Contribution à la modélisation du transfert des nitrates au travers de la zone non saturée à l'échelle régionale PDF Download
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Author: Élodie Philippe Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 207
Book Description
Les contaminations en nitrates observées depuis les années 1950 dans les hydrosystèmes constituent un enjeu environnemental important. Pour respecter les normes de qualité fixées (Directive Cadre sur l'Eau), une bonne connaissance de leur dynamique est donc nécessaire et passe par un travail de modélisation. Nous nous focalisons ici sur la modélisation des transferts à travers la zone non saturée située entre le sol et la nappe. Ce milieu peut en effet générer des délais importants entre une contamination en surface et un impact sur la qualité des ressources en eau souterraines. Nous avons donc en premier lieu étudié précisément ces transferts via des tests effectués avec un modèle numérique à bases physiques. Nous avons également évalué avec ces tests l'impact du battement de nappe sur ces transferts. Dans le modèle intégré des hydrosystèmes Eau-dyssée, l'approche utilisée pour simuler ces transferts est volontairement simplifiée pour limiter les temps de calcul et le nombre de paramètres requis. Nous proposons alors une évaluation et une amélioration de cette approche. Nous obtenons ainsi une dynamique de transfert des solutés se comparant mieux à ce qui est observé sur le terrain. Une application du modèle à l'échelle régionale, sur le bassin de la Seine, a permis également de mettre en exergue les problèmes posés par l'initialisation des teneurs en nitrates dans le milieu souterrain avant les débuts de l'agriculture intensive. Nous proposons donc une méthode permettant de restituer l'évolution de la médiane des teneurs souterraines en nitrates dans les trois principaux aquifères de ce bassin (Oligocène, Eocène, Craie).
Author: Élodie Philippe Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 207
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Les contaminations en nitrates observées depuis les années 1950 dans les hydrosystèmes constituent un enjeu environnemental important. Pour respecter les normes de qualité fixées (Directive Cadre sur l'Eau), une bonne connaissance de leur dynamique est donc nécessaire et passe par un travail de modélisation. Nous nous focalisons ici sur la modélisation des transferts à travers la zone non saturée située entre le sol et la nappe. Ce milieu peut en effet générer des délais importants entre une contamination en surface et un impact sur la qualité des ressources en eau souterraines. Nous avons donc en premier lieu étudié précisément ces transferts via des tests effectués avec un modèle numérique à bases physiques. Nous avons également évalué avec ces tests l'impact du battement de nappe sur ces transferts. Dans le modèle intégré des hydrosystèmes Eau-dyssée, l'approche utilisée pour simuler ces transferts est volontairement simplifiée pour limiter les temps de calcul et le nombre de paramètres requis. Nous proposons alors une évaluation et une amélioration de cette approche. Nous obtenons ainsi une dynamique de transfert des solutés se comparant mieux à ce qui est observé sur le terrain. Une application du modèle à l'échelle régionale, sur le bassin de la Seine, a permis également de mettre en exergue les problèmes posés par l'initialisation des teneurs en nitrates dans le milieu souterrain avant les débuts de l'agriculture intensive. Nous proposons donc une méthode permettant de restituer l'évolution de la médiane des teneurs souterraines en nitrates dans les trois principaux aquifères de ce bassin (Oligocène, Eocène, Craie).
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DANS CE TRAVAIL, UN OUTIL DE MODELISATION MATHEMATIQUE A ETE MIS AU POINT POUR MODELISER DE FACON SIMPLE ET RAPIDE, ET AVEC UNE PRECISION ACCEPTABLE, LE TRANSPORT DES NITRATES D'ORIGINE AGRICOLE DANS LES EAUX SOUTERRAINES. LES DONNEES NECESSAIRES POUR L'UTILISATION DE CET OUTIL DE MODELISATION PEUVENT ETRE RECUEILLIES SUR UNE ANNEE, AVEC UN NOMBRE RESTREINT DE MESURES IN SITU. LE MODELE PEUT ETRE APPLIQUE A UNE NAPPE LIBRE ALIMENTANT UNE STATION DE POMPAGE ET SUR LAQUELLE L'IMPACT DE LA POLLUTION NITRATEE D'ORIGINE AGRICOLE EST TRES FORT. L'OUTIL DE MODELISATION EST CONSTITUE D'UN MODELE DE TRANSPORT EN ZONE SATUREE, DEVELOPPE EN LANGAGE DE PROGRAMMATION TURBO-PASCAL ET INTEGRE DANS UN SYSTEME D'INFORMATION GEOGRAPHIQUE (IDRISI). LE SIG JOUE UN ROLE D'INTERFACE POUR LE MODELE ET PERMET UNE SAISIE RAPIDE DES DONNEES DE MODELISATION. UN CERTAIN NOMBRE DE SIMPLIFICATIONS APPORTEES A LA THEORIE DU MODELE PERMET DE RESTREINDRE LE NOMBRE DE DONNEES NECESSAIRES A LA SIMULATION : - LE MODELE EST BASE SUR UN PRINCIPE CONVECTIF PUR (LA DISPERSION ETANT NEGLIGEE) ; - IL TRAITE EGALEMENT L'EVOLUTION ANNUELLE DE LA PIEZOMETRIE DE LA NAPPE PAR UNE INTERPOLATION MATHEMATIQUE ENTRE LA PIEZOMETRIE DES HAUTES EAUX ET DES BASSES EAUX. LE MODELE DE TRANSPORT, NE GERANT PAS L'HYDRODYNAMISME DE L'AQUIFERE, A ETE COUPLE AVEC UN MODELE HYDRODYNAMIQUE : MODFLOW. LE MODELE DE TRANSPORT A EGALEMENT ETE COUPLE AVEC UN MODELE DE TRANSFERT DE NITRATES EN ZONE NON SATUREE : AGRIFLUX. CET OUTIL DE MODELISATION, TESTE SUR DEUX SITES D'ETUDE DU POITOU-CHARENTES, A DONNE POUR CHACUN DES RESULTATS DE MODELISATION SATISFAISANTS, ASSURANT AINSI LA VALIDATION DU MODELE. UNE MODELISATION PARALLELE, CONDUITE POUR LES DEUX SITES AVEC UN MODELE DE TRANSPORT CLASSIQUE (MT3D, COUPLE AVEC MODFLOW), A PERMIS D'OBTENIR DES RESULTATS TRES PROCHES DES PREMIERS, PERMETTANT AINSI UNE VALIDATION COMPLEMENTAIRE DE L'OUTIL DE MODELISATION.
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En période sèche, l'écoulement se fait à 85 % par effet piston au sein de la matrice poreuse crayeuse, avec une vitesse de l'ordre de 0.6 rn/an sous un recouvrement argileux supérieur à 5 m, 1.0 rn/an sous un recouvrement limoneux et enfm 1.25 m sous un recouvrement sableux. Dans des conditions de saturation importante, l'écoulement par les fissures peut venir égaler voire supplanter le mode d'écoulement par effet piston. Les vitesses de migration des nitrates sont " brusquement" accélérées, pendant une courte période, au droit de la zone fissurée. On observe en général un décalage de l'ordre de 5 m d'une fraction du front de pollution azotée par l'intermédiaire des fissures. La modélisation intégrée des cycles de l'eau et de l'azote au droit du bassin versant de l'Escrebieux montre que le module nitrates, que nous avons développé, restitue correctement les observations de terrain effectuées aux droit des différents piézomètres de suivi de la qualité de la nappe de la craie de ce bassin.
Author: Daniel Bernard Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 264
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Dans le Nord de la France, l'eau souterraine représente la quasi-totalité de la ressource en eau potable distribuée. Les contraintes de qualité et de prévention des pollutions ont conduit à engager de nombreuses recherches qui ont fourni le cadre du travail présenté. Les thèmes majeurs sont, au travers de cinq thèses de doctorat, la minéralisation en nitrates de la nappe de la craie, de ses origines jusqu'à ses conséquences sur les eaux prélevées par les captages d'eau potable, la problématique du nickel en solution, la migration de l'atrazine dans la craie. Des thèmes secondaires comme la vulnérabilité de la nappe de la craie aux pollutions, l'hydrogéochimie de la nappe de la craie, la vitesse de percolation de l'eau dans la zone non saturée sont également évoqués. Parmi les moyens utilisé, ce sont près de 200 sondages carottés de la zone non saturée qui ont permis de restituer les profils de concentration en nitrates, bore, chlorure, sulfate et ainsi donner les éléments de calage des modèles de calculs (AZOSIL, CORPEN) des excédents lessivés au-delà de la zone agronomique, et ce à partir des pratiques de cultures observées sur les parcelles concernées par les sondages. Les vitesses de migration des solutions nitratées dans la zone non saturée de la craie ont ainsi été reconnues comme de l'ordre de 0,5 m par an pour des conditions moyennes de pluies efficaces. Pour des pluies efficaces très excédentaires, type hiver 2001, la saturation de la porosité de matrice va favoriser le transfert par le milieu fissuré, les vitesses de percolation pouvant alors dépasser 1 m par an. Le calage des modèles mathématiques (AGRIFLUX, VHIUNSAT, MT3D) utilisés en cascade ont permis de restituer le cycle des nitrates depuis la fertilisation jusqu'au captage d'eau potable en nappe libre et ainsi envisager des projections de la qualité de l'eau captée à l'échelle de 2015, date butoir de la Direction Cadre Européenne. On observe ainsi que les flux les plus importants de nitrates proviennent des fortes fertilisations réalisées dans les années soixante. Le comportement des nitrates et des métaux en solution comme le nickel a été approché par l'utilisation des traceurs naturels que sont les isotopes de l'azote et du soufre, associés à l'étude de l'hydrogéochimie du milieu. On a aussi mis en évidence l'effet de la dénitrification à partir des sulfures de fer des pyrites contenues dans la craie sur la solubilisation du nickel dans la nappe en position captive. On aboutit à proposer un schéma d'exploitation des captages permettant de s'affranchir de la présence du nickel en excès dans l'eau captée, en privilégiant les conditions physicochimiques du milieu pour lesquelles le nickel va s'adsorber sur les hydroxydes de fer et de manganèse. Le problème de la migration de l'atrazine a été traité sur le mode indirect : l'étude statistique de différents facteurs, tel la pente de ruissellement sur les chaussées, les types de cultures, la fissuration de la craie, ont permis, par modélisation diverses (réseau de neurones, MT3D) de privilégier une origine urbaine de l'atrazine, avec lessivage puis infiltration dans des zones très fissurées. La modélisation rend ainsi compte des concentrations en atrazine observées sur un champ captant.
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Ce mémoire présente une méthodologie utilisant trois modèles conjointement pour représenter le transfert des nitrates dans un système hydrologique à l'échelle régionale. Cette méthodologie permet une description conceptuelle du transfert avec discrétisation spatiale en tenant compte à la fois de la biochimie de l'azote, de la production des nitrates dans le sol et de leur déplacement dans la nappe souterraine. Trois exemples permettent de tester la méthodologie à trois échelles différentes: échelle métrique, petit bassin versant expérimental et système régional
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Ce travail a eu comme objectif de comprendre et quantifier les transferts d'azote agricoles dans les rivières des bassins versants Gascons, afin d'évaluer l'efficacité de scénarii agricoles sur la teneur en azote nitrique des rivières. Un protocole de mesure en continue dans le petit bassin versant agricole d'Auradé (Gers, Sud-Ouest de la France) de 3.3km2 a été mis en place pour mesurer la variabilité de la teneur en nitrate. Les variations infra-journalières des concentrations lors d'évènements de crue sont fortes, les flux correspondant sont importants a l'echelle annuelle. L'approche de modélisation à base physique du bassin versant d'auradé a ensuite été envisagée pour calculer les bilans hydriques et agronomiques de ce type de bassin. Deux modèles de bassin versant ont été choisis : TNT2, entièrement distribué, adapté aux petits bassins versants à nappe superficielle, SWAT, semi distribué, développé pour de plus larges bassins versants. Leur utilisation a permis de : - montrer qu'aucun n'est capable de prédire l'intensité journalière des flux d'azote nitrique observée dans la rivière en période de crue, même si l'approche de SWAT est mieux adaptée pour simuler les transferts rapides - simuler un bilan d'eau et d'azote proche pour les deux modèles mais avec des processus simulés opposés - montrer l'importance de la simulation de la dénitrification et de la minéralisation pour conclure sur la capacité des modèles à reproduire la réalité. TNT2 a été jugé plus adapté pour simuler des scénarios agricoles imaginés ou déjà implantés sur le bassin versant d'Auradé. Les résultats de simulation montrent que les mesures agro-environnementales implantées auraient eu une efficacité de 16% de diminution des flux d'azote nitrique annuels à l'exutoire, à laquelle s'ajouterait encore 18% de diminution en cas d'implantation de Culture Intermédiaire de Piège à Nitrate. Le paramétrage global de SWAT sur la Save, bassin versant de 1110km2 contenant le bassin d'Auradé, a ensuite été modifié pour le contexte agro-pédologique d'Auradé, représentant 25% de la surface du bassin de la Save. Les paramètres hydrologiques majeurs calibrés sur le bassin d'Auradé sont transposés sur cette surface. L'amélioration des prédictions à l'exutoire de la Save est significative, et montre la contribution importante de ces zones aux débits à l'exutoire de la Save lors de certains évènements pluvieux. Une meilleure prise en compte de l'occupation du sol est à envisager pour améliorer ces prédictions.
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La presente etude s'inscrit dans le cadre de recherches sur la gestion des pollutions diffuses agricole a l'echelle du bassin versant. Les sols et l'assolement observes sur un bassin versant pilote de poitou-charentes sont utilises dans un modele mecaniste stochastique agriflux pour simuler l'ecoulement de l'eau et le transport des nitrates dans la zone racinaire et dans la frange superieure de la zone non saturee sur une periode de 15 ans. Les resultats de cette sont utilises sous forme de flux saisonniers pour reconstituer les concentrations en nitrates rencontrees dans la nappe. Une approche basee sur un modele de melange a montre que l'on pouvait reconstituer les concentrations de nitrates dans la nappe en fonction des conditions hydrodynamiques et des flux d'eau et de nitrates percolant depuis la surface. Dans une seconde approche, le couplage hydrodynamique entre les differentes zones du milieu (racinaire, non saturee et saturee) est realise sur des modeles d'ecoulement et de transport adaptes a l'echelle du bassin versant. Les flux d'infiltration calcules par agriflux dans la zone non saturee sont utilises comme flux de recharge dans le modele hydrodynamique modflow qui est utilise pour simuler l'hydrodynamique transitoire sur l'ensemble du bassin. Les periodes de contraintes de 90 jours sont determinees a l'aide d'une analyse correlatoire sur les donnees pluviometrique et piezometrique, et permettent de reconstituer un pseudo-regime transitoire par une succession d'etats permanents. Le modele mt3d est utilise pour la simulation du transport des nitrates dans la nappe avec le meme decoupage temporel que celui de modflow. L'hydrodynamique et le transport sont reconstitues sur le bassin sur une periode de 15 ans avec un pas de temps saisonnier. La dynamique des teneurs en nitrates dans une nappe a l'echelle d'un bassin versant et l'impact de differentes pratiques culturales peuvent ainsi etre simules dans une optique de gestion des pollutions diffuses agricoles.
Author: Jérôme Molenat Publisher: ISBN: 9782905532893 Category : Languages : en Pages : 272
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La pollution diffuse d'origine agricole est à l'origine de problèmes sanitaires et environnementaux liés à la détérioration de la qualité des eaux de surface. La maîtrise de cette pollution nécessite d'atteindre une connaissance fine, à toutes les échellesde temps, du transfert des éléments polluants transportés par l'eau. Ce travail a pour objectif d'établir le ou les temps de transfert du nitrate dans un bassin versant élémentaire. Il s'agit de connaître les réservoirs et les mécanismes responsables des variations saisonnières ,et pluri-annuelles des concentrations en nitrate dans la rivière. L'étude des dynamiques hydrologiques de trois bassins versants agricoles (Kervidy, Mélarchez, Mercube) a été réalisée à partir d'observations globales (pluie, débit). Une méthode basée sur la représentation spectrale des séries temporelles d'observations a été reprise et développée. Ainsi, par cette méthode, les parts respectives des contributions de la nappe et de l'écoulemênt rapide aux débits de la rivière sont établies. Le modèle d'écoulement en nappe et ses paramètres sont également définis. Cette méthode a été étendue à l'identification des modèles de transfert de nitrate. Une étude expérimentale a été mise en oeuvre .Trois transects du bassin versant de Kervidy (Morbihan, Bretagne) ont été équipés de piézomètres pour observer la nappe d'altérite. Les niveaux piézométriques ont été mesurés et un échantillonnage de la nappe a été réalisé afin d'analyser les teneurs de l'eau en nitrate, sulfate et chlorure. Ces observations ont permis de préciser l'hydrodynamique de la nappe et d'identifier ses principaux traits chimiques. Un schéma de fonctionnement du transfert de nitrate dans le bassin versant à l'échelle inter-mensuelle est proposé à la suite de l'analyse et de l'interprétation de l'ensemble des observations. Un modèle numérique spatialisé du fonctionnement de la nappe du bassin versant de Kervidy a été établi sur la base des observations et des connaissances acquises à la suite du travail de terrain
Author: Élodie Philippe
Author: Élodie Philippe
Author: Frédérique Lasserre
Author: Sabine Lacherez-Bastin
Author: Daniel Bernard
Author: Salvador Jordana i Margalida
Author: Qing Zhi Geng
Author: Sylvain Ferrant
Author: Eric Gomez
Author: Alain Dupuy
Author: Jérôme Molenat