Faculté de l'environnement naturel, architectural et construit ENAC, Section de génie civil, Institut des infrastructures, des ressources et de l'environnement ICARE (Laboratoire de géologie de l'ingénieur et de l'environnement GEOLEP)

Méthodologie de dimensionnement des zones de protection des captages d'eaux souterraines contre les polluants chimiques persistants

Bussard, Thierry ; Parriaux, Aurèle (Dir.) ; Tacher, Laurent (Dir.)

Thèse sciences Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2005 ; no 3277.

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    Summary
    This research proposes a general methodology allowing the delimitation of protection areas for abstracted groundwater against persistent chemical contaminants for the setting up of: (1) remediation programmes in the event of contamination and (2) prevention programmes, in a general way. Since such substances are mainly transported by water circulation, this approach suggests delineating protection areas on the basis of the complete groundwater flow cycle, from the surface of the catchment zone to the groundwater source itself. Areas with the highest contribution rate to the groundwater source will be protected first and foremost. The method under consideration is essentially applied to diffuse contaminants, such as pesticides or nitrates released by agriculture. If pollution is local, a standard method must be applied to treat the problem at the root. The methodology proposes the following steps, which start from the groundwater source and are widened, upstream, to the catchment zone: Identifying the aquifer portion that supplies the groundwater source. Defining, on the ground surface, the catchment zone of the groundwater source. Quantifying the recharge and discharge processes. Calculating the contribution to the groundwater abstraction rate of any point i on the catchment zone surface (Ci) by the following equation: Ci = Ii(1-ei)Pi [m/s] Ii : Infiltration of the precipitation or stream losses at point i [m/s]. ei : Discharge coefficient of water before reaching the main groundwater table (agricultural draining, perched water table, etc.), 0 ≤ e ≤ 1 [-]. Pi : Probability of a particle of water that reaches the groundwater table from point i at the surface going to the groundwater source, 0 ≤ P ≤ 1 [-]. Checking the results (water and mass balances). When the results are not satisfactory, the steps will have to be reiterated. Delineating protection areas (areas with the highest C will be primarily protected). With this approach, we propose not to confine ourselves taking the totality of the catchment zone as protection area against persistent contaminants (protection defined in most of the countries), but to define a smaller area of protection by selecting only the most contributive surfaces. As the acreage of the protection area can be considerably reduced, it will be possible to apply more severe regulations to it, which could never be done on the scale of the entire acreage of the catchment zone. Protection areas defined on this basis moreover allow target remediation solutions(1) which optimize the efficiency/cost ratio. They are, by their very concept, independent of the flux of contaminants at any given time and provide a tool for sustainable development and land planning. For each groundwater source, a rapid calculation based on the contribution field can be made to estimate the potential efficiency of the method and determine the remediation surface that is necessary to reduce contamination. In the same way, the effects of the potential development of the region can be evaluated. The contribution isoline that delimits the protection area can be proposed on the basis of this result. Three actual cases have been treated in order to test the method's applicability. The results are convincing in various porous or fractured aquifers. In the three sites, the results show that, with a similar remediation surface, remediation is more efficient when acting according to the concept of the methodology than when operating without spatial differentiation. ---------- (1) This study uses the concept of a "natural" remediation surface whereby contaminant leaching is reduced by a change in cultivation or in proceedings. The conversion of cultivated areas into meadows is, e.g., one of the most effective methods to reduce nitrates leaching.
    Résumé
    La présente recherche propose une méthodologie générale permettant le dimensionnement de zones de protection des eaux souterraines captées contre les polluants chimiques persistants, en vue de pouvoir définir: (1) des programmes d'assainissement dans le cas d'une contamination et (2) des programmes de protection préventive, dans un cadre plus général. Le transport de telles substances étant d'abord influencé par les circulations des eaux, cette approche suggère de dimensionner les zones de protection sur la base du cheminement des eaux depuis la surface du bassin d'alimentation jusqu'au captage considéré. Les secteurs qui contribuent le plus à l'alimentation en eau du captage seront prioritairement protégés. La méthode s'applique essentiellement aux pollutions diffuses, comme les pesticides ou les nitrates libérés par les exploitations agricoles. En présence d'une pollution ponctuelle, un traitement local approprié devra être entrepris. La méthodologie propose les étapes suivantes qui partent du captage et sont élargies, en amont, jusqu'au bassin d'alimentation: Identifier la portion d'aquifère alimentant le captage. Définir, à la surface du terrain, le bassin d'alimentation du captage. Quantifier les processus de recharge et d'exportation au sein de la zone non saturée. Calculer la contribution à l'alimentation en eau du captage en tout point i du bassin d'alimentation (Ci) avec l'équation suivante: Ci = Ii(1-ei)Pi [m/s] Ii : Infiltration efficace des précipitations ou infiltration de cours d'eau au point i [m/s]. ei : Coefficient d'exportation des particules d'eau infiltrées avant d'atteindre la nappe principale, 0 ≤ e ≤ 1 [-]. Pi : Probabilité qu'une particule d'eau arrivée dans la nappe depuis un point i en surface aille au captage, 0 ≤ P ≤ 1 [-]. Contrôler les résultats (bilans hydrauliques et chimiques). Lorsque les résultats ne sont pas satisfaisants, les étapes doivent être réitérées. Dimensionner les zones de protection (les secteurs de plus grande valeur C seront protégés prioritairement). Par cette approche, nous proposons de ne pas nous limiter à prendre la totalité du bassin d'alimentation comme zone de protection contre les polluants persistants (protection définie dans la plupart des pays), mais de définir une zone de protection plus petite en sélectionnant uniquement les surfaces les plus contributives. La superficie de la zone de protection pouvant être considérablement réduite, il sera possible d'y appliquer une réglementation plus sévère, impossible à mettre en place sur la totalité de la surface du bassin d'alimentation. Les zones de protection définies sur cette base permettent, en outre, de définir des actions d'assainissement(1) ciblées qui optimisent les rapports efficacité / coût. Elles sont, par leur propre concept, indépendantes des flux de polluants à un instant donné et fournissent un instrument de gestion et de développement durable du territoire. Pour chaque captage, un calcul rapide basé sur le champ des contributions peut être réalisé pour estimer l'efficacité potentielle de la méthodologie et déterminer la surface d'assainissement nécessaire pour réduire la contamination. De même, les effets d'un développement potentiel de la région peuvent être évalués. L'isoligne de contribution délimitant la zone de protection peut être proposée sur la base de ce résultat. Trois cas ont été traités pour tester l'applicabilité de la méthodologie. Les résultats sont convaincants dans différents aquifères en roches meubles et en roches fissurées. Dans les trois situations, les résultats montrent que, à surface assainie égale, l'assainissement est bien plus efficace selon cette méthodologie que selon des mesures non différentiées spatialement. ---------- (1) Cette étude utilise le concept d'un assainissement "naturel" induit à la suite d'une modification des cultures ou des procédures d'exploitation. La conversion de secteurs cultivés en prairie permanente, par exemple, est l'un des meilleurs moyens pour réduire la lixiviation de nitrates.