste des illustrations Illustration 1 - Illustration 2 - Tableau synoptique de calcul et de cartographie du risque de pollution des eaux superficielles et des eaux souterraines... 9 Schéma de principe de l'étude de la vulnérabilité intrinsèque d'un aquifère. Les paramètres étudiés... 10 Illustration 3 - Paramètres intervenant dans la vulnérabilité d un aquifère et variables associées... 11 Illustration 4 - Formations aquifères et couvertures imperméables de la région Centre... 14 Illustration 5 - Échelle des perméabilités... 15 Illustration 6 - Quantification du critère classe de perméabilité (variable V4).... 15 Illustration 7 - Quantification du critère couverture imperméable (variable V3).... 16 Illustration 8 - Quantification du critère pluie efficace (variable V1).... 16 Illustration 9 - Quantification du critère pente du sol (variable V2)... 17 Illustration 10 - Quantification du critère épaisseur de la zone non saturée (variable V5)... 17 Illustration 11- Qualification des classes de vulnérabilité... 19 Illustration 12 - Nombre de communes par classe de vulnérabilité... 19 Illustration 13 - Carte de la vulnérabilité intrinsèque des aquifères de la région Centre (valeur par commune)... 20 BRGM/RP-54299-FR Note de synthèse - 4 -
1. Introduction Le GREPPPES réalise une cartographie du risque de pollution par les produits phytosanitaires à l échelle de la région Centre. Ce travail tient compte de tous les paramètres qui entrent en jeu dans le processus de vulnérabilité des eaux et qui sont étudiés par les organismes participant à cette cartographie, les chambres d agriculture, la DIREN et l INRA. Dans le cadre de cette cartographie régionale, le BRGM (Service géologique régional Centre) a réalisé la carte de vulnérabilité des aquifères et des zones humides de l ensemble de la région Centre. Les résultats de cette cartographie ont été présentés dans les rapports BRGM suivants : - rapport BRGM/RP-53446-FR (novembre 2004) : département de l Indre-et-Loire ; - rapport BRGM/RP-53518-FR (février 2005) : département du Cher ; - rapport BRGM/RP-54150-FR (septembre 2005) : départements de l'eure-et-loir, de l Indre, du Loir-et-Cher et du Loiret ; Cette note de synthèse rassemble les résultats obtenus pour l ensemble des six départements de la région Centre. Le financement de cette étude a été assuré conjointement par la DIREN, la DRAF, l Agence de l Eau Loire-Bretagne, l Agence de l Eau Seine-Normandie et le BRGM sur ses crédits de Service public. BRGM/RP-54299-FR Note de synthèse - 5 -
2. Objectif et méthodologie 2.1. PROBLÉMATIQUE GÉNÉRALE 2.1.1. Notion de vulnérabilité a) Vulnérabilité intrinsèque La vulnérabilité intrinsèque correspond à une notion de vitesse de propagation de la pollution vers et dans la nappe d eau souterraine. Elle caractérise la plus ou moins grande capacité de «défense» d une nappe vis-à-vis d une pollution. À la différence de la vulnérabilité spécifique, elle est indépendante du polluant. Son évaluation prend en compte des facteurs physiques qui influencent le mouvement d un polluant jusqu à la nappe et sont peu susceptibles de varier dans le temps. La couverture végétale n intervient donc pas dans l appréciation de la vulnérabilité intrinsèque. Les facteurs physiques qui assurent une protection de la nappe ont pour effet : - de réduire la part d eau et de polluant qui s infiltre (pente du terrain importante, favorisant le ruissellement, capacité de rétention en eau du sol importante) ; - de ralentir la propagation du polluant (par exemple faible perméabilité du sol et du milieu non saturé) ; - de différer son arrivée à la nappe (par exemple épaisseur importante de la zone non saturée). b) Vulnérabilité et risques Certaines approches de la vulnérabilité font intervenir des critères relatifs à la propagation du polluant dans la nappe. En toute rigueur ces critères ne participent pas à la définition d une vulnérabilité mais constituent des éléments d évaluation d un risque défini par rapport à un polluant donné et par rapport à une cible (un captage) et à un usage donné de l eau (AEP, ). Contrairement à la vulnérabilité intrinsèque, le risque est évolutif. La vulnérabilité en est un élément d'évaluation. L analyse d un risque de pollution nécessite : - d identifier les sources de pollution : il est tenu compte du type de polluant, de sa toxicité, de sa concentration. - de définir l enjeu du risque. Il peut s agir d une nappe que l on souhaite protéger, auquel cas on ne fera intervenir que des critères relatifs à la zone non saturée, ou bien d un forage AEP, et interviennent donc des critères relatifs à la nappe. BRGM/RP-54299-FR Note de synthèse - 7 -
Le «risque» est principalement lié à la valeur de la cible : dans le cas d une nappe non exploitable du fait de sa mauvaise productivité ou qualité, ou si la nappe n'est pas exploitée, le risque peut être considéré comme faible par une méthode d'évaluation du risque pour la santé humaine. Par contre, la vulnérabilité intrinsèque de cette même nappe reste identique. La cartographie d un risque, pour un polluant ou une classe de polluants, s obtient donc en croisant une carte de vulnérabilité, une carte des pressions de pollution et une carte des enjeux. 2.1.2. Cartographie du risque de pollution des eaux par les produits phytosanitaires Un programme national d actions visant à réduire les pollutions des eaux par les produits phytosanitaires a été lancé, en août 2000, par les ministères chargés de l Agriculture et de l Environnement. Afin de définir des zones d action prioritaire, le GREPPPES de la région Centre a décidé de réaliser une cartographie du zonage du risque de pollution des eaux par les produits phytosanitaires. L objectif de ce diagnostic régional est de réaliser la cartographie, à l échelle de la région Centre, des zones ayant, a priori, un risque vis-à-vis de la pollution des eaux superficielles et souterraines par les produits phytosanitaires. Le diagnostic régional se base sur un «modèle» de transfert des produits phytosanitaires vers les eaux conçu pour être pertinent à l échelle de la région. En aucun cas, il ne peut être utilisé à la précision du bassin versant et encore moins celle de la parcelle. Il s agit de déterminer une probabilité de présence ou non d une pollution et non de constater une pollution effective. Les paramètres retenus pour déterminer le risque de pollution des eaux sont regroupés selon trois grands ensembles : la sensibilité du milieu (comportement hydrologique), la charge phytosanitaire et les enjeux environnementaux, alimentaires et touristiques. Leur combinaison, présentée sur l Illustration 1, compose le cœur du modèle. À partir de ce modèle, deux cartes seront réalisées : - une sur le risque de pollution des eaux superficielles par les produits superficielles, - une sur le risque de pollution des eaux souterraines par les produits phytosanitaires. La présente étude participe à la réalisation de la carte de risque de pollution des eaux souterraines. Son objectif est de caractériser la partie concernant la couche sensibilité du milieu en réalisant la carte de vulnérabilité des eaux souterraines. BRGM/RP-54299-FR Note de synthèse - 8 -
Source : document GREPPPES Illustration 1 - Tableau synoptique de calcul et de cartographie du risque de pollution des eaux superficielles et des eaux souterraines. BRGM/RP-54299-FR Note de synthèse - 9 -
2.2. MÉTHODOLOGIE DE L ÉTUDE 2.2.1. Définition des paramètres hydrogéologiques La vulnérabilité des aquifères sera hiérarchiser en 5 classes. Une note sur l échelle de vulnérabilité des eaux souterraines sera attribuée à chaque commune. L'Illustration 2 présente le schéma de principe retenu pour l'étude de la vulnérabilité intrinsèque d'un aquifère et les paramètres étudiés. Illustration 2 - Schéma de principe de l'étude de la vulnérabilité intrinsèque d'un aquifère. Les paramètres étudiés. La décomposition sous forme cartographique des différents paramètres participant à la définition de la vulnérabilité d un aquifère présente l avantage de permettre une évaluation particulière de chaque paramètre, conduisant à une action sélective. BRGM/RP-54299-FR Note de synthèse - 10 -
On distingue les paramètres suivants : - la pluie efficace qui va favoriser la dissolution des produits et leur infiltration dans la nappe sous-jacente ; - la pente du sol ; - la présence ou non d une couverture géologique imperméable ; - la perméabilité des aquifères (type de perméabilité, degré de karstification/fissuration, hétérogénéité) ; - l épaisseur de la zone non-saturée. 2.2.2. Construction d une grille de calcul Le calcul de la vulnérabilité a été réalisé sur un découpage géographique établi à partir d un maillage de 500 mètres de côté. Ce maillage, qui couvre l ensemble de la région Centre, contient l ensemble des données utilisées pour le calcul de la note de vulnérabilité. 2.2.3. Choix d un système de pondération et de notation Chaque paramètre retenu est divisé en plusieurs classes auxquelles ont été associées des notes, prises dans une échelle de 1 à N dont l'étendue est propre à chaque critère (dans cette étude, allant de 1 à 12 au maximum), la note étant d'autant plus élevée que la vulnérabilité est forte. Chaque critère retenu est ensuite affecté d un poids reflétant l'importance du critère dans l'évaluation globale de la vulnérabilité. Cette méthode est empirique. Le choix des coefficients, appliqués aux variables, a été décidé conjointement par le SRPV et le BRGM. Il pourra être revu éventuellement au cours de l avancement de l étude et des résultats obtenus. L Illustration 3 présente les correspondances entre les paramètres concourant à la définition de la vulnérabilité d un aquifère et les variables intervenant dans le calcul de vulnérabilité. PARAMÈTRES Pluie efficace Pente du sol Couverture imperméable Classe de perméabilité Épaisseur de la zone non saturée VARIABLES Variable V1 Variable V2 Variable V3 Variable V4 Variable V5 Illustration 3 - Paramètres intervenant dans la vulnérabilité d un aquifère et variables associées. À partir des cinq paramètres, la valeur numérique de la vulnérabilité de chacune des mailles du domaine est calculée par combinaison linéaire de ces cinq paramètres. BRGM/RP-54299-FR Note de synthèse - 11 -
Combinaison linéaire des paramètres de calcul : Vulnérabilité = a1 x V1 + a2 x V2 + a3 x V3 + a4 x V4 + a5 x V5. Les coefficients a1, a2, a3, a4 et a5 étant à déterminer. La valeur de ces coefficients permet d'équilibrer le poids de chaque paramètre dans le calcul de la vulnérabilité des aquifères. Avec ce modèle, la vulnérabilité intrinsèque de l'aquifère est d autant plus élevée que la valeur calculée sera grande. Le modèle retenu conjointement par le BRGM et le GREPPPES est le suivant : Vulnérabilité = V1_recharge + V2_pente - 1 x V3_couv_imp + 0.6 x V4_K_aquif + 0.8 x V5_EP_ZNS Les coefficients retenus sont a1 = 1, a2 = 1, a3 = -1, a4 = 0,6 et a5 = 0,8. Le coefficient négatif (a3 = -1), affecté à la variable V3_couv_imp, permet de diminuer la valeur de la vulnérabilité lorsqu'il existe au droit de la maille considérée une couverture imperméable qui diminue la vulnérabilité de l'aquifère sous-jacent. Les coefficients a4 (0,6) et a5 (0,8) ont été fixés à des valeurs inférieures à 1, afin de pondérer les variables V4 et V5 dont les valeurs maximales (respectivement 10 et 12) sont les plus élevées. BRGM/RP-54299-FR Note de synthèse - 12 -
3. Les variables du calcul de la vulnérabilité 3.1. FORMATIONS AQUIFÈRES ET COUVERTURES IMPERMÉABLES DE LA RÉGION CENTRE (VARIABLES V3 ET V4) 3.1.1. Les ensembles hydrogéologiques À l échelle de la région Centre, on peut distinguer cinq grands ensembles qui sont représentées sur l Illustration 4 : - les aquifères sans couverture imperméable ; - les couvertures imperméables d épaisseurs inférieures à 5 mètres ; - les couvertures imperméables d épaisseurs supérieures à 5 mètres ; - les zones humides ; - le socle. 3.1.2. Classe de perméabilité des aquifères (variable V4) Un indice de perméabilité a été affecté à chaque entité hydrogéologique. Des regroupements ont été effectués en tenant compte du type de porosité des formations géologiques, en distinguant : - les formations à porosité matricielle dominante : milieux poreux continu. Ces formations seront codées A ; - les formations à porosité de fissure dominante : milieu discontinu (calcaires compacts fissurés, socle). Ces formations seront codées C ; - les formations présentant à la fois une porosité matricielle et une porosité de fissure : milieu «mixte». Ces formations seront codées B. Cette différenciation est indispensable pour juger de la vulnérabilité d'un aquifère, sachant que l'eau est filtrée et la circulation lente dans les sables, alors qu'il n'y a pas de filtration et la circulation de l'eau est rapide dans les fissures du calcaire. Pour chacun de ces milieux, quatre classes de perméabilité ont été considérées : très perméable (1), perméable (2), peu perméable (3), très peu perméable (4). L'échelle des perméabilités (Illustration 5) s'étend des valeurs inférieures à 10-8 m/s, pour les terrains imperméables (4), aux valeurs supérieures à 10-2 m/s, pour les terrains très perméables (1). Les deux autres classes correspondent au secteur 10-7 à 10-4 pour les terrains peu perméables (3), et au secteur 10-3 à 10-2 pour les terrains perméables (2). BRGM/RP-54299-FR Note de synthèse - 13 -
Vulnérabilité intrinsèque des eaux souterraines de la région Centre Illustration 4 - Formations aquifères et couvertures imperméables de la région Centre. BRGM/RP-54299-FR Note de synthèse - 14 -
Perméabilité Nature du milieu Continu (A) Mixte (B) Discontinu (C) Très perméable (1) A1 B1 C1 Perméable (2) A2 B2 C2 Peu perméable (3) A3 B3 C3 Imperméable (4) A4 B4 C4 Classification par ordre de perméabilité croissante (vulnérabilité croissante) et valeur des perméabilités (exprimées en m/s) 10-8 10-7 à 10-5 10-4 10-3 à 10-2 > 10-2 A4 B4 C4 A3 B3 C3 A2 B2 C2 A1 B1 C1 Illustration 5 - Échelle des perméabilités. On différencie ainsi douze classes de perméabilité (notées de 1 à 12) entre les terrains très peu perméables et les terrains très perméables discontinus (Illustration 6). Classe Description Note attribuée Classe 1 A4 1 Classe 2 B4 (absent en 28, 36, 41, 45) 2 Classe 3 C4 3 Classe 4 A3 4 Classe 5 B3 (absent en 28, 36, 41, 45) 5 Classe 6 C3 6 Classe 7 A2 7 Classe 8 B2 8 Classe 9 C2 9 Classe 10 A1 10 Classe 11 B1 (absent en 28, 36, 41, 45) 11 Classe 12 C1 12 Illustration 6 - Quantification du critère classe de perméabilité (variable V4). 3.1.3. Les couvertures imperméables (variable V3) Plusieurs systèmes aquifères possèdent un recouvrement argileux ou marneux qui atténue leur vulnérabilité, mais qui ne paraît pas sur les documents numérisés des systèmes aquifères. On a donc recherché d autres documents spécifiques aux formations «imperméables». Pour les recouvrements imperméables d épaisseur supérieure à 5 mètres, on dispose de la carte élaborée dans le cadre de l'étude de la recherche des sites de stockage des déchets ultimes (rapport BRGM/R 38233 de 1994). Ces formations de couverture sont représentées selon leur nature : argiles et sables, argiles, sables, argiles et marnes. Cette carte est basée sur des critères sévères : - une faible perméabilité, inférieure à 1 x 10-9 m/s ; - une épaisseur supérieure à 5 m, indiquée sur les coupes géologiques archivées au BRGM. BRGM/RP-54299-FR Note de synthèse - 15 -
Le résultat montre donc des surfaces réduites. L intérêt de cette carte est double : d une part, de différencier l ensemble des formations de surface selon leur épaisseur avec une valeur de 5 mètres prise comme repère et, d autre part, de permettre une mise en relation de ces couvertures imperméables avec les systèmes aquifères sous-jacents. On définit trois classes de vulnérabilité croissante (Illustration 7) : Classe Description Note attribuée Classe 1 avec couverture imperméable d épaisseur supérieure à 5 mètres 7 Classe 2 avec couverture imperméable d épaisseur inférieure à 5 mètres 2 Classe 3 sans couverture imperméable 0 Illustration 7 - Quantification du critère couverture imperméable (variable V3). 3.1.4. Cas particuliers des zones humides Dans la région Centre, on compte 2 grandes zones humides : la Sologne et la Brenne. Dans cette étude, celles-ci ont été considérées comme étant des aquifères superficiels 3.2. PLUIE EFFICACE (VARIABLE V1) Par définition, la pluie efficace (exprimée en mm) correspond à la somme de la lame d'eau qui ruisselle et de la lame d'eau qui s'infiltre. En l'absence de quantification du ruissellement permettant d'accéder à l'infiltration, la pluie efficace peut être considérée comme un indicateur du flux d'eau infiltré. Cette variable ne s applique pas directement au calcul de la vulnérabilité intrinsèque des aquifères. Il a été néanmoins décidé de l associer à son calcul dans le cadre du groupe de travail GREPPPES. On retiendra, pour la détermination de la variable V1, la pluie efficace calculée par le ministère de l'écologie et du Développement Durable pour l'ensemble de la France, à partir des données de Météo France. Les données disponibles correspondent à une moyenne faite sur la période 1946-2001, en retenant une valeur moyenne par commune. Les classes de valeurs constituées, au nombre de cinq, et les notes attribuées sont les suivantes (Illustration 8) : Classe Description Note attribuée Classe 1 moins de 100 mm/an 1 Classe 2 de 100 à 150 mm/an 2 Classe 3 de 150 à 200 mm/an 3 Classe 4 de 200 à 250 mm/an 4 Classe 5 plus de 250 mm/an 5 Illustration 8 - Quantification du critère pluie efficace (variable V1). BRGM/RP-54299-FR Note de synthèse - 16 -
3.3. PENTE DU TERRAIN (VARIABLE V2) La pente, en favorisant le ruissellement, réduit les possibilités d infiltration et donc les risques de pénétration d un polluant vers la nappe. Les données altitude du sol et pente ont été moyennées par maille de 500 m de côté. Ce sont ces données qui ont servi dans le calcul des pentes du sol (variable V2) et de la profondeur des nappes (variable V5). Les classes de valeurs constituées, au nombre de six, et les notes attribuées sont les suivantes (Illustration 9) : Classe Description Note attribuée Classe 1 plus de 6 degrés 1 Classe 2 de 4 à 6 degrés 2 Classe 3 de 2 à 4 degrés 3 Classe 4 de 1 à 2 degrés 4 Classe 5 de 0,5 à 1 degré 5 Classe 6 moins de 0,5 degré 6 Illustration 9 - Quantification du critère pente du sol (variable V2) 3.4. PROFONDEUR DES NAPPES (VARIABLE V5) Les profondeurs moyennes de la première nappe rencontrée au droit de chaque cellule des grilles de vulnérabilité (500 m x 500 m) sont réparties en six classes correspondant à des vulnérabilités croissantes, auxquelles des valeurs de notes sont affectées (Illustration 10) : Classe Description Note attribuée Classe 1 plus de 30 m 1 Classe 2 de 20 à 30 m 2 Classe 3 de 10 à 20 m 3 Classe 4 de 5 à 10 m 4 Classe 5 de 2,5 à 5 m 6 Classe 6 moins de 2,5 m 10 Illustration 10 - Quantification du critère épaisseur de la zone non saturée (variable V5). Le choix des classes de profondeur est volontairement non linéaire, afin de donner un poids plus fort aux faibles profondeurs. BRGM/RP-54299-FR Note de synthèse - 17 -
4. Vulnérabilité intrinsèque des aquifères Note par commune Les notes de vulnérabilité obtenues par combinaison linéaire des variables V1 à V5 ont été réparties en cinq classes (Illustration 11). Classe Note attribuée Qualificatif Classe 1 inférieure à 5 non vulnérable Classe 2 de 5 à 10 faiblement vulnérable Classe 3 de 10 à 15 moyennement vulnérable Classe 4 de 15 à 20 fortement vulnérable Classe 5 supérieur ou égal à 20 très fortement vulnérable Illustration 11 - Qualification des classes de vulnérabilité Les résultats des calculs de la vulnérabilité des communes de la région centre sont présentés dans le tableau de l Illustration 12 et la carte de l Illustration 13. Illustration 12 - Nombre de communes par classe de vulnérabilité. Plus de la moitié des communes de la région Centre (55 %) est en zone de vulnérabilité jugée comme moyennement vulnérable. Les autres communes se répartissent entre des zones fortement vulnérables (26 %) ou faiblement vulnérables (17 %). Peu de communes sont en zone de vulnérabilité extrême comme très fortement vulnérable (3 %) ou non vulnérable (0 %). Le département du Cher apparaît comme le département ayant le plus de zones aquifères vulnérables, tandis que le département de l Eureet-Loir comme le département ayant le moins de zones aquifères vulnérables. BRGM/RP-54299-FR Note de synthèse - 19 -
Vulnérabilité intrinsèque des eaux souterraines de la région Centre Illustration 13 - Carte de la vulnérabilité intrinsèque des aquifères de la région Centre (valeur par commune). BRGM/RP-54299-FR Note de synthèse - 20 -
5. Conclusions Les traitements numériques et le calcul de la vulnérabilité intrinsèque des aquifères des départements de la région Centre ont été réalisés par l'intermédiaire d'une méthode basée sur un découpage géographique des départements en mailles de 500 m de côté et en combinant sur cette grille cinq critères de vulnérabilité retenus pour leur importance dans la détermination de la vulnérabilité intrinsèque d'un aquifère. Un indice de vulnérabilité a été calculé dans chacune des mailles et cartographié avec une échelle de vulnérabilité comprenant cinq classes. Une moyenne de cet indice a ensuite été réalisée par commune (valeur moyenne des indices affectés aux mailles situées dans la commune) ce qui a engendré une homogénéisation de la notation. La carte construite doit être interprétée non pas en tant que reflet d une vulnérabilité absolue, mais en tant que construction d une hiérarchie des systèmes et domaines relativement à leur vulnérabilité (échelle relative), hiérarchie permettant de cibler les zones prioritaires en matière de protection de la ressource. BRGM/RP-54299-FR Note de synthèse - 21 -
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