Faculté des sciences

Groundwater protection in fractured media: a vulnerability-based approach for delineating protection zones in Switzerland = Protection des eaux souterraines en milieu fissuré: Approche basée sur le concept de vulnérabilité pour la délimitation des zones de protection en Suisse

Pochon, Alain ; Tripet, Jean-Pierre ; Kozel, Ronald ; Meylan, Benjamin ; Sinreich, Michael ; Zwahlen, François

In: Hydrogeology Journal, 2008, vol. 16, no. 7, p. 1267-1281

Une approche basée sur le concept de vulnérabilité a été développée pour délimiter les zones de protection des sources d’eau souterraine en milieu fissuré. Elle permet l’application de la réglementation suisse concernant la protection des eaux. La diversité des conditions hydrogéologiques propre aux aquifères fissurés est prise en compte par l’application de solutions... Plus

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    Résumé
    Une approche basée sur le concept de vulnérabilité a été développée pour délimiter les zones de protection des sources d’eau souterraine en milieu fissuré. Elle permet l’application de la réglementation suisse concernant la protection des eaux. La diversité des conditions hydrogéologiques propre aux aquifères fissurés est prise en compte par l’application de solutions spécifiques pour chaque type de contexte. Un processus décisionnel permet de sélectionner une des trois méthodes en fonction de la vulnérabilité de la source et de l’hétérogénéité de l’aquifère. L’approche requiert tout d’abord une évaluation de la vulnérabilité de la source comprenant un suivi des hydrogrames et de la qualité de l’eau. En cas de faible vulnérabilité de la source, une méthode simplifiée basée sur la prise en compte d’une distance minimale est appliquée (“Méthode des distances”). Pour les sources vulnérables, une deuxième étape d’investigation est nécessaire pour mieux caractériser l’aquifère, principalement en terme d’hétérogénéité. Cette deuxième étape comprend une étude hydrogéologique détaillée et des essais de traçage. Si l’aquifère apparaît peu hétérogène, les zones de protection sont délimitées sur la base d’isochrones (“Méthode des isochrones”). En cas de forte hétérogénéité, une méthode de cartographie de la vulnérabilité des eaux souterraines est appliquée (“méthode DISCO”), basée sur l’évaluation des paramètres “discontinuité”, “couverture protectrice” et “ruissellement”. Chaque méthode est illustrée par un exemple d’application.
    Zusammenfassung
    Für Quellfassungen in Kluftgesteinen wurde ein Verfahren zur Bemessung von Grundwasserschutzzonen entwickelt, welches der Umsetzung der schweizerischen Gewässerschutzverordnung dient. Es beruht auf dem Konzept der Vulnerabilität und berücksichtigt die geologische und hydrogeologische Vielfalt von Kluft-Grundwasserleitern. Mittels eines Entscheidungsprozesses kann von drei unterschiedlichen Methoden diejenige ausgewählt werden, welche der Vulnerabilität der Quellfassung und der Heterogenität des Grundwasserleiters am besten entspricht. Zunächst wird dabei die Vulnerabilität der Quelle bestimmt, basierend auf Hydrogrammen und Beobachtung der Wasserqualität. Bei gering vulnerablen Quellen können die Schutzzonen direkt mit einer Mindestausdehnung ausgeschieden werden („Distanz-Methode“). Für vulnerable Quellen sind zusätzliche Untersuchungen notwendig, um die Eigenschaften des Grundwasserleiters – insbesondere dessen Heterogenität – besser zu erfassen. Dieser zweite Schritt beinhaltet hydrogeologische Detailstudien inklusive Markierversuche. Bei schwach heterogenen Kluft-Grundwasserleitern werden die Schutzzonen dann mittels Isochronen bemessen („Isochronen-Methode“). Die aufwendigste Methode gelangt nur bei einem stark heterogenen Grundwasserleiter zur Anwendung („Methode DISCO“). Sie basiert auf einer Kartierung der Trennflächen des Kluft-Grundwasserleiters, der schützenden Deckschichten sowie des Oberflächenabflusses, und erfasst damit die Vulnerabilität des Einzugsgebietes. Jede der drei Methoden wird anhand eines Fallbeispiels erläutert.
    Summary
    A vulnerability-based approach for delineating groundwater protection zones around springs in fractured media has been developed to implement Swiss water-protection regulations. It takes into consideration the diversity of hydrogeological conditions observed in fractured aquifers and provides individual solutions for each type of setting. A decision process allows for selecting one of three methods, depending on the spring vulnerability and the heterogeneity of the aquifer. At the first stage, an evaluation of spring vulnerability is required, which is essentially based on spring hydrographs and groundwater quality monitoring. In case of a low vulnerability of the spring, a simplified method using a fixed radius approach (“distance method”) is applied. For vulnerable springs, additional investigations must be completed during a second stage to better characterize the aquifer properties, especially in terms of heterogeneity. This second stage includes a detailed hydrogeological survey and tracer testing. If the aquifer is assessed as slightly heterogeneous, the delineation of protection zones is performed using a calculated radius approach based on tracer test results (“isochrone method”). If the heterogeneity is high, a groundwater vulnerability mapping method is applied (“DISCO method”), based on evaluating discontinuities, protective cover and runoff parameters. Each method is illustrated by a case study.
    Summary
    Se ha desarrollado una aproximación basada en la vulnerabilidad para definir zonas de protección de aguas subterráneas en torno a manantiales con el objeto de implementar las normas de protección de Suiza. Se toma en consideración la diversidad de condiciones hidrogeológicas observadas en acuíferos fracturados y provee soluciones individuales para cada tipo de escenario. Un proceso de decisión permite seleccionar uno de tres métodos, dependiendo de la vulnerabilidad de los manantiales y de la heterogeneidad del acuífero. La primera etapa requiere de una evaluación de la vulnerabilidad del manantial, que esencialmente se basa en hidrogramas del manantial y en datos de monitoreo de la calidad del agua subterránea. Si el manantial es de baja vulnerabilidad, se aplica un método simplificado que utiliza una aproximación de radio fijo (“Método de la Distancia”). Para manantiales vulnerables, en una segunda etapa deben completarse investigaciones adicionales para caracterizar más adecuadamente las propiedades del acuífero, especialmente su heterogeneidad. Esta segunda etapa incluye un reconocimiento hidrogeológico detallado y ensayos de trazadores. Si se juzga que el acuífero es altamente heterogéneo, la determinación de zonas de protección utiliza una aproximación del radio calculado a partir de ensayos de trazadores (“Método de Isocronas”). Si la heterogeneidad es alta, se aplica un método de mapeo de la vulnerabilidad del acuífero (“Método DISCO”), que se basa en la evaluación de discontinuidades, cubierta de protección y parámetros del escurrimiento superficial. Cada método se ilustra con un caso de estudio.
    Riassunto
    Per delimitare le zone di protezione delle acque sotterranee relative alle sorgenti in acquiferi fessurati è stato sviluppato un metodo basato sul concetto di vulnerabilità. Tale approccio consente l’applicazione della normativa svizzera in materia di protezione delle acque. Si tiene conto in particolare della diversità delle condizioni idrogeologiche che caratterizzano gli acquiferi fessurati mediante l’applicazione di soluzioni specifiche per i diversi contesti. Un processo decisionale permette di selezionare uno dei tre metodi elaborati, in funzione della vulnerabilità della sorgente e dell’eterogeneità dell’acquifero. L’approccio metodologico richiede innanzitutto una valutazione della vulnerabilità della sorgente. Tale valutazione comporta un controllo degli idrogrammi e della qualità dell’acqua. In caso di bassa vulnerabilità della sorgente, si applica un metodo semplificato, che prevede il rispetto di una distanza minima (“metodo delle distanze”). Per le sorgenti vulnerabili sono necessarie altre indagini, volte a definire meglio le caratteristiche dell’acquifero, soprattutto per quanto concerne l’eterogeneità. Questa seconda fase comprende uno studio idrogeologico dettagliato e prove di tracciamento. In caso di bassa eterogeneità dell’acquifero, le zone di protezione sono delimitate sulla base di isocrone (“metodo delle isocrone”). In caso di forte eterogeneità, si applica invece un metodo cartografico per determinare la vulnerabilità delle acque sotterranee (“metodo DISCO”), basato sulla valutazione dei seguenti parametri: “discontinuità”, “copertura di protezione” e “ruscellamento”. Ogni metodo è illustrato da un esempio concreto.