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GRAIN D’SEL
Nouvelles approches et capteurs innovants pour
la connaissance et le suivi des aquifères côtiers.
Application à la surveillance des intrusions
salines dans le bassin sédimentaire du Roussillon
(France)
Tâche 4 – Etat de l’art concernant les systèmes de
surveillance et d’alerte. Comprendre et modéliser, vers la
surveillance et l’alerte
Février 2014
Auteurs : S. Traverse, J. Chastanet, D. Vanden Berghe, A. Roger, L. Dufond, J.-M.
Côme (BURGEAP)
avec la contribution de N. Dörfliger et Y. Caballero (BRGM)
GRAIN D’SEL
Table des matières
1
Introduction........................................................................................................................................................................ 4
1.1
Problématique générale........................................................................................................................................ 4
1.2
Importance du phénomène d’intrusion saline des aquifères côtiers à l’échelle
internationale, européenne et française ....................................................................................................................... 5
1.3
2
Concepts, méthodes et outils de caractérisation de l’intrusion saline ........................................... 11
2.1
4
Indicateurs de caractérisation de la salinité .............................................................................................. 11
2.1.1
Conductivité électrique, résistivité électrique et salinité ................................................................ 12
2.1.2
Ratios molaires entre substances chimiques........................................................................................ 14
2.1.3
Diagrammes ........................................................................................................................................................ 15
2.1.4
Eléments traces et indicateurs isotopiques........................................................................................... 18
2.1.5
Méthodes géophysiques ................................................................................................................................ 19
2.2
3
Organisation du livrable ..................................................................................................................................... 10
Schématisation et modélisation des phénomènes liés à l’intrusion marine ................................ 19
2.2.1
Estimation de l’interface eau douce/eau salée par l’équation de Ghyben-Herzberg .......... 20
2.2.2
Bilan hydrique.................................................................................................................................................... 21
2.2.3
Modélisation numérique des écoulements et du transport de masse ....................................... 22
Réseaux de surveillance et systèmes d’alerte, typologie, contexte réglementaire français
24
3.1
Enjeux et utilisation des systèmes de surveillance et d’alerte ........................................................... 24
3.2
Contexte réglementaire français ..................................................................................................................... 25
3.2.1
Réglementation européenne ....................................................................................................................... 25
3.2.2
Réglementation française ............................................................................................................................. 25
3.3
Contenu des systèmes de surveillance et acteurs concernés ............................................................. 26
3.4
Valeurs seuils pour la surveillance................................................................................................................. 26
Etudes de cas .................................................................................................................................................................... 28
4.1
Surveillance et gestion de l’intrusion saline aux Etats-Unis (Barlow et Reichard, 2010) ...... 28
4.2
Système de surveillance et de gestion de l’intrusion saline en Australie (Ivkovic et al., 2013)
36
Grain d’sel – Livrable 1-Tâche 4
2
GRAIN D’SEL
4.3
Surveillance et gestion des risques d’intrusion salée en Nouvelle-Zélande (Callandar et al.,
2011) 38
4.4
Définition d’un réseau de surveillance à la Réunion (Dörfliger et al., 2010 ; Frissan et RenéCorail, 2005) ............................................................................................................................................................................ 41
4.5
Système de surveillance de la côte israélienne (Shalev et al., 2009) ............................................... 44
4.6
Identification des sources de chlorures en région de polder aux Pays-Bas (De Louw, 2010)
45
4.7
Caractérisation de l’impact d’une intrusion saline par modélisation dans la région de Goa en
Inde (Sharma et al., 2007) ................................................................................................................................................. 45
4.8
Modélisation de l’impact de travaux de génie civil dans le port de Fréjus (BURGEAP, 2013)
47
4.9
Modélisation de l’intrusion saline dans l’aquifère de Korba (Tunisie) : estimation du temps
de retour à l’état initial (Kerrou et al., 2010) ............................................................................................................ 48
4.10 Modélisation 3D d’intrusion saline dans les aquifers côtiers de la plaine du Goksu Deltaic,
Turquie (Cobaner et al., 2012) ........................................................................................................................................ 49
4.11 Utilisation de la modélisation comme outil de compréhension et d’aide à la décision aux Iles
de la Madeleine au Québec (Brossard et al., 2004)................................................................................................. 51
4.12 Acquisition en temps réel des données liées à une intrusion saline à l’aide du Robowell
(Granato et Smith, 2002) ................................................................................................................................................... 52
4.13 Projet R&D ALERT de surveillance automatique d’un aquifère côtier au moyen d’une
tomographie électrique continue à Almeria, Espagne (Ogilvy et al., 2009) ................................................. 53
4.14 Projets R&D ALIANCE et GIRELLE concernant le développement de nouveaux outils de
géophysique ou d’hydrogéophysique........................................................................................................................... 55
5
6
Discussion et perspectives ....................................................................................................................................... 58
5.1
Discussion ................................................................................................................................................................. 58
5.2
Perspectives ............................................................................................................................................................. 60
Références bibliographiques .................................................................................................................................. 62
3
GRAIN D’SEL
1 Introduction
1.1 Problématique générale
Avec leur environnement et leur climat favorables, les zones côtières attirent une population de plus
en plus importante et ce, principalement en période estivale lorsque les ressources en eau sont au
plus bas. Ainsi, la demande en eau augmentant, les aquifères côtiers sont soumis à une exploitation
croissante et deviennent fragiles face aux intrusions salines. Il est important de noter que le terme
intrusion saline regroupe ici, et dans l’ensemble du rapport, les phénomènes de biseau salé et de
rentrant salé (voir glossaire).
Dans la majorité des champs captant, les intrusions salines ne sont malheureusement constatées que
lorsque le phénomène a beaucoup progressé et souvent lorsqu’un ouvrage est déjà contaminé. Dans
la plupart des champs captant vulnérables aux intrusions salines mais également parfois sur les
masses d’eau considérées comme sensibles et vulnérables, il existe des systèmes de “surveillance”,
qui servent, pour la plupart, à identifier et contrôler les conséquences de la détérioration des eaux
souterraines. Cependant, ces systèmes ne sont généralement pas dimensionnés pour prévenir la
détérioration et protéger la qualité des eaux. Un tel système préventif est parfois souhaitable afin de
détecter les problèmes de qualité des eaux avant que la dégradation ne soit trop importante. Pour
mettre en place de tels systèmes, il est nécessaire d’acquérir des données sur le terrain afin de
pouvoir observer l’évolution du phénomène et de pouvoir prendre des décisions en conséquence.
Le présent document s’intègre dans le cadre de la tâche 4 du projet GRAIND’SEL. Il constitue un Etat
de l’Art des systèmes de surveillance et d’alerte mis en place à l’échelle nationale et internationale.
Le projet GRAIN D’SEL (www.graindsel-anr.fr), projet de recherche financé par l’Agence Nationale de
la Recherche, a pour objectif de développer une approche intégrée comprenant un système
d’instrumentation couplé à l’interprétation des données et à la modélisation, pour la surveillance des
aquifères côtiers.
Le premier objectif de la tâche 4 consiste à étudier l’intégration des données qualitatives et
quantitatives de terrain, recueillies lors des tâches précédentes, dans un outil de modélisation 3D des
écoulements et du transport afin de comprendre et de prévoir l’évolution de l’intrusion saline. Le
deuxième objectif de la tâche 4 est d’étudier la faisabilité de l’intégration des mesures, développées
dans les tâches précédentes, dans un système de surveillance et d’alerte des intrusions salines.
Dans le cadre du projet, cet Etat de l’Art a pour but d’apporter les éléments de réflexion nécessaires
à la mise en place d’un système de surveillance et d’alerte et de montrer comment les données sont
ensuite interprétées, afin d’éventuellement prévoir une contamination. Les recherches
bibliographiques effectuées pour cet Etat de l’Art des systèmes de surveillance et d’alerte tentent
donc d’apporter des réponses aux questions suivantes :
 Existe-t-il des systèmes de surveillance et/ou d’alerte des intrusions salines en aquifères
côtiers ? Si oui, comment fonctionnent-ils ? Quels sont les paramètres de suivi utilisés ?
 Existe-t-il une logique, des scénarios, des arbres décisionnels de gestion des intrusions
salines ?
4
GRAIN D’SEL


Quelle est le retour d’expérience sur la mise en œuvre de modélisations pour les systèmes
de surveillance ?
Existe-t-il des exemples de valorisation de systèmes d’alerte dans des modèles
numériques ? Si oui, quelles leçons en tirer ?
1.2 Importance du phénomène d’intrusion saline des aquifères côtiers à
l’échelle internationale, européenne et française
Les zones littorales sont considérées comme des zones importantes pour le développement
économiques. Actuellement, plus de 2/3 de la population mondiale vit à proximité de la mer (bande
côtière de 100 km de largeur). Le développement économique ainsi que l’augmentation de la
population, le développement du tourisme et l’expansion des surfaces cultivées nécessitent de
disposer de plus en plus de ressources en eau dans ces zones littorales. Les ressources en eau sont
constituées soit par les eaux de surface qui peuvent être rares en fonction de la localisation
géographique, soit par les eaux souterraines en provenance des aquifères côtiers. Une grande
proportion de la population mondiale dépend ainsi des ressources en eau souterraine sur les zones
côtières.
Les aquifères côtiers se différencient des aquifères continentaux du fait de la rencontre au sein des
réservoirs d’eaux douces continentales avec des eaux marines. Cette zone de contact est régie par un
équilibre fonction de la différence de densité entre ces deux types d’eau, mais également des
propriétés hydrodynamiques du milieu. Un risque de détérioration de la qualité de l’eau par une
augmentation de la salinité existe au sein de ces aquifères. L’augmentation de la salinité est due
principalement à la présence de cette zone de mélange entre l’eau douce et l’eau marine, dont la
géométrie peut être influencée par des variations de niveau marin, les conditions de recharge, les
hétérogénéités spatiales des propriétés hydrodynamiques du milieu mais aussi par les conditions
d’exploitation. De plus, la salinité des eaux souterraines peut également être due à l’existence d’eau
marine ancienne dans des aquifères profonds ou encore à l’influence d’eau saumâtre dans des zones
planes à proximité du littoral sujettes à des inondations. Si le phénomène d’intrusion marine dans les
aquifères côtiers est connu, leur étude nécessite des moyens et des réseaux d’observation variés et
plus complexes que pour les aquifères continentaux (Custodio, 2002).
Les intrusions salines prennent place ainsi dans les zones côtières et deltaïques partout dans le
monde. Les aquifères côtiers comprennent par ordre d’importance des formations sédimentaires
détritiques, carbonatées potentiellement karstiques, mais aussi des formations volcaniques (en
particulier au niveau des îles), et de socle. De nombreux cas d’étude ont été reportés dans les
documents des rencontres SWIM (Salt Water Intrusion meetings) depuis 1968 (Bears, 1999). Des
exemples d’intrusion saline sur les côtes africaines sont présentés par Steyl & Dennis, 2010. Les
pressions sur les réserves en eau douce dans certaines zones africaines sont aggravées par le
contexte géopolitique. Les principaux obstacles à une bonne gestion des aquifères côtiers africains
sont en particulier liés au manque de coopération technique et à l’absence ou l’inadéquation des
réseaux d’observation. Au niveau de l’Amérique du Nord (Mexique, USA et Canada), différents types
5
GRAIN D’SEL
d’intrusion saline peuvent être observés au sein des aquifères côtiers, y compris par drainance
verticale ou par contamination verticale liée à des ouvrages défectueux (Barlow & Reichard (2010)).
Une synthèse concernant 15 aquifères côtiers en Amérique du Sud est proposée par Bocanegra et al.,
avec des degrés de connaissance variables ainsi que des procédures de gestion différentes selon les
pays. Les données disponibles sur un aquifère ou l’autre sont fortement liées à l’importance
stratégique de la ressource en eau de l’aquifère côtier concerné. De plus, de manière globale, les îles
sont particulièrement sensibles aux intrusions salines. Les effets de remontée de niveau marin
affectent d’ores et déjà les aquifères d’iles de l’Océan Pacifique (Post & Abarca, 2010). L’eau douce
est renfermée dans des lentilles dont la géométrie est contrôlée par la géométrie et propriétés du
sous-sol, ainsi que des facteurs climatiques et des variations du niveau marin (marées notamment).
Ces aquifères insulaires sont parmi les plus vulnérables au niveau international. En Australie, la faible
recharge sur les aquifères côtiers peut conduire fréquemment à une surexploitation et donc à des
intrusions salines qui sont reconnues comme existantes dans la majorité des états d’Australie. Les
procédures de gestion mises en place recourent fréquemment à la recharge artificielle pour les
aquifères reconnus comme stratégique du point de vue de l’alimentation des populations et du point
de vue économique (Werner, 2010).
Au niveau européen, les intrusions salines au sein d’aquifères côtiers concernent différents pays, en
particulier l’Espagne, l’Italie, les Pays Bas ou la Suède (Figure 1).
F IGURE 1 - CARTE DE L ’ INFILTRATION D ’EAUX SALEES A L ’ECHELLE EUROPEENNE (S OURCE : RIZA)
6
GRAIN D’SEL
Custodio (2010) donne un aperçu des différents types d’aquifères côtiers rencontrés, avec les
aquifères des zones deltaïques (ex. nappe de la Crau, delta du Rhône (France), delta de Llobregat
(Barcelone, Espagne)), des massifs carbonatés (Espagne, France (Calanques à Marseille avec les
sources sous-marines (Port Miou)), Italie, ….) et les aquifères des petites îles en particulier les îles
méditerranéennes. Les problèmes les plus importants concernant les intrusions salines dans les
aquifères côtiers européens sont rencontrés en Espagne, liés à la surexploitation des aquifères
côtiers depuis de nombreuses années.
En France, la problématique de l’intrusion saline au sein des aquifères côtiers est limitée à certaines
zones, sur la façade atlantique (avec la presqu’île de Noirmoutier par ex., la côte septentrionale du
Poitou-Charentes, la côte nord-est bretonne et la côte du Calvados) et sur la façade méditerranéenne
(Languedoc Roussillon, Provence Alpes Côtes d’Azur et Corse) avec des intrusions locales au niveau
d’aquifères tels que le Roussillon, l’Astien, la nappe de la Crau, la nappe du Gapeau et une partie de
la côte de la Corse. Une cartographie de la sensibilité des aquifères côtiers de la France
métropolitaine met en évidence ces différents secteurs, en indiquant l’intrusion saline avérée ou non
(Figures 2 et 3). A noter que la vulnérabilité des aquifères côtiers du littoral méditerranéen français
peut être accentuée du fait d’une pression démographique à venir.
F IGURE 2 - CARTE DE VULNERABILITE DES MASSES D ’EAU VIS -A -VIS DE L ’INTRUSION SALINE EN REGION C ORSE (FRISSANT ET
B ODERE , 2009]
Dans les DROM, les aquifères côtiers sont de type alluviaux, carbonatés et volcaniques ; les aquifères
côtiers de la côte occidentale de l’île de la Réunion sont sensibles à des augmentations de salinité, en
particulier le long de cours d’eau marqué par des entrées de langues salés, mais aussi en lien à des
submersions lors des cyclones. En Martinique, les intrusions salines concernent des aquifères côtiers
7
GRAIN D’SEL
de type volcanique, mais il faut noter qu’il y a un manque de connaissance hydrogéologique. En
Guadeloupe, l’aquifère de la Grande Terre qui se développe dans les carbonates, est marqué de
manière ponctuelle par des intrusions salines, en lien avec la topographie et la géologie. La
connaissance sur l’existence d’intrusion saline est limitée à certains points d’eau souterraine
(piézomètres ou sources) qui font l’objet d’un contrôle régulier dans le cadre du réseau de suivi de la
quantité et qualité des eaux souterraines (application directive cadre européenne Eaux souterraines).
Au vu de l’importance des aquifères côtiers pour les habitants des zones littorales et de la
vulnérabilité de ces aquifères vis-à-vis de l’intrusion saline, des procédures de gestion adéquates
doivent être mises en place, intégrant des réseaux de surveillance et d’alerte pouvant être couplés à
des modélisations.
8
GRAIN D’SEL
F IGURE 3 - CARTES DE LA VULNERABILITE EN GRAND OU DE LA SENSIBILITE DES AQUIFERES COTIERS DE F RANCE
METROPOLITAINE (D ÖRFLIGER ET AL ., 2011)
9
GRAIN D’SEL
1.3 Organisation du livrable
Après cette introduction visant à préciser les enjeux et l’importance du phénomène d’intrusion saline
des aquifères côtiers, la suite du document est organisée de la manière suivante :
 Chapitre 2 : descriptif des principaux concepts et méthodes ainsi que des outils de
caractérisation utilisés pour l’étude de l’intrusion saline ;
 Chapitre 3 : présentation du contexte technique et réglementaire français concernant les
réseaux de surveillance et systèmes d’alerte ;
 Chapitre 4 : présentation des études de cas. Sont présentées dans un premier temps les
lignes directrices de la surveillance des aquifères côtiers dans trois pays (Etats-Unis,
Australie, Nouvelle-Zélande), puis une dizaine d’études de cas considérées comme
représentatives de la littérature analysée, puis quelques projets de R&D concernant de
l’instrumentation ;
 Chapitre 5 : discussion des études de cas et propositions de travaux complémentaires. Un
arbre décisionnel est proposé, permettant de positionner la démarche logique et
chronologique recommandée pour mettre en œuvre des systèmes de surveillance et
d’alerte, pouvant être combinés à une modélisation hydrogéologique.
10
GRAIN D’SEL
2 Concepts, méthodes et outils de caractérisation de
l’intrusion saline
L’intrusion saline des aquifères par les eaux de mer constitue l’un des mécanismes de salinisation les
plus répandus, qui impacte la qualité des eaux souterraines des aquifères côtiers partout dans le
monde (Custodio, 2010). Ce phénomène naturel lié à la mise en contact des formations aquifères
avec la mer, constituant une condition limite des aquifères côtiers avec des écoulements en direction
de la mer, peut être accentué par l’exploitation des aquifères par pompage. Ce phénomène entraîne
des niveaux de salinité qui peuvent dépasser les normes de potabilité de l‘eau, mais également
compromettre son aptitude à l‘irrigation. Cette problématique se trouve aggravée par une
concentration de la population sur les côtes (environ 70% de la population mondiale vit en zone
littorale (bande 0-100 km)) et par une forte croissance démographique. Les activités humaines
concentrées sur ces zones (industries, agriculture, tourisme,…) provoquent une augmentation de
l'exploitation de la ressource et favorisent une hausse du taux de salinisation.
2.1 Indicateurs de caractérisation de la salinité
Différentes classifications ont été développées pour définir le degré de salinité de l’eau. La
classification utilisée par l’USGS définit l’eau douce comme une eau ayant une concentration en
solides totaux dissous (STD) inférieure à 1 000 mg/L tandis que l’eau salée a une concentration en
STD supérieure à 1 000 mg/L (Figure 4). Une eau saumâtre est définie par une concentration en STD
comprise entre 1 000 mg/L et 35 000 mg/L (concentration moyenne de l’eau de mer), une saumure
quand la concentration en STD dépasse celle de l’eau (Barlow, 2003).
F IGURE 4 - SALINITE DE DIFFERENTES EAUX (KLOPPMAN W. ET AL , 2011)
Pour caractériser le degré de salinité d’une eau, différents indicateurs sont utilisés. Ceux-ci sont
présentés ci-après.
11
GRAIN D’SEL
2.1.1 Conductivité électrique, résistivité électrique et salinité
Les mesures les plus simples à réaliser et les plus couramment utilisées sont les mesures de
conductivité électrique (sur site) et les analyses (généralement au laboratoire) de concentration en
chlorures.
La conductivité électrique (µS/cm), qui mesure l’aptitude d’un matériau à permettre le passage d’un
courant électrique, permet d’évaluer la présence de fluide peu résistant comme l’eau salée.
La résistivité électrique d’un matériau (Ωm) représente la capacité d’un matériau à s’opposer au
passage d’un courant électrique. La résistivité est la résistance ohmique d’un cylindre de section de
longueur unitaire. Ainsi :
avec :
R : résistance (ohm)
ρ : résistivité (ohm.m)
L : longueur du cylindre (m)
S : section du cylindre (m²)
Le Tableau 1 présente la résistivité électrique de quelques formations. Notons que la résistivité des
argiles et sables saturés en eau salée sont 10 à 100 fois moins résistants que les argiles et sables
saturés en eau douce.
T ABLEAU 1 - RESISTIVITE DES FORMATIONS EN FONCTION DE LEUR NATURE LITHOLOGIQUE (FRISSANT ET AL., 2005)
La résistivité électrique d’une formation ne contenant pas de minéraux conducteurs dépend ainsi de
la quantité d’eau présente (porosité), de la distribution de l’eau (connectivité des pores) et de la
12
GRAIN D’SEL
minéralisation de ces eaux. La résistivité de l’eau est fonction de la concentration totale en sels
dissous, de la composition chimique et de la température de l’eau (Frissant et al., 2005)
Le tableau 2 présente les valeurs de conductivité électrique en fonction du type d’eau.
1
T ABLEAU 2 - C ONDUCTIVITE ELECTRIQUE POUR DIFFERENTES EAUX ( SOURCE : AQUATECHNIQUE )
Type d’eau
Conductivité électrique (µS/cm)
Eau pure
0,055
Eau distillée
0,5
Eau de Montagne
1
Eau courante
500 à 800
Maximum pour l’eau potable
1055
Eau de mer
56 000
Saumure
100 000
La conductivité électrique et la température peuvent être utilisées pour déterminer la salinité de
l’eau (Frissant et al., 2005) :
S = (0,72 x σ - 3,06) x (1 + 0,02 (T - 25))
avec :
S : salinité en ppm
σ : conductivité électrique (mS/cm)
T : température (°C)
La Figure 5 présente l’évolution de la salinité en fonction de la conductivité et de la température.
F IGURE 5 - E VOLUTION DE LA SALINITE EN FONCTION DE LA CONDUCTIVITE ELECTRIQUE ET DE LA TEMPERATURE (B OUCHARD ,
2010)
1
http://aquatechnique.pagesperso-orange.fr/techniques/page%20conduc.htm
13
GRAIN D’SEL
Sur le terrain, la conductivité est mesurée de façon manuelle ou à l’aide d’une sonde de mesures en
continu, en vue d’un suivi à une ou plusieurs profondeurs (exemple en Figure 8).
F IGURE 6 – E XEMPLE DE SUIVI MANUEL DE LA CONDUCTIVITE A DIFFERENTES PROFONDEURS SUR UN PIEZOMETRE , I LE DE LA
R EUNION (B ONIER, 2012)
2.1.2 Ratios molaires entre substances chimiques
Différents ratios molaires sont utilisés, en vue de leur comparaison avec la composition de
l’eau de mer ( Figure 7).
F IGURE 7 – C OMPOSITION TYPIQUE DE L’EAU DE MER (CALLANDAR ET AL ., 2011)
14
GRAIN D’SEL
Parmi les ratios fréquemment utilisés, on peut citer les rations calcium/magnésium,
bicarbonate/chlorure ou sodium/chlorure.
Lors du stade initial d’intrusion saline, le sodium remplace souvent le calcium au niveau de la matrice
de l’aquifère selon un échange ionique en amont du front de l’eau de mer, générant une diminution
du rapport sodium/chlorure, comme illustré Figure 8. Ce ratio, qui peut donc être utilisé comme un
indicateur précoce d’une intrusion saline, peut également servir à différencier l’origine de différentes
eaux salées.
F IGURE 8 - E VOLUTION DE LA CONCENTRATION EN CHLORURES ET DU RAPPORT NA /CL DE 1981 A 1987 DANS UN PUITS DE
LA P AJARO VALLEY (H YDRO M ETRICS , 2001)
2.1.3 Diagrammes
Diagramme de Piper
Le diagramme de Piper représente l’abondance relative des anions et des cations, chacun sur un
diagramme triangulaire. Leur distribution est combinée sur un diagramme en losange qui rassemble
la somme des cations monovalents (Na + K), celle des cations bivalents (Ca+Mg) et les bicarbonates
plus les carbonates (HCO3 + CO3) et (Cl + SO4 + NO3).
Le diagramme de Piper peut être utile pour indiquer une intrusion saline lorsque la chimie de l’eau
sur le diagramme losangique suit la direction de courbure de la flèche rouge (Figure 9) et plus
particulièrement lorsqu’il atteint le point rouge, caractéristique de la composition chimique de l’eau
de mer. (Hanson, 2003)
15
GRAIN D’SEL
Dans chaque
diagramme
(triangulaire ou
losangique), un
point noir
correspond à une
mesure réalisée au
niveau d’un
piézomètre. Les
points rouges
indiquent la
composition
chimique
caractéristique de
l’eau de mer.
F IGURE 9 - E XEMPLE DE DIAGRAMME DE P IPER POUR UNE ETUDE DANS LA PAJARO VALLEY (CALIFORNIE ) (KLOPPMANN W.
ET AL , 2011)
Diagramme de Stiff
Dans le diagramme de Stiff, les abondances relatives des ions sont placées sur le même graphique :
anions d’un côté (Na+K, Cl, Ca, Mg) et cations (SO4, HCO3+CO3) de l’autre (Figure 10). Ce diagramme
seul n’est toutefois pas suffisant pour déterminer s’il y a ou non présence d’une intrusion saline car il
n’existe pas de diagramme de référence. Une intrusion saline naissante est souvent caractérisée par
une concentration en ions chlorures croissante et une concentration en sodium décroissante.
F IGURE 10 - E XEMPLES DE DIAGRAMMES DE STIFF PROVENANT DE LA SALINAS VALLEY SANS (A GAUCHE ) ET AVEC (A DROITE )
INTRUSION SALINE (H YDROMETRICS , 2008)
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GRAIN D’SEL
Diagramme de Durov
Ce diagramme, similaire au diagramme de Piper, inclut par ailleurs des informations additionnelles
concernant le pH et les Solides dissous totaux.
F IGURE 11 – E XEMPLE DE DIAGRAMME DE DUROV ETENDU (C OUZANA ET AL ., 2007)
Diagramme de Schoeller
Ce diagramme visualise chaque échantillon sur une ligne, ce qui permet de comparer visuellement
différents échantillons d’eau.
F IGURE 12 – E XEMPLE DE DIAGRAMME DE SCHOELLER (N OFAL , 2009)
17
GRAIN D’SEL
2.1.4 Eléments traces et indicateurs isotopiques
Dans certaines études, des éléments traces ou des isotopes sont utilisés pour déterminer l’origine de
la salinité :
 les éléments traces (Br, B, F, Sr, Rb, As, Li…) permettent de mieux différencier les saumures
(primaires et secondaires), l’eau de mer, ou un mélange eau de mer / eau de nappe. Ces
éléments traces sont souvent interprétés sous forme de rapports X/Cl ou dans des
diagrammes binaires en fonction de Cl ou encore X/Cl en fonction de Cl ;
 de nombreux isotopes comme les isotopes stables de l’eau δ18O et δ2H, du soufre ou de
l’oxygène des sulfates, du Strontium sont utilisés dans l’analyse de l’origine de la salinité.
Un exemple d’utilisation des isotopes de l’eau, présenté Figure 13, montre des teneurs en δ18O qui
varient entre -2,4 et -6,4 ‰, témoignant de la présence d’eau d’origines différentes. Les eaux issues
des puits 5, 9 et 10 se placent sur les droites météoriques (DM de Sfax et mondiales) suggérant une
infiltration rapide des eaux de pluie au centre de l’île de Djerba. Les points répartis sur la droite de
mélange avec l’eau de mer indiquent un phénomène d’intrusion saline.
F IGURE 13 - I SOTOPES STABLES DE L ’ EAU POUR L’ETUDE DE LA MINERALISATION DE L’AQUIFERE DE L ’ILE DE D JERBA EN
T UNISIE (T RABELSI ET Z OUARI , 2012)
Synthèse en termes d’analyses complexité/coût
La Figure 14 présente les principaux outils physico-chimiques et isotopiques disponibles pour étudier
les problèmes de salinisation des eaux, classés selon leur ratio complexité/coût.
18
GRAIN D’SEL
F IGURE 14 - P RINCIPAUX OUTILS PHYSICO -CHIMIQUES ET ISOTOPIQUES APPLICABLES AUX PROBLEMES DE SALINISATION
(K LOPPMANN W., 2011)
2.1.5 Méthodes géophysiques
Différentes méthodes géophysiques sont utilisées pour caractériser l’intrusion saline au travers de la
mesure de conductivité ou de résistivité électrique. Mentionnons que certaines de ces méthodes
font actuellement l’objet de travaux R&D (cf. en particulier les projets ALERT, ALIANCE et GIRELLE
décrits plus loin).
Ces méthodes peuvent être classées en 4 catégories : les méthodes sismiques, électriques,
électromagnétiques et magnétotelluriques. Parmi les méthodes indirectes, il est possible de
différencier les méthodes géophysiques de surface (au sol et en aéroporté) des méthodes
géophysiques en forage. Les premières regroupent les méthodes sismiques (réflexion et réfraction),
électriques, électromagnétiques (TDEM, FDEM, GPR (radar)), et magnétotelluriques tandis que les
secondes regroupent les diagraphies électriques, diagraphies de conductivité électriques de l’eau et
diagraphie de résistivité par induction.
2.2 Schématisation et modélisation des phénomènes liés à l’intrusion marine
Sont présentés ici deux méthodes de schématisation couramment utilisées pour décrire les
phénomènes liés à l’intrusion marine : le positionnement de l’interface eau douce/eau salée par
l’équation de Ghyben-Herzberg et le bilan hydrique. Sont ensuite décrits succinctement les principes
et quelques outils de calcul numériques utilisés pour modéliser les intrusions salines dans un
aquifère. Ces méthodes sont fondées sur la mesure de paramètres physiques (niveau d’eau, flux
massique, …) et/ou chimiques (concentrations en substances dissoutes, …)
19
GRAIN D’SEL
2.2.1 Estimation de l’interface eau douce/eau salée par l’équation de GhybenHerzberg
En région côtière, certains aquifères renfermant de l’eau douce sont en contact avec l’eau salée
d’origine marine. Cette dernière ayant une densité plus élevée que l’eau douce (1,025 kg/L en
moyenne pour l’eau salée contre 1 kg/L pour l’eau douce) a tendance à pénétrer à l’intérieur des
terres par gravité (Figure 15). Le contact entre ces deux eaux de propriétés différentes évolue
ensuite selon les lois de la diffusion et de l’hydrodynamique, mais également en fonction des
hétérogénéités spatiales des propriétés du milieu souterrain, de l’exploitation de l’aquifère et de sa
recharge par les précipitations.
F IGURE 15 - ECOULEMENTS SOUTERRAINS AU NIVEAU DE LA ZONE DE TRANSITION EAU DOUCE / EAU SALEE DANS
UN AQUIFERE COTIER IDEAL (BARLOW , 2003)
Différentes solutions analytiques sont disponibles pour représenter l’interface eau douce/eau salée.
L’équation de Ghyben-Herzberg, qui est la plus couramment utilisée, repose sur l’équation
d’équilibre hydrostatique entre l’eau douce et l’eau de mer et sur les hypothèses suivantes (Figure
16) :
 les deux fluides ne sont pas miscibles et le contact entre les deux fluides est supposé être
représenté par une interface nette,
 les deux fluides sont en équilibre hydrostatique dans un milieu homogène et poreux, dans un
aquifère unique.
La profondeur de l’interface eau douce/eau salée s’écrit alors (Ghyben-Herzberg) :
avec :
H : profondeur de l’interface nette théorique entre l’eau douce et l’eau salée (m)
h : la cote (au-dessus du niveau de la mer) du niveau d’eau douce (m)
ds : la masse volumique de l’eau salée
20
GRAIN D’SEL
dd : la masse volumique de l’eau douce
F IGURE 16 - COUPE SCHEMATIQUE PERPENDICULAIRE AU LITTORAL D ’UNE INTRUSION SALINE SELON G HYBEN HERZBERG (F RISSANT ET AL ., 2005)
Par extension (Figure 16), si dd = 1 et si ds = 1,025 (masse volumique de l’eau de mer pour une
concentration équivalente en NaCl de 36 g/L), alors on peut écrire :
H = h/0,025 = 40h
Les hypothèses de Ghyben-Herzberg sont cependant critiquables car l’eau douce et l’eau salée sont
miscibles, ces deux fluides sont soumis à des mouvements hydrodynamiques, les écoulements de la
nappe ne sont pas pris en compte, et l’aquifère est rarement homogène et unique. Xun et Ying
(2009) proposent une discussion de différentes méthodes d’estimation de l’interface eau douce/eau
salée (dont celle de Ghyben-Herzberg ) fondées sur des mesures de pression.
2.2.2 Bilan hydrique
Un bilan hydrique a pour objet de définir les flux entrants et sortants entre différents compartiments,
en l’occurrence un ou plusieurs aquifères, un/des cours d’eau et la mer (Figure 17).
Il est ainsi possible de distinguer :
 les échanges mer/aquifère avec l’intrusion marine et les pertes sur le front de mer,
 les échanges rivière/aquifère constitués par le drainage et la recharge,
 les impacts anthropiques engendrés principalement par les prélèvements et l’artificialisation
des surfaces,
 les précipitations permettant de définir la recharge efficace (utile) en lien avec
l’artificialisation des surfaces,
 les échanges entre aquifères.
Outre la connaissance des volumes globaux entrants et sortants de l’aquifère, il est important de
connaître la dynamique des échanges dans la mesure où certains paramètres intervenant dans le
bilan hydrique présentent de fortes variations temporelles (cycles associés à la pluviométrie, au
marnage, à l’exploitation de la ressource...) :
21
GRAIN D’SEL





la recharge (précipitations) présente des variations annuelles,
les prélèvements effectués dans l’aquifère dépendent de la demande en eau et donc des
variations démographiques et climatiques. La période estivale est souvent la plus critique,
les relations avec les cours d’eau sont très variables en fonction de la pluviométrie,
le niveau piézométrique d’un aquifère en zone côtière est influencé par les variations tidales,
l’évolution à la hausse du niveau de la mer induit par le changement climatique (impact à
long terme) ou par des houles de tempête (évènements ponctuels).
F IGURE 17 – FLUX ENTRANTS ET SORTANTS AU NIVEAU D 'UN AQUIFERE COTIER
La réalisation d’un bilan hydrique est souvent utile pour contribuer à comprendre l’ensemble du
système. La Figure 36 (à droite) montre un exemple de bilan hydrique, utilisé ensuite pour la
schématisation du modèle hydrogéologique.
2.2.3 Modélisation numérique des écoulements et du transport de masse
La modélisation numérique des écoulements d’eau couplée ou pas au transport de masse peut être
pertinente pour aider à la compréhension du fonctionnement du système et pour prévoir les
réponses du système à des modifications des conditions imposées (débits de pompage ou
d’injection, …), et/ou aux limites (pluie, niveau d’eau d’un plan d’eau, …°). Par exemple la
propagation d’un biseau salé en fonction de différents scénarios de gestion d’un champ captant ou
de variations multi-échelles de la pluviométrie et du niveau de la mer.
Le Tableau 3 présente quelques-uns des logiciels de modélisation les plus couramment utilisés pour
des études liées à l’intrusion saline.
22
GRAIN D’SEL
T ABLEAU 3 – QUELQUES LOGICIELS DE MODELISATION COURAMMENT UTILISES POUR LES ETUDES DE BISEAU SALE
Nom de
l’outil de
calcul
FEFLOW 5.2
MODFLOWSURFACT 2.2
MT3D99
SEAWAT
SUTRA
MARTHE
Ecoulement
monophasique (eau), non
saturé (équation de
Richards)
monophasique eau
(Richards) ou gaz (eau
immobile)
phase organique
immobile, avec
diminution de la
saturation en fonction du
temps
monophasique (eau)
monophasique eau
(Richards) ou gaz (eau
immobile)
phase organique
immobile, avec
diminution de la
saturation en fonction du
temps
monophasique (eau), non
saturé
monophasique ou
diphasique, non saturé,
Fonctionnalités
Dispersion, échanges entre
phases
Convection, dispersion,
sorption
Disponibilité
numérique
3D, EF
www.wasy.de/english/produkt
e/feflow/index.html
convection, dispersion,
sorption (linéaire +
Freundlich), diffusion dans
la phase immobile,
dissolution et volatilisation
de la phase organique,
double milieu et fractures
3D, DF
http://www.waterloohydrogeo
logic.com/software/modflow_s
urfact/modflow_surfact_ov.ht
m
sorption
3D, DF
sorption (linéaire +
Freundlich), diffusion dans
la phase immobile,
dissolution et volatilisation
de la phase organique,
double milieu et fractures
DF
interface disponible avec
visualModflow
www.rockware.com/catalog/p
ages/visualmodflowpromt3d99
.html
USGS
http://water.usgs.gov/softwar
e/lists/groundwater
sorption (tient compte dans
le transport de processus
réactionnels (adsorption,
production, perte…)
convection, dispersion
EF/DF
USGS
http://water.usgs.gov/softwar
e/lists/groundwater
VF
BRGM
23
GRAIN D’SEL
3 Réseaux de surveillance et systèmes d’alerte , typologie,
contexte réglementaire français
3.1 Enjeux et utilisation des systèmes de surveillance et d’alerte
La surveillance des aquifères côtiers permet de dresser et de suivre l’état de contamination des
aquifères par les eaux salées. Cette surveillance apporte donc des informations à la sécurisation de la
ressource en eau en fonction de critères propres à chaque usage (alimentation en eau potable,
besoins industriels (en particulier pour des usages sensibles : agroalimentaire, pharmacie,
électronique, …), prélèvements agricoles) ou des critères de bon état de la masse d’eau tels que
définis par la Directive Cadre sur l’Eau.
On peut distinguer les mesures liées aux systèmes de surveillance et d’alerte en regard de 3 grands
types d’enjeux :
 des mesures à long terme : suivi des risques chroniques (changement climatique global,
surexploitation domestique, …) ;
 des mesures à haute fréquence dans le temps : suivi et rémédiation des risques accidentels
(inondations, surexploitation estivale, …) ;
 des mesures à haute fréquence dans l’espace : suivi en champ proche et in situ des processus
qui affectent la nappe
Une autre typologie consiste à considérer deux phases successives :
 Phase I d’investigation : il s’agit ici est de mettre en œuvre des moyens techniques
permettant de comprendre ou de préciser la localisation de l’intrusion saline. Les
systèmes de surveillance participent ici à ces moyens, au côté d’autres moyens tels que
par exemple des bilans hydriques ou la modélisation numérique
 Phase II de surveillance : il s’agit ici de déterminer les variations temporelles de
différents indicateurs, généralement par mesures directes dans des puits dédiés.
Théoriquement, la modélisation numérique peut être utilisée à la fois comme un outil de
compréhension ou d’aide à la décision (au travers de simulations prospectives, phase I) et de gestion
opérationnelle d’un système de surveillance/d’alerte (phase II). On parlera :
 pour la phase I de mesures préventives, chargées d’empêcher la dégradation de l’aquifère
par l’intrusion saline en amont de la surveillance, ou du moins avant le dépassement des
seuils de crise (ou d’alerte) ;
 pour la phase II de mesures correctives, mises en place une fois que l’intrusion saline est bien
avancée et donc généralement lorsqu’un seuil (alerte ou crise) a été dépassé.
24
GRAIN D’SEL
3.2 Contexte réglementaire français
3.2.1 Réglementation européenne
La Directive Cadre sur l’Eau (DCE) 2000/60/CE du 23 octobre 2000 fixe des objectifs de bon état des
milieux aquatiques sur le territoire européen à atteindre à l’horizon 2015. Les Etats membres doivent
mettre en œuvre les mesures nécessaires :
 à la prévention de la dégradation de l’état de toutes les masses d’eau souterraines. Ces
mesures sont les suivantes : protéger, améliorer et restaurer toutes les masses d’eau
souterraines et assurer un équilibre entre les captages et le renouvellement de ces eaux ;
 à l’inversion des tendances à la hausse significatives et durables de la concentration en
polluants issus des activités humaines.
Cette Directive prévoit la mise en place de systèmes de surveillance dont l’objectif est de connaître
l’état des milieux aquatiques et d’identifier les causes de leur dégradation en vue de proposer des
actions à mettre en œuvre pour que ces milieux atteignent le bon état visé en 2015.
La DCE est complétée par la Directive 2006/118/CE sur la protection des eaux souterraines contre la
pollution et la détérioration, qui fixe les critères d’évaluation de la qualité des eaux et les règles
d’identification des tendances d’évolution.
3.2.2 Réglementation française
La réglementation française prévoit au travers des Circulaires DCE 2003/18 et 2005/14 la surveillance
des eaux souterraines en France, en application de la Directive Cadre sur l’Eau. La surveillance porte
sur des aspects qualitatifs et quantitatifs :
 les réseaux de surveillance de l’état quantitatif des eaux souterraines : il permet d’estimer
l’état quantitatif global de toutes les masses d’eau souterraines ainsi que d’évaluer les
ressources disponibles. Les spécifications à suivre pour construire ce réseau sont inscrites
dans le cahier des charges national pour l’évolution des réseaux de surveillance des eaux
souterraines en France (MEDDE, Circulaire DCE 2003/07 du 8/10/2003) et dans son
complément (Circulaire DCE 2005/14 du 26/10/2005),
 les réseaux de surveillance DCE de la qualité : ils sont destinés à détecter la tendance à la
hausse à long terme de la pollution induite par l’activité anthropogénique.
Ces Circulaires ne font pas spécifiquement mention des aquifères côtiers. Néanmoins, elles indiquent
les modalités de l’évolution des réseaux de surveillance des eaux souterraines en France, qui peuvent
servir entre autres à la surveillance des biseaux salés.
Cet aspect a été confirmé par la Circulaire DCE 2006/18 relative à la définition du bon état pour les
eaux souterraines, qui précise que « l’appréciation de l’état quantitatif des masses d’eau
souterraines peut être réalisée (…) à partir des mesures de qualité (afin de vérifier) la présence
éventuelle d’une intrusion saline constatée ou la progression supposée du biseau salé, caractérisant
l’impact de modifications anthropogéniques ».
25
GRAIN D’SEL
Plus particulièrement, pour les masses d’eau souterraines sous influence marine ou sous influence
d’évaporites, chlorures, sulfates et conductivité ne disposent pas de valeurs seuils générales, l’Arrêté
17 décembre 20082 précisent que celles-ci sont à définir localement.
A l’échelle départementale, des « arrêtés sécheresse » peuvent être pris par les préfectures, sur la
base du suivi du niveau de nappe ou du niveau des eaux de surface. Ces Arrêtés préfectoraux font
parfois appel à des critères aux intrusions salines (par exemple la Préfecture de l’Hérault en 2007).
Typologies de réseaux de surveillance
Trois types de réseaux de surveillance sont définis dans la Circulaire DCE 2003/18 :
 les réseaux de connaissance générale : ils ont pour objectif de connaître les états qualitatifs
et quantitatifs des eaux souterraines et peuvent être appliqués à différentes échelles ;
 les réseaux d’usage : ils sont mis en place pour répondre à un besoin spécifique (police de
l’eau, contrôle sanitaire, gestion locale d’un ou plusieurs aquifères, surveillance d’un
paramètre, etc.). Leurs objectifs sont donc très variables ;
 les réseaux d’impacts : ils permettent d’évaluer les impacts de l’usage de polluants et sont
mis en place le plus souvent après l’identification d’une pollution.
En pratique, ces réseaux de surveillance sont constitués de piézomètres (i) non équipés avec suivi
manuel de paramètres quantitatifs et/ou qualitatifs, ou (ii) équipés de systèmes de mesures
automatiques (sondes de pression, de conductivité, …).
3.3 Contenu des systèmes de surveillance et acteurs concernés
Dans un tel contexte, le contenu d’un système de surveillance peut être très différent selon les sites
d’étude, en fonction du contexte hydrogéologique du site, de sa vulnérabilité, des enjeux en termes
de pression démographique et économiques, mais également en fonction de la sensibilité des
décideurs et des ressources financières disponibles.
Deux niveaux de gestion de la surveillance peuvent être distingués : l’échelle du champ captant et
l’échelle du réseau global. Les gestionnaires de la surveillance sont généralement différents selon
l’échelle d’étude. Dans le cas du champ captant, le maître d’ouvrage fait généralement appel à un
bureau d’étude qui sera chargé de la mise en place de la surveillance. Concernant le réseau global, le
suivi est généralement assuré par un organisme institutionnel (BRGM, ONEMA, Agences de l’Eau,
DREAL, …).
3.4 Valeurs seuils pour la surveillance
Ces valeurs seuils de surveillance s’appuient sur les seuils réglementaires de potabilité ou de
potabilisation des eaux. En France, le seuil de potabilité pour les chlorures est de 250 mg/L, valeur
fondée un critère de goût (OMS, Guidelines for Drinking Water, 2008). Cette valeur est reprise dans
l’arrêté du 11 janvier 2007 définissant les critères de qualité des eaux potables ou potabilisables.
2
Arrêté du 17 décembre 2008 : concerne les critères d’évaluation et les modalités de détermination de l’état des eaux souterraines
26
GRAIN D’SEL
Les seuils liés à la surveillance des intrusions salines peuvent être définis de diverses façons et à
partir de différents paramètres mesurés. En pratique, il s’agit souvent de la concentration en
chlorures ou de la conductivité électrique. On distingue généralement les seuils d’alerte des seuils de
crise :
 seuils d’alerte : la situation est très préoccupante, la prolongation des conditions
défavorables (pluviométrie, prélèvements…) peut conduire à une situation de crise. Cette
situation conduit à mise en œuvre de mesures de restrictions d’usage, de niveau 1 puis
niveau 2 si un seuil d’alerte renforcé est défini ;
 seuil de crise : la situation met en péril immédiat certains usages de l’eau. Des mesures de
restriction plus fortes (jusqu’à l’arrêt des prélèvements) sont mises en œuvre.
Les seuils d’alerte et de crise doivent permettre, en cas de dépassement sur le réseau de suivi, de
déployer les mesures de gestion correctives. Ces seuils peuvent être établis à partir de données
observées (concentrations les plus élevées observées lors d’épisodes de recharge ou de
prélèvements conséquents, …) ou à partir de scénarios modélisés.
Dans la littérature, les seuils recensés se réfèrent davantage à l’analyse des chroniques de mesures
passées qu’à des résultats de modélisation. L’analyse des chroniques de mesures pour
l’établissement de seuils, si elle apparait de prime abord plus simple à mettre en œuvre, nécessite
pour être pertinente une bonne connaissance du fonctionnement du système, que ces points soient
représentatifs de la dynamique de l’intrusion saline et que les chroniques d’observations soient
suffisamment longues pour intégrer les phénomènes de récurrence recherchée (en terme de
recharge et de prélèvement). La modélisation numérique peut présenter ici un intérêt majeur dans la
mesure où, après avoir bien schématisé le système et avoir calé son fonctionnement « normal », des
simulations prospectives, peuvent être réalisées pour la détermination des différentes valeurs seuils
et l’estimation des temps de réaction associés.
Une distinction importante est ici à rappeler entre les seuils établis pour une masse d’eau et ceux
associés à un champ captant. En effet, pour le champ captant, les seuils seront intimement liés à la
localisation des ouvrages de surveillance et au temps de réaction dont dispose l’exploitant entre
l’atteinte de ces ouvrages et l’atteinte de ses puits. A l’échelle de la masse d’eau, une vision plus
large est nécessaire aux gestionnaires concernant le périmètre touché ou pouvant être touché par
l’intrusion saline.
L’écart entre le seuil d’alerte et le seuil de crise peut être lié au temps de réaction nécessaire à la
mise en place d’un système de maintien ou d’inversion de l’intrusion saline afin d’éviter l’atteinte du
seuil de crise.
27
GRAIN D’SEL
4 Etudes de cas
A partir d’une revue de la littérature internationale3, sont présentées ici dans un premier temps les
lignes directrices de la surveillance des aquifères côtiers dans trois pays (Etats-Unis, Australie,
Nouvelle-Zélande), illustrées de cas d’application. Dans un second temps, une dizaine d’études de cas
considérées comme représentatives de la littérature analysée et impliquant des systèmes de
surveillance ou d’alerte des intrusions salines sont présentées de façon synthétique. Enfin, les deux
derniers paragraphes sont dédiés à des projets de R&D visant le développement de nouveaux
instruments de surveillance automatique fondés sur des méthodes géophysiques.
Parmi la littérature disponible consultée, qui comprend pour une bonne part des publications
scientifiques, mentionnons que la place de la modélisation numérique (comme outil de
compréhension et d’aide à la décision) est particulièrement forte.
4.1 Surveillance et gestion de l’intrusion saline aux Etats-Unis (Barlow et
Reichard, 2010)
Trois types d’actions ont été prises pour gérer et prévenir les intrusions salines sur les côtes Est et
Ouest d’Amérique du Nord : des actions d’évaluations scientifiques, des actions techniques et des
actions réglementaires.
Les actions d’évaluations scientifiques ont pour objet de caractériser les ressources en souterraine et
de comprendre les causes possibles d’intrusion saline dans les aquifères en vue de leur gestion. Dans
ce contexte, de nombreux réseaux de mesure de la piézométrie et de la qualité d’eau ont été
développés. Ils comprennent des puits dédiés multi-crépinés permettant la caractérisation 3D de
l’intrusion saline, notamment sur la côte Pacifique où l’intrusion saline peut être présente dans des
zones graveleuses de faible extension verticale.
L’approche classique pour la surveillance est basée sur la collecte périodique d’échantillons d’eau
souterraine dans des horizons discrets avec analyse de la concentration en chlorures ou en sels
dissous (ou de la conductivité électrique). Récemment, cette approche classique a été complétée par
des approches innovantes développées pour caractériser l’intrusion saline de façon plus détaillée
dans le temps et dans l’espace. Parmi ces innovations, les méthodes électromagnétiques sont citées,
lesquelles fournissent des profils verticaux de conductivité (exemple en Figure 18). Des systèmes
d’acquisition automatiques ont par ailleurs été développés pour surveiller en temps réel l’intrusion
saline, avec, semblerait-il, dans de très rares cas transmission par satellite des informations. Le seul
cas référencé par les auteurs (Cherry et Clarke, 2008), tout comme un autre cas disponible sur le site
de l’USGS (cf. descriptif plus bas de ces deux études de cas) ne décrivent pas en détail le système
d’acquisition/transmission des données.
3
Fondée pour l’essentiel sur des recherches sur le web (google et moteurs spécialisés de type REFDOC) et les fonds documentaires des
partenaires du projet
28
GRAIN D’SEL
F IGURE 18 – L OGS DE CONDUCTIVITE ISSUS DE METHODES ELECTROMAGNETIQUES DANS 3 PUITS DE LA REGION DE C OUNTY ,
C ALIFORNIE (BARLOW ET REICHARD , 2010)
Des codes de calcul numériques sont largement utilisés pour comprendre et gérer les intrusions
salines, mais jusqu’à présent il s’agit en majorité de codes de calcul ne prenant pas en compte les
effets densitaires (pour des questions de temps de calcul et de familiarisation des utilisateurs à ces
outils de calcul).
Les mesures de gestion de l’intrusion saline comprennent à la fois méthodes traditionnelles et des
méthodes innovantes. Les approches classiques sont la limitation du débit de pompage des puits,
leur déplacement plus à l’intérieur des terres, ou encore la recharge artificielle. Les approches
innovantes comprennent en particulier les systèmes de stockage/récupération dans des aquifères,
les systèmes de désalinisation ou encore de mélanges d’eau de qualité différentes.
Parmi les perspectives évoquées, outre des études d’impact du changement climatique, les auteurs
recommandent le développement de systèmes d’aide à la décision couplant les données de
surveillance avec des modèles de simulation, reconnaissant ainsi de fait que ce type de dispositif
n’est pas disponible à la date de rédaction de l’article (2009).
Etude de cas de l’aquifère supérieur de Floride (Cherry et Clarke, 2008)
Les pompages d’eau souterraine dans l’aquifère supérieur de Floride ont généré de graves problèmes
d’intrusion saline sur l’ensemble de la bordure côtière, en particulier dans les régions de Savannah,
Brunswick, et Jesup (cf. Figure 19). Compte tenu du contexte hydrogéologique, en dépit de cônes de
dépression profonds dans les forages, ceux-ci n’interceptent pas le toit de l’aquifère supérieur de
Floride (Figure 20). La réduction de la pression induite par les pompages a provoqué une
29
GRAIN D’SEL
contamination de l’aquifère par de l’eau de mer sur au moins deux endroits (Brunswick en Géorgie et
Hilton Head Island en Caroline du Sud).
Dans ce contexte, l’USGS a mis en place en 2006 un projet multi-partenaires (Universités, Armée,
collectivités de Brunswik et Glynn County, entreprises, …) visant à mieux comprendre les mécanismes
de contamination de cet aquifère par l’eau de mer. Les paramètres suivis périodiquement sont les
chlorures et les sulfates dans un réseau comprenant quelques dizaines de puits (Figure 21, à gauche).
Par ailleurs, un réseau de 5 puits avec suivi en temps réel a été mis en place en périphérie du
panache, avec mesure de la piézométrie et, sur 3 des 5 puits, mesure de la conductivité électrique
(Figure 21, à droite). L’ancien forage AEP de Brunswick a été également incorporé à ce suivi en temps
réel suivi en 2007 et équipé en télétransmission par satellite (piézométrie et conductivité électrique).
Aucune information n’est cependant disponible sur le descriptif détaillé de cet équipement, ni sur la
valorisation des données télétransmises.
4
F IGURE 19 – SYSTEME HYDROGEOLOGIQUE DE L’AQUIFERE SUPERIEUR DE FLORIDE (SOURCE USGS )
4
http://ga2.er.usgs.gov/coastal/postgwflow.cfm
30
GRAIN D’SEL
5
F IGURE 20 – REPRESENTATION SCHEMATIQUE EN COUPE DE L ’AQUIFERE SUPERIEUR DE FLORIDE (SOURCE USGS )
F IGURE 21 – CONCENTRATIONS EN CHLORURES DANS LA REGION DE B RUNSWICK , GEORGIE (A GAUCHE ) ; M OYENNES
34H514 DE B RUNSWICK (CHERRY ET
C LARKE , 2008)
JOURNALIERES DE LA PIEZOMETRIE ET DE LA CONDUCTIVITE ELECTRIQUE DANS LE PUITS
5
http://ga2.er.usgs.gov/coastal/postgwflow.cfm
31
GRAIN D’SEL
Etude de cas de Tybee Island (région de Savannah, Géorgie)
L’USGS a conçu et installé à Tybee Island (région de Savannah, Géorgie), également situé dans
l’aquifère supérieur de Floride, un système d’alerte innovant utilisant la télémétrie par satellite pour
surveiller en temps réel les niveaux d'eau souterraine et la salinité. Bien que l'île de Tybee dispose
actuellement d'une qualité satisfaisante en eau souterraine, l’aquifère est vulnérable à une intrusion
saline. Le système d'alerte permet de suivre en temps réel la salinité des eaux souterraines dans un
réseau de puits situés entre le littoral et les forages AEP, en vue de planifier efficacement, si besoin,
les mesures de gestion nécessaires. D’après l’USGS, les motivations du choix de ce dispositif vis-à-vis
de fréquentes mesures manuelles seraient le coût mais également le sentiment de sécurité apporté
aux habitants de l'île de Tybee par ce dispositif. Mentionnons que les données en temps réel sont
disponibles sur le site de l’USGS6.
Les puits de surveillance font partie d'un vaste réseau de puits que l'USGS échantillonne pour suivre
la concentration en chlorures, financé par l'USGS et la Division de la protection de l'environnement
de la Géorgie. La ville de Tybee Island a fourni un financement supplémentaire pour améliorer les
puits et permettre le suivi en temps réel des niveaux d'eau souterraine et de la salinité.
F IGURE 22 – L OCALISATION DE T YBEE ISLAND, GEORGIE (SOURCE : G OOGLE MAPS )
6
http://www.usgs.gov/newsroom/article.asp?ID=3120&from=rss
32
GRAIN D’SEL
Etude de cas de la gestion de l’intrusion saline à Bainbridge Island (Miller, 2006)
Bainbridge Island est soumise à un risque élevé d’intrusion saline dans les aquifères côtiers, d’autant
plus qu’il y a 6 aquifères superposés. Dans ce contexte, un Groundwater Monitoring Program (GMP)
a été mis en place en 2006 pour la ville de Bainbridge Island. Grâce à ce programme, le réseau de
puits de surveillance a été étendu, passant de 29 puits à 43 puits.
Le système de surveillance initial comprend des relevés manuels des niveaux d’eau, l’enregistrement
en continu de la pression sur certains ouvrages et l’analyse les concentrations en chlorures 2 fois par
an. Dans le nouveau système, les mesures piézométriques sont trimestrielles et des sondes de
pression ont été installées dans certains puits. Par ailleurs, les débits de pompage et les
précipitations sont suivis, le tout géré dans une base de données.
Les objectifs de la modification du réseau de surveillance sont les suivants :
 veiller à avoir une couverture géographique suffisante de chaque aquifère
 surveiller les zones où les prélèvements d’eau souterraine sont importants,
 densifier le réseau à proximité des berges et des ouvrages présentant des concentrations en
chlorures élevées,
 inclure les puits pour lesquels il existe un enregistrement historique.
Les niveaux d’alerte préventifs (Early Warning Levels)
Un EWL est un critère de surveillance, qui, s’il est dépassé devrait conduire à des investigations
supplémentaires pour déterminer si un problème est réellement en train d’avoir lieu. L’EWL fournit
donc des mesures quantifiables permettant de réaliser une évaluation initiale des données afin, si
besoin, d’alerter avant l’aggravation du problème. Le programme de surveillance utilisé à Bainbridge
Island comprend des niveaux de réponse différents en fonction de la concentration en chlorures
mesurée (Figure 23).
F IGURE 23 - REPONSE DE GESTION EN FONCTION DE LA CONCENTRATION EN CHLORURES MESUREE
Une classification à 3 niveaux a été établie pour la concentration en chlorures :
 concentration entre le bruit de fond hydrogéochimique et 100 mg/L,
 concentration entre 100 mg/L et 200 mg/L ou concentration entre le bruit de fond
hydrogéochimique et 100 mg/L avec une tendance à l’augmentation,
33
GRAIN D’SEL

concentration au-delà de 200 mg/L ou concentration supérieure à 100 mg/L avec une
tendance à l’augmentation.
La détermination de la tendance à l’augmentation ou à la baisse nécessite 4 échantillons consécutifs
ou des échantillons prélevés sur une période de 3 ans en tenant compte des saisons pour la tendance
stable.
Trois types de réponses de surveillance ont été définis :
 Réponse A : confirmer un niveau en chlorures élevé en comparant les valeurs de
concentration en chlorures aux valeurs de conductivité spécifique. Cette confirmation
nécessite l’augmentation de la fréquence de mesure de la concentration en chlorures et
l’étude des effets saisonniers. Cette confirmation nécessite 4 valeurs élevées consécutives ;
 Réponse B : déterminer la nature et l’étendue des fortes teneurs mesurées par la
densification de la surveillance tout d’abord en perpendiculaire à la cote (entre les puits de
forte valeur en chlorures et la mer) puis en parallèle de la cote sur l’axe des fortes teneurs.
 Réponse C : identifier la nature et l’étendue du problème.
Au-delà des mesures prévues dans la réponse B, les recommandations pourront concerner la
réalisation d’une modélisation ou une surveillance ciblée des eaux mais également des mesures de
protection de l’aquifère de nouvelles dégradations.
Un EWL est également défini pour les niveaux d’eau : un niveau limite est défini lorsqu’un déclin de
½ pied par an ou plus (15 cm/an ou plus) est observé sur une période de 10 ans sur le niveau
piézométrique et que cette variation ne s’explique pas par des variations de précipitation
saisonnières ou annuelles. Si les données pour un puits indiquent un dépassement de l’EWL, les
réponses suivantes sont recommandées :
 analyser les données (comparaison des chroniques piézométriques avec l’évolution de la
pluviométrie et des débits de pompage)
 déterminer la zone impactée par la baisse du niveau de nappe,
 mettre éventuellement en place de nouveaux puits de surveillance,
 évaluer les impacts à long terme avec un modèle d’écoulement et formuler des
recommandations pour la protection de l’aquifère. Ces recommandations pourront inclure
des actions de communication, une concertation avec les exploitants, ou éventuellement
l’application de dispositions réglementaires pour protéger l’aquifère.
Le document présente en conclusion des recommandations plus spécifiques pour la surveillance de
l’île en reprenant les outils décrits précédemment.
34
GRAIN D’SEL
Etude de cas de modification du système de production à Cape May, New Jersey (Barlow, 2003)
En 1998, le comté de Cape May a décidé de modifier son système de production d’eau potable suite
à l’observation de la propagation de l’intrusion saline sur la péninsule et suite à l’augmentation
continue de la population. Deux puits datant de 1940 et 1945 avaient déjà dus être arrêtés en 1950
en raison de contamination par l’eau de mer et un troisième puits avait été crée plus à l’intérieur des
terres pour les remplacer. De nombreuses modifications ont ainsi eu lieu jusque dans les années
1990 lors du changement de logique de fonctionnement.
Une usine de désalement de l’eau a été construite en 1998 afin de traiter l’eau saumâtre pompée
dans les puits 6 et 7 (Figure 24). L’eau désalée doit servir à limiter le pompage d’eau douce dans les
deux aquifères au niveau des 5 autres puits de production, principalement en période de forte
demande en eau.
F IGURE 24 - P UITS AEP DE CAPE M AY C ITY ET LOCALISATION DES OUVRAGES DE PRELEVEMENT D ’EAU SAUMATRE
Etude de cas à San Diego, Californie (Danskin et Crawford, 2008)
Dans la région côtière de San Diego, des sites de surveillance ont été installés par l’USGS entre les
puits de production et l’océan Nord Pacifique. Chaque site comprend 5 piézomètres de profondeurs
variables (piézomètres en flûte de pan, entre le niveau piézométrique de la nappe et 457 m,
correspondant au substratum de la nappe). Les niveaux d’eau sont relevés dans chaque piézomètre
de façon continue avec transmission des données par satellite. Ces niveaux d’eau sont ensuite
utilisés pour déterminer le gradient hydraulique entre la côte et les puits de pompage, indiquant
ainsi une possible intrusion saline. Par ailleurs, des échantillons d’eau sont prélevés aux 5
profondeurs. Pour détecter la présence d’une intrusion entre les profondeurs sondées, un log par
induction électromagnétique est effectué dans le piézomètre le plus profond. Les gestionnaires
utilisent ces données pour ajuster le pompage et minimiser ainsi les risques d’intrusion saline.
35
GRAIN D’SEL
4.2 Système de surveillance et de gestion de l’intrusion saline en Australie
(Ivkovic et al., 2013)
Les investigations visant à caractériser l’intrusion saline en Australie sont en encore relativement peu
courantes, le système de surveillance étant très variable selon les régions. Dans ce contexte, et en
raison des risques liés à l’intrusion saline, Geoscience Australia et le National Centre for Groundwater
Research and Training, en collaboration avec l’Etat et les agences de l’eau territoriales, ont lancé une
évaluation nationale de la vulnérabilité des aquifères côtiers à l’intrusion saline. Cette évaluation a
pour objectif d’identifier les ressources en eau les plus vulnérables à l’intrusion saline, incluant les
conséquences d’une sur-exploitation, d’une élévation du niveau marin et des variations de recharge
liées au changement climatique. Cette évaluation s’est appuyée sur la mobilisation de décideurs et
sur 27 études de cas. L’analyse de vulnérabilité, contrainte la faible disponibilité des données, s’est
appuyée sur un nombre limité de paramètres : niveau piézométrique, pluie, salinité de l’eau,
localisation et volumes pompés dans les eaux souterraines. Le critère de salinité retenu est la DTS,
généralement estimée à partir de la conductivité électrique à l’aide de l’équation suivante :
TDS (mg/L) = 0.64 x EC (uS/cm)
avec TDS : sels dissous totaux, EC : conductivité électrique
La Figure 25 visualise les résultats TDS au niveau national pour la période 2000-2009.
F IGURE 25 – C ONCENTRATIONS MAXIMALES EN TDS POUR LA PERIODE 2000–2009 EN A USTRALIE (IVKOVIC ET AL ., 2012)
36
GRAIN D’SEL
Au global, l’étude montre une forte vulnérabilité des aquifères côtiers à l’intrusion saline. La plupart
des régions identifiées comme vulnérables montrent de fortes densités de populations ou une
utilisation intensive des eaux souterraines, induisant dans ces régions des conséquences
particulièrement sévères de l’intrusion marine. Les conclusions de cette étude sont cependant
provisoires, en raison de lacunes importantes de données dans certaines régions, notamment dans
les régions situées au nord (Figure 25).
Dans ce contexte, les auteurs recommandent fortement de mettre en place des réseaux de
surveillance sur le long terme avec acquisition périodique des données ainsi que des études
détaillées incluant des bilans hydriques, des analyses hydrochimiques et de la modélisation
numérique. Des études sur l’impact du changement climatique sur l’intrusion saline sont également
recommandées. Il est à noter qu’il n’existe pas d’approche méthodologique au niveau national pour
l’évaluation et la gestion de l’intrusion saline. Dans leurs recommandations, les auteurs n’évoquent
ni le suivi en temps réel, ni la télétransmission des données, ni a fortiori le couplage entre des
données mesurées automatiquement et des modèles numériques.
Définition et gestion des seuils de déclenchement d’alerte à Uley South, Australie (Alcoe,
2010)
Dans le cas d’Uley South, qui fait partie des 27 cas étudiés dans l’étude nationale décrite
précédemment, deux approches de restriction des débits d’exploitation de la nappe sont
présentées : une approche basée sur des bilans hydrologiques et une approche basée sur des seuils
de déclenchement d’action. Uley South présente une démographie en augmentation constante, et
donc des besoins en eau potable croissants, et in fine des risques d’intrusion saline.
La première approche est fondée sur un bilan hydrique, permettant de justifier des valeurs de seuils
d’exploitation qui n’impacteraient pas l’intégrité de la ressource en eau douce. La limite principale de
cette approche est ici l’incertitude sur les différents termes du bilan. Elle présente en outre des
incertitudes du fait qu’elle est uniquement basée sur l’analyse des tendances à moyen terme.
La seconde approche consiste à définir et utiliser des seuils de déclenchement, qui lorsqu’ils sont
dépassés, induisent une adaptation des régimes d’exploitation. Ces seuils sont principalement
d’ordre hydrologique et chimique (qualité des eaux), mais s’appliquent également à des
considérations socio-écologiques (préservation des écosystèmes et utilisation par l’homme de ces
derniers). Les difficultés liées à cette approche sont scientifiques (par exemple nécessité de connaître
la vulnérabilité des écosystèmes vis-à-vis de l’augmentation de la salinité) et techniques (nécessite un
réseau de suivi continu d’informations telles que la conductivité ou la piézométrie). Notons par
ailleurs que la seconde approche induit un coût de mise en place et de maintenance plus important
que la première (ce qui fait que la première est bien plus populaire en Australie). En contrepartie
d’un coût plus important, la seconde approche permet d’approfondir significativement la
compréhension du système et donc de mieux évaluer les enjeux, les risques et les mécanismes de
37
GRAIN D’SEL
déclenchement. Par ailleurs, les deux approches peuvent être menées conjointement, afin de
renforcer le système d’alerte.
Dans le cas d’Uley South, la seconde approche a été testée. Un modèle hydrogéologique a été
construit au moyen du code SEAWAT, code basé sur MODFLOW incluant les phénomènes densitaires
et les relations avec les eaux de surface. Ce modèle a permis de définir les seuils de déclenchement
afin de ne pas impacter des zones humides alimentées par des eaux souterraines douces et
vulnérables à la salinité, tout en fournissant les besoins demandés pour l’AEP. Ces seuils
correspondent à des valeurs de conductivité et de niveau d’eau sur un certain nombre d’ouvrages,
adaptés en fonction des enjeux (écosystème, AEP …). Ce modèle permet en outre de simuler des
scénarios futurs d’exploitation en fonction de la croissance démographique et donc de
l’augmentation des besoins, et de vérifier que l’exploitation raisonnée de l’aquifère est faisable ou
pas, auquel cas une autre ressource d’eau potable devra être utilisé.
4.3 Surveillance et gestion des risques d’intrusion salée en Nouvelle-Zélande
(Callandar et al., 2011)
Dans un contexte marqué par une forte prise de conscience des risques liés à l’intrusion saline,
la Nouvelle-Zélande montre une grande variété de pratiques de gestion et de surveillance dans
la quinzaine de régions que comptent cet Etat (d’une approche pragmatique au cas par cas à
des prescriptions fortes, par exemple l’obligation de tests de pompage et de surveillance pour
des forages localisés à moins de 5 km de la côte ou l’arrêt du forage quand la concentration
dépasse une certaine concentration en chlorures). En dépit de la lon gueur importante de côte
de la Nouvelle Zélande, il existe seulement un nombre limité de problèmes d’intrusion saline.
(en majorité des aquifères libres superficiels où le problème est généralement rapidement
résolu par une diminution du débit de pompage ou une relocalisation des forages). L’extension
maximale observée de l’intrusion saline dans les terres est de 400 m pour les aquifères libres
et de 2 km pour les aquifères confinés.
Indicateurs de suivi
Etant donné la variété de causes possibles de contamination de puits par de l’eau salée
(intrusion d’eau de mer, drainance entre aquifères, sources géothermales, interaction d’une
nappe avec son milieu solide, infiltration d’eaux usées, …), différentes indicateurs chimiques
sont utilisés pour démontrer la présence d’eau de mer. Les approches sont généralement
fondées sur la comparaison de la qualité chimique de l’eau souterraine avec celle de l’eau de
mer. Les indicateurs couramment utilisés sont les suivants : ratio calcium/magnésium,
bicarbonate/chlore, diagrammes de Piper, de Stiff, de Durov, de Schoeller. La Figure 26 montre
un exemple de valorisation de ces indicateurs : le ratio calcium/magnésium en fonction de la
conductivité électrique permet ici d’aider à identifier différents groupes de puits plus ou plus
affectés par l’intrusion d’eau de mer.
38
GRAIN D’SEL
F IGURE 26 – SURVEILLANCE DE L ’AQUIFERE COTIER DE CANTERBURY EN MARS -AVRIL 2010 (C ALLANDAR ET AL ., 2011)
Stratégie de surveillance
Cette stratégie est déclinée en deux niveaux :
 Phase d’investigation : l’objectif ici est de comprendre ou de préciser la localisation de
l’intrusion saline. Les moyens mis en œuvre sont des mesures directes dans des puits
(pression, conductivité, concentrations en cations/anions), des essais de puits, des
bilans hydriques, l’utilisation de solutions numériques ou de codes numériques, ou
encore des campagnes géophysiques (en particulier de résistivité). Les campagnes de
mesures peuvent être répétées selon les objectifs de l’étude (changement climatique,
changement d’usage des sols, …) ;
 Phase de surveillance : il s’agit ici de déterminer les variations temporelles de
différents indicateurs par des mesures directes dans des puits dédiés. A minima, la
pression et la qualité des eaux souterraines (a minima la conductivité électrique,
occasionnellement des analyses plus complètes) sont suivies. Des sondes de mesure
automatique de la pression et de conductivité sont citées comme des outils très utiles
pour suivre de façon détaillée (pas de temps 15 mn) et sur le long terme les variations
des paramètres, et fournir ainsi une aide à la compréhension des facteurs influençant
le système.
Les auteurs proposent une matrice pour aider à constituer un réseau de surveillance en
fonction du type de risque et du type de conséquences.
39
GRAIN D’SEL
Les trois exemples ci-dessous montrent la variabilité des mesures de surveillance selon les régions :
 Bay of Plenty : une campagne par an en septembre pour l’analyse des chlorures et de la
température ;
 Taranaki : les prélèvements sur les forages proches de la côte (3 à 6 km de la côte) ne doivent
pas causer d’intrusion saline. Une surveillance périodique des chlorures et de la conductivité
est demandée. Pour les forages d’irrigation, la surveillance des chlorures n’est requise que
pendant la période d’irrigation et le dernier échantillon prélevé doit être prélevé 7 à 10 jours
après l’arrêt de l’irrigation ;
 Southland : si le débit prélevé est supérieur à 3500 m3/jour et que l’extraction est faite en
continu pendant 3 mois ou plus, la surveillance au niveau des piézomètres sentinelles doit
être augmentée à une fréquence mensuelle (ces sentinelles sont placés en périphérie de
l’aquifère). Les paramètres mesurés sont le niveau piézométrique et la conductivité
électrique. Si aucune évolution n’est observée dans les 12 mois suivants l’augmentation de
fréquence de suivi, la surveillance annuelle est reprise.
Exemple de surveillance : la région du Northland
Le réseau de surveillance du Northland, géré au travers du SOE, comprend 38 puits dont 22
faisant l’objet d’un échantillonnage trimestriel (cf. Figure 27). Les indicateurs de qualité suivis
sont la conductivité et la concentration en chlorures. Les mesures sont manuelles et ne
semblent pas couplées à un modèle numérique.
F IGURE 27 – RESEAU DE SURVEILLANCE DE LA REGION DU N ORTHLAND (CALLANDAR ET AL ., 2011)
40
GRAIN D’SEL
Un exemple de suivi sur 6 puits est présenté Figure 28.
F IGURE 28 – SUIVI QUALITE POUR LE SITE DE RUWAI , REGION DE N ORTHLAND (CALLANDAR ET AL ., 2011)
Exemple de surveillance : la région d’Auckland
Dans cette région, la succession d’étapes dans la surveillance est la suivante :
1. analyser l’ensemble des données de niveau d’eau, de qualité de l’eau et de son utilisation
afin d’évaluer pourquoi le seuil a été dépassé,
2. augmenter la fréquence de surveillance des forages,
3. diminuer le débit pompé si après 3 échantillons analysés l’intrusion saline ne peut être
réduite.
Le seuil de surveillance de l’intrusion saline est atteint lorsque la concentration en chlorures de l’eau
souterraine dans les puits de surveillance est supérieure à 2 fois la valeur moyenne des mesures sur
échantillons et lorsque le niveau de l’eau dans ces puits a diminué jusqu’à être inférieur au niveau
moyen de la mer.
4.4 Définition d’un réseau de surveillance à la Réunion (Dörfliger et al., 2010 ;
Frissan et René-Corail, 2005)
En 2005, le BRGM a réalisé un état des lieux des ouvrages touchés par l’intrusion saline à la Réunion.
Dans un premier temps, des démarches ont été entreprises pour recueillir des données provenant de
puits d’exploitants, d’industriels (usine sucrière), du Laboratoire des Sciences de la Terre de
l’Université de la Réunion, des services de l’Etat (DRASS, DIREN, DRIRE), des services techniques des
communes de Saint Denis et Sainte Rose, de la Direction des services de l’Eau du Département, de
l’Office de l’Eau de la Réunion et de la Banque de Données du Sous-Sol.
41
GRAIN D’SEL
La localisation des ouvrages menacés par l’intrusion saline s’est faite en deux temps. Un premier tri
consistant à sélectionner les ouvrages pour lesquels la conductivité électrique mesurée était
supérieure à 500 µS/cm (et la concentration en nitrates supérieure à 200 mg/L) a permis de
sélectionner 41 ouvrages. Les ouvrages sélectionnés par le premier tri ont ensuite été classés en trois
catégories selon le risque d’intrusion saline en fonction de la conductivité mesurée :
 conductivité électrique (C) > 10 000 µS/cm : ouvrages recoupant l’interface eau douce/eau
salée ou du moins la zone de transition,
 C > 1 000 µS/cm : ouvrages soupçonnés d’être influencés par les intrusions salines,
 80 < C < 200 µS/cm : influence possible de l’intrusion saline.
Le logigramme présenté Figure 29 récapitule les différentes étapes de sélection des ouvrages
concernés par l’intrusion saline. Finalement, 20 ouvrages ont été considérés comme pouvant être
influencés par l’intrusion saline, 13 comme soupçonnés d’être influencés et 8 comme recoupant le
biseau salé.
Une étude du BRGM datant de 2000 (RP 59 457 FR, 2000) concernant l’intrusion saline à La Réunion
a montré que la commune de Saint Louis possédait 3 puits fortement touchés par l’intrusion saline.
Les débits de pompage de ces puits sont variables (puits A : de 306 m3/h à 918 m3/h ; B et C :
306 m3/h à 612 m3/h). La conductivité électrique de l’eau est considérée comme normale pour des
valeurs situées autour de 400 µS/cm. Lorsque ce paramètre atteint 800 µS/cm, une alerte est
déclenchée et au-delà de 1000 µS/cm (seuil de crise), le pompage est arrêté et ne reprend que
lorsque la conductivité électrique moyenne est revenue à 400 µS/cm.
En 2011, l’Office de l’Eau de la Réunion dispose d’un réseau composé de :
 27 points de mesure des concentrations en éléments majeurs
 29 points de mesure des concentrations en chlorures
 23 points de suivi par diagraphie de conductivité.
La fréquence des mesures par diagraphie est trimestrielle, alors que pour définir des indicateurs
destinés à caractériser l’état des masses d’eau ou pour définir l’impact d’une sécheresse sur les
masses d’eau, il est nécessaire de comprendre ce qui contrôle les mouvements de l’interface et de
définir comment les pulsations journalières influencent la charge piézométrique. Ainsi, sur la base de
l’interprétation des données disponibles et de l’analyse de l’environnement des différents secteurs
(hydrogéologie, exploitation, littoral), 41 points ont été identifiés pour un suivi des conductivités en
continu à des profondeurs fixes (Figure 30).
42
GRAIN D’SEL
Les ouvrages de la zone d’étude ont été triés
selon les valeurs de conductivité électrique
mesurées. L’objectif était d’identifier les
ouvrages soumis aux intrusions salines.
F IGURE 29 - METHODE D’ IDENTIFICATION DES OUVRAGES SOUMIS AUX INTRUSIONS SALINES (D ÖRFLIGER ET AL ., 2010 )
F IGURE 30 – RESEAU D ’ETUDE DE LA SALINISATION DES AQUIFERES COTIERS DE L ’ ILE DE LA REUNION (B ONIER, 2012)
43
GRAIN D’SEL
4.5 Système de surveillance de la côte israélienne (Shalev et al., 2009)
Le système de surveillance de l’aquifère côtier de la cote israélienne (bassin sédimentaire homogène
comprenant des sables et quelques horizons argileux) a fait l’objet d’une étude détaillée visant à
préciser les biais introduits par le dispositif de surveillance sur la localisation de la zone de mélange.
Des gradients hydrauliques verticaux significatifs sont observés dans les aquifères côtiers,
principalement du fait des contrastes de densité entre l’eau de nappe et l’eau de mer. En présence
de marées, les fluctuations du niveau de la nappe et de la zone de mélange sont également biaisées.
Le système de surveillance comprend environ 500 piézomètres qui sont dans leur grande majorité
crépinés sur toute la hauteur, comme c’est généralement le cas partout dans le monde. Les ouvrages
crépinés toute hauteur (10 à 50 m) induisent donc des courts-circuits en connectant les différentes
zones captées par l’ouvrage.). Les résultats des mesures de terrain (sondes DIVERS CTD (conductivité,
température, profondeur)) et d’une modélisation numérique 3D (cf. Figure 31) montrent que les
fluctuations dans les piézomètres sont un ordre de grandeur supérieur à celles présentes dans
l’aquifère. Les paramètres principaux influençant ce biais sont l’anisotropie de la perméabilité de
l’aquifère et les paramètres hydrauliques de l’ouvrage, l’intensité du biais étant également fonction
de la présence/absence de la marée.
F IGURE 31 – MODELISATION NUMERIQUE 3D (S HALEV ET AL ., 2009)
44
GRAIN D’SEL
4.6
Identification des sources de chlorures en région de polder aux Pays-Bas (De
Louw, 2010)
Le programme de gestion des eaux souterraines et de surface dans le polder de Noordplas (Pays-Bas)
a pour objectifs d’identifier et de quantifier les flux d’eau ainsi que les teneurs en chlorures.
Afin de déterminer la décharge journalière en eau du polder, les durées de pompage ont été
enregistrées automatiquement au niveau des deux stations de pompage. L’eau pompée était
échantillonnée automatiquement selon une fréquence proportionnelle à la décharge, afin de
déterminer la quantité de chlorures sortant du polder. Les échantillons étaient mélangés
automatiquement pour constituer un échantillon unique collecté tous les 3-7 jours avant analyse de
sa teneur en chlorures en laboratoire. A partir de la concentration en chlorures et du volume d’eau
déchargée du polder, on obtient le volume total de chlorures pompé hors du polder. L’eau entrant
était mesurée en 5 points et analysée tous les mois pour sa concentration en chlorures. Les
précipitations étaient mesurées en 2 points du polder au moyen d’une jauge à basculement. 14
ensembles de piézomètres en flûte de pan (4 piézomètres par groupe) ont été installés afin de
mesurer les niveaux piézométriques et d’analyser la composition de l’eau dans différents horizons
aquifères. Les hauteurs d’eau étaient mesurées toutes les deux semaines et toutes les heures sur 30
piézomètres. Le pH, la température, la conductivité électrique, la teneur en oxygène dissous ainsi
qu’en bicarbonates étaient mesurés sur site. Au niveau de chaque groupe de piézomètres, une jauge
était installée dans une fosse afin de réaliser des analyses sur l’eau de surface. Ces jauges ont permis
de déterminer la répartition spatiale de la salinité dans les eaux de surface.
Les résultats de l’étude ont permis de montrer qu’il existe trois sources différentes de chlorures et
qu’elles influencent différemment les eaux de surface en termes de concentration en chlorures.
4.7 Caractérisation de l’impact d’une intrusion saline par modélisation dans la
région de Goa en Inde (Sharma et al., 2007)
Une étude de 3 ans (2004-2007), réalisée en Inde dans la région de Goa, avait pour objectifs de :
 simuler l’intrusion saline dans une région de long de la côte de Goa,
 évaluer l’impact de l’intrusion saline due à différents scénarios de pompage,
 réaliser des analyses de sensibilité pour trouver les paramètres les plus sensibles affectant la
simulation.
Au cours de cette étude, différents types de mesures ont été réalisées : des mesures mensuelles des
niveaux piézométriques en 20 points (Figure 32) pendant 1 an, un échantillonnage bi-mensuel de
l’eau de la nappe en 20 points pendant 1 an, des mesures de salinité (conductivité électrique et TDS)
en laboratoire ainsi que des profils de résistivité et sondages (4 profils de résistivité électrique et 7
sondages électriques verticaux).
45
GRAIN D’SEL
F IGURE 32 – CARTE DE LA ZONE D 'ETUDE (A GAUCHE ) ET E XTENSION SIMULEE DE L 'INTRUSION SALINE , LA LIGNE ROUGE
CORRESPONDANT AU FRONT DE L 'INTRUSION (A DROITE ) [SHARMA ET AL ., 2007]
Ces données ont ensuite été utilisées pour calibrer un modèle numérique construit sous FEFLOW. Ses
caractéristiques sont les suivantes :
 géométrie de l’aquifère : 6 couches, dont 1 couche superficielle (nappe libre)
 niveau zéro défini à 50 m en dessous du niveau de la mer
 superficie de 74 km², discrétisée en 6 prismes triangulaires nodaux
 conditions aux limites : concentration de 35,425 mg/L imposée le long de la zone côtière,
correspondant à la salinité de l’eau de mer,
 hauteurs d’eau mesurées ponctuellement (en 20 points) régionalisées par
interpolation/extrapolation,
 pluie annuelle moyenne choisie sur la base des données de pluie quotidiennes de Panaji de la
période 1984-2003,
 régime transitoire pour le transport : pas de temps initial de 0,001 jour, durée de la
simulation 10 ans.
Les résultats des simulations et de l’analyse de sensibilité sont présentés en termes de salinité
maximale à proximité de la côte et de distance à la côte. L’une des conclusions de l’étude est que la
salinité de la nappe doit être surveillée en continu à proximité de la côte et jusqu’à 2 km dans les
terres (Figure 32).
46
GRAIN D’SEL
4.8 Modélisation de l’impact de travaux de génie civil dans le port de Fréjus
(BURGEAP, 2013)
L’extension du port de Fréjus vers l’intérieur des terres est un projet initié en 2006 et achevé en
2013.
Au moyen d’un modèle numérique construit sous FEFLOW simulant l’écoulement de la nappe et les
effets densitaires, l’impact de l’extension du port a été évalué sur le long terme en fonction de
différents paramètres (profondeur de la fiche du rideau de palplanches ceinturant l’extension,
perméabilité des aquifères, …). Ce modèle permet donc d’évaluer l’impact du projet en termes de
distribution de la salinité, entre l’état initial avant travaux et l’état après l’extension du port, comme
visualisé Figure 33. Le rideau de palplanches peut avoir un effet négatif sur la piézométrie (effet
barrage avec relèvement des niveaux en amont et abaissement en aval) et un effet bénéfique en
freinant la migration du biseau salé. Le modèle permet dès lors de justifier le meilleur compromis
entre ces deux effets. Le modèle hydrogéologique a permis en outre de pré-positionner les puits d’un
réseau de surveillance.
F IGURE 33 – MODELISATION DE LA SALINITE DE LA NAPPE AVANT ET APRES L ’EXTENSION DU PORT DE F REJUS
F IGURE 34 – EVOLUTION DE LA CONDUCTIVITE MESUREE DANS UN PUITS DE CONTROLE PENDANT ET APRES LES TRAVAUX
D ’ EXTENSION DU PORT DE F REJUS (BURGEAP, 2013)
47
GRAIN D’SEL
Le réseau de surveillance, comprenant des piézomètres dédiés et des puits de particuliers, a pour
objectif le suivi manuel de la conductivité avant, pendant et après les travaux portuaires. Le suivi a
permis de détecter un impact temporaire des travaux qui s’est ensuite amenuisé (Figure 34). La
distance à laquelle l’impact a été observé est relativement conforme aux prévisions du modèle
numérique. Sur la base de ce suivi, des indemnités ont été versées aux riverains utilisant l’eau
souterraine pour l’arrosage de leur jardin particulier, lesquelles avaient été estimées dans un premier
temps par le modèle puis ajustées sur la base du réseau de suivi.
4.9 Modélisation de l’intrusion saline dans l’aquifère de Korba (Tunisie) :
estimation du temps de retour à l’état initial (Kerrou et al., 2010)
L’aquifère de Korba, sur la péninsule de Cape Bon en Tunisie, est impacté par une intrusion saline
due à d’importants pompages pour l’irrigation. Afin de mieux comprendre ce phénomène et tenter
de prévoir son évolution, un modèle 3D d’écoulement transitoire avec effet de densité a été
construit sous FEFLOW. Le modèle a été calibré afin de reproduire la baisse du niveau piézométrique
et l’intrusion saline, en considérant la variabilité inter-annuelle de la recharge et l’augmentation des
débits de pompage.
Le modèle a montré que l’aquifère est surexploité mais il a également permis d’évaluer le temps
nécessaire au retour à l’état initial (avant la contamination par l’intrusion saline). Pour ce faire, une
simulation a été réalisée pour la période 2004-2200 en utilisant le modèle calibré et en conservant
les conditions aux limites et la recharge de 2004 ainsi qu’en supprimant les pompages de l’ensemble
de l’aquifère (Figure 35).
F IGURE 35 – SIMULATION DE L’ IMPACT DE L’ARRET TOTAL DES POMPAGES A PARTIR DE 2004 (KERROU ET AL ., 2010)
Les résultats montrent l’asymétrie existant entre le temps nécessaire à contaminer l’aquifère, 50 ans
environ, et le temps nécessaire au retour à l’état naturel, environ 150 ans. Les temps de retour à
l’état naturel sont considérés comme sous-estimés, étant donné les difficultés de prise en compte
des forages d’irrigation. Les résultats des simulations montrent également que le mouvement du
48
GRAIN D’SEL
biseau salé vers l’intérieur des terres va persister encore 10 ans (de 2004 à 2014) après l’arrêt des
pompages. Cela est dû au temps nécessaire à l’inversion du gradient hydraulique. L’iso-concentration
d’eau de mer 0,5 mettra 80 ans pour revenir à sa position initiale et il faudra 150 ans pour l’isoconcentration 0,25.
4.10 Modélisation 3D d’intrusion saline dans les aquifers côtiers de la plaine du
Goksu Deltaic, Turquie (Cobaner et al., 2012)
Une modélisation 3D de la plaine deltaïque du Goksu située à proximité de la ville de Silifke en
bordure de la mer Méditerranée a été réalisée avec le logiciel SEAWAT. Une part importante de la
surface de ce delta (9 600 ha sur 22 600 ha) est occupée par des terres agricoles (Figure 37, à
gauche), avec une irrigation importante et saisonnière. La modélisation a pour objet de développer
un outil de prévention et de gestion de ces intrusions. Le logiciel SEAWAT a été choisi pour sa
capacité à représenter la zone de transition présente dans l’interface eau douce/eau salée et par son
succès dans de nombreuses études de références en matière d’intrusion saline.
Après une synthèse et une analyse des données disponibles (une étude détaillée est disponible dès
1958, cf. Figure 36 à gauche), un bilan hydrique à l’échelle du delta a été établi (Figure 36, à droite).
Concernant l’évolution temporelle des paramètres, ils concernent majoritairement la piézométrie, la
conductivité, la concentration en TDS et en chlorures.
F IGURE 36 – I SO -CONCENTRATIONS EN CHLORURES DANS LA REGION DE CUTLER RIDGE LE 18/09/1958 (A GAUCHE ) ;
BILAN HYDRIQUE DU DELTA DU GOSKU (A DROITE ) [COBANER ET AL ., 2012]
Des investigations complémentaires ont ensuite été menées, avec des échantillons d’eau collectés
manuellement tous les mois dans 23 forages de profondeur variant entre 4 et 65 mètres et analyse
(conductivité, pH, concentration en chlorure). Le TDS a été calculé à partir de la conductivité et d’un
facteur correctif associé. Des analyses chimiques complémentaires (
,
,
) ont été faites sur 21 échantillons en Juillet 2008. Le ratio Na/Cl a été
utilisé pour rendre compte de l’intrusion saline.
49
GRAIN D’SEL
A partir de ces données, la construction du modèle a été réalisée, en s’appuyant également sur les
données hydrogéologiques et la localisation/débits de pompage des nombreux forages agricoles
(Figure 37 à droite). La calibration du modèle ayant été jugée satisfaisante,
F IGURE 37 – Z ONES IRRIGUEES ET CANAUX DE DRAINAGE (A GAUCHE ) ; LOCALISATION DES PUITS DE POMPAGE (COBANER ET
AL., 2012)
La calibration du modèle a ensuite été effectuée en ajustant les valeurs observées en 2008 et
simulées de piézométrie et de TDS sur 23 puits (Figure 38 à gauche) ainsi que le bilan de masse en
eau. Les résultats du modèle ont ensuite été comparés à l’équation de Ghyben-Herzberg, attestant
d’une bonne cohérence entre les deux approches calculatoires. Les différences et incertitudes du
modèle sont discutées, en particulier sur l’influence du maillage (un maillage grossier de 500 x 500 m
a été retenu par les auteurs), la spatialisation de la recharge et de l’ETP, ou encore les débits de
pompage.
A partir du modèle calibré, des simulations ont été effectuées pour rendre compte de l’impact sur 50
ans de variations de débit de pompage agricole (augmentation ou diminution de 10, 20, 30 et 50% du
débit global) et de l’élévation du niveau marin induit par le changement climatique. Les résultats
suggèrent qu’il est très difficile de réduire fortement les concentrations en chlorures en réduisant
seulement les débits de pompage. De l’autre côté, une augmentation des débits de pompage se
traduirait par une propagation rapide de l’intrusion saline à l’intérieur des terres (700 m avec une
augmentation du débit de 50%). En conséquence, et en considérant que l’agriculture est la source
principale de revenu des habitants de cette région, les auteurs ne recommandent pas de limiter les
débits de pompage, mais de mettre en œuvre des solutions alternatives telles que la recharge
artificielle.
50
GRAIN D’SEL
F IGURE 38 – CALIBRATION DU MODELE POUR LES CONCENTRATIONS EN TDS (G /L) ET LES DIRECTIONS D ’ECOULEMENT (A
GAUCHE ) ; COMPARAISON DES LIGNES DE GHYBEN -H ERZBERG AVEC LE MODELE ( A DROITE ) [COBANER ET AL ., 2012]
4.11 Utilisation de la modélisation comme outil de compréhension et d’aide à la
décision aux Iles de la Madeleine au Québec (Brossard et al., 2004)
Le projet Madelin’Eau illustre l’utilisation de la modélisation comme outil de compréhension et
d’aide à la décision d’un aquifère impacté par une intrusion saline. Dans le cadre d’un projet de
développement durable en matière de gestion des eaux souterraines aux îles de la Madeleine
(Québec), le groupe Madelin’ Eau a eu pour mission de fournir aux représentants de la collectivité
des outils de gestion et d’intervention leur permettant de gérer et de valoriser les ressources en eau
souterraine (aires d’alimentation et périmètres de protection, modalités de pompage). Plusieurs
forages AEP sont atteints par une intrusion saline. La méthodologie de l’étude est décrite Figure 39.
Dans un premier temps, divers travaux de terrain ont été menés : inventaire des puits privés, essais
de pompage, levés géophysiques sur l’ensemble des îles de l’archipel, prélèvements d’eau
souterraine pour analyses.
Deux modélisations ont ensuite été réalisées, l’une pour comprendre les écoulements d’eau
souterraine sur les différentes îles (à l’aide du code MODFLOW) et l’autre pour comprendre
l’intrusion saline au niveau des différents champs captant. La modélisation des intrusions, réalisée
après la prospection géophysique électrique, a été effectuée à l’aide du logiciel SUTRA 3D afin de
simuler les intrusions salines causées par le pompage des ouvrages de production. Les simulations
ont été faites en régime permanent (recharge et débits de pompage annuels moyens). Une valeur
unique de recharge a été appliquée à l’ensemble de la zone, les conductivités hydrauliques ont été
spatialisées en réalisant une moyenne géométrique par zone des valeurs obtenues lors des essais de
pompage. Les résultats des simulations ont montré que les débits moyens annuels de pompage ne
devaient pas être augmentés et que l’application d’un faible débit en continu est préférable à un fort
débit sur une courte période.
Ces simulations ont conduit en particulier à recommander l’implantation de nouveaux puits dans des
secteurs encore non exploités et de les disposer transversalement aux lignes d’écoulement.
51
GRAIN D’SEL
F IGURE 39 - METHODOLOGIE UTILISEE POUR LE PROJET MADELIN ’E AU (Q UEBEC ) [B ROSSARD ET AL ., 2004]
4.12 Acquisition en temps réel des données liées à une intrusion saline à l’aide du
Robowell (Granato et Smith, 2002)
Parmi les outils de mesure en temps réel des paramètres de suivi d’une intrusion saline,
mentionnons le système Robowell, développé dans les années 1990 par l’USGS. Les paramètres
mesurés sont le niveau piézométrique et la qualité de l’eau. L’eau échantillonnée à l’aide d’une
pompe immergée dans le puits puis analysée automatiquement sur site par le Robowell sur
différents paramètres telles que la conductivité, le pH, la température et l’oxygène dissous (Figure
40). Le système effectue des mesures de fréquence horaire à mensuelle et peut automatiquement
augmenter la fréquence de mesure s’il détecte des changements de qualité de l’eau. Les résultats
sont transmis ensuite par téléphone ou satellite.
52
GRAIN D’SEL
Vis-à-vis d’autres systèmes de mesure en temps (en particulier différents Diver développés par
Schlumberger7), l’originalité de ce dispositif est l’acquisition de données au travers de prélèvements
et d’analyses selon des protocoles similaires à ceux utilisés lors de mesures manuelles.
F IGURE 40 - E XEMPLE D ' UTILISATION DU SYSTEME ROBOWELL DANS LE MASSACHUSSETTS (BARLOW , 2003)
Entre 1994 et 2002, 6 prototypes ont été testés par l’USGS sous différentes conditions hydrologiques,
hydrogéologiques, géochimiques et pour des agencements de puits différents. Le système a
notamment été testé pour l’étude de la contamination des eaux souterraines par des sels de route
de mars à juin 1995 dans le Sud du Massachussetts (Granao et Smith, 1999). En mesurant la
piézométrie, la conductivité et le pH (respectivement toutes les heures et deux fois par jour pour les
deux derniers paramètres) au niveau des champs captant en bordure littorale dans le Cape Cod
Massachussetts, le système Robowell a montré la pertinence de son utilisation pour des
problématiques d’intrusion saline (Figure 40).
A notre connaissance (recherche Web), ce dispositif expérimental ne semble pas avoir fait l’objet
d’utilisation après 2002.
4.13 Projet R&D ALERT de surveillance automatique d’un aquifère côtier au
moyen d’une tomographie électrique continue à Almeria, Espagne (Ogilvy et
al., 2009)
Un système automatique de tomographie de résistivité électrique (système ALERT) a été développé
dans le cadre d’un projet R&D (6ème PCRD) avec pour objectif le suivi en continu et à long terme des
aquifères côtiers. Le dispositif instrumental a été installé de façon permanente dans la vallée de
l’Andarax à Almeria (Espagne) en vue de suivre et de gérer l’impact du changement climatique et des
7
water.slb.com
53
GRAIN D’SEL
usages des sols sur l’aquifère (réseau de 1,6 km de long suivant une ligne perpendiculaire au trait de
côte, distance entre électrodes 10 m, profondeur d’investigation 160 m).
Le système mesure à un pas de temps journalier la résistivité électrique de la nappe au droit des
puits et transmet de manière automatisée les résultats à un réseau de surveillance (Figure 41). Le
système est piloté à distance depuis une station de contrôle située au Royaume-Uni (gérée par le
British Geological Survey), laquelle fournit ensuite de façon automatique et à la demande des images
géoélectriques (Figure 42). La calibration des données de résistivité électrique avec des analyses
chimiques n’est pas présentée par les auteurs (il s’agit d’un verrou majeur pour toutes les méthodes
géophysiques). Le système permet ainsi de prévoir les risques de sur-exploitation de l’aquifère, d’une
remontée du niveau de la nappe, d’une intrusion d’eau salée ou d’une arrivée de polluants d’origine
anthropique dans des captages. Le développement d’un système d’aide à la décision associé au
système ALERT et à un modèle hydrogéologique (Van Cauwenbergh et al., 2007) a par ailleurs permis
de simuler différentes stratégies de gestion de l’aquifère (augmentation du prix de l’eau, réalisation
de forages supplémentaires, dessalinisation de l’eau, diminution de l’irrigation, limitation de
l’urbanisation, …).
F IGURE 41 - SCHEMATISATION DU SYSTEME D’ALERTE (OLGIVY ET AL ., 2009)
Plusieurs années de données ont été acquises et interprétées jusqu’en 2007, date de fin du projet.
Jusqu’à 2009 (année de la publication de l’article), l’acquisition des données s’est poursuivi mais pas
l’analyse des données, faute de ressources financières. Au vu des informations disponibles sur le
web, il semblerait donc que le projet R&D ne se soit pas poursuivi par une exploitation
opérationnelle du système.
Les auteurs indiquent que l’un des avantages de ce système est son coût inférieur à celui des
systèmes traditionnels fondés sur des campagnes de terrain avec échantillonnage et analyses d’eau.
Les auteurs ne discutent cependant pas des intérêts et limites du système ALERT vis d’autres
54
GRAIN D’SEL
systèmes automatisés (par exemple des solutions de type DIVER avec enregistrement automatique et
télétransmission).
F IGURE 42 – MAPPING 2D D’ UNE IMAGE ISSUE DU SYSTEME ALERT SUR UNE PHOTO AERIENNE – ZONE DE MELANGE EN
VERT (O LGIVY ET AL ., 2009)
4.14 Projets R&D ALIANCE et GIRELLE concernant le développement de nouveaux
outils de géophysique ou d’hydrogéophysique
Le projet ALIANCE (ALIANCE, 2006)
Le projet européen ALIANCE (« Advanced Logging Investigations and Analysis iN Coastal
Environments » 2002-2005, coordination GEOSCIENCES) a trait au développement de nouveaux
outils de géophysique ou d’hydrogéophysique en forage dans des environnements côtiers :
 2 « sources » : CoFIS (Controlled Fluid Injection Sonde) et H2E (Harmonic Hydraulic
Endoscopy) [CNRS, Montpellier]
 3 « récepteurs » : MuSET (Multi-Sensors Electrical Tool), DopTV (Doopler TeleViewer
Imaging), SHyFT (Slimline Hydraulic Formation Tester) [ALT, GeoEnergy].
Ces outils ont été mis en œuvre dans trois laboratoires de terrain situés à Majorque (Baléares), à
Ploemeur (Bretagne) et à Montpellier (Languedoc), sur des échelles variant du mm à 100 m. Le site
de Majorque comprend 12 forages de 100 mètres de profondeur.
Dans un premier temps, des mesures pétrophysiques ont été réalisées en laboratoire sur des
carottes de sols (récifs carbonatés perméables à Majorque, granite frais et altéré fracturés et peu
perméables à Ploemeur, alternances argile/sable à Montpellier) pour déterminer la porosité, la
densité, les propriétés électriques, la vitesse acoustique ainsi que la perméabilité. Des cartes de
résistivité électrique ont ensuite été acquises pour caractériser la géométrie de l’intrusion saline, en
l’occurrence sur 20 km à l’intérieur des terres sur le site de Majorque (Figure 43, à gauche).
Une caractérisation détaillée par imagerie ou mesures géophysiques en forage et test
hydrodynamique ont ensuite été réalisées en mono-puits et puits à puits. Les essais ont été menés
de façon contrôlée, avec suivi en parallèle de différents paramètres tels que la pression, la
55
GRAIN D’SEL
température, la concentration en différents composés chimiques et traceurs. La Figure 43 (à droite)
montre un exemple de restitution de l’une des sondes développées dans le cadre du projet.
F IGURE 43 – CARTE DE RESISTIVITE ELECTRIQUE A 60 M DE PROFONDEUR SUR LE SITE DE M AJORQUE (A GAUCHE ), EXEMPLE
DE RESTITUTION AVEC LA SONDE HPF (A DROITE ) [ALLIANCE, 2005]
Les résultats du suivi du site de Majorque sur 8 ans n’ont montré aucun changement notable de la
composition chimique de l’eau. Une faible variation saisonnière de la conductivité électrique liée au
cycle des précipitations a été observée (Figure 44).
F IGURE 44 – CORRELATIONS ENTRE CONDUCTIVITE ELECTRIQUE ET PRECIPITATIONS (GARING, 2012)
Le projet GIRELLE (GIRELLE, 2006)
Initié dans le cadre du projet ALIANCE, le projet GIRELLE a pour but la mise en place d’une stratégie
de pilotage et de gestion des aquifères côtiers en zone urbaine. La méthodologie est visualisée Figure
45. Mentionnons noter que BRGM, IMAGEO et GEOSCIENCES sont partenaires du consortium (15
partenaires, tous français). La spécificité de ce projet est son caractère intégrateur, incluant le
développement de sites expérimentaux (Languedoc-Roussillon, Baléares, Indonésie) avec
instrumentation autonome de terrain, modélisation des flux en vue de rétroaction sur l’usage et
56
GRAIN D’SEL
donc gestion à court et long terme des ressources en eau et des risques associés. L’objectif est de
disposer de données « en ligne » en quasi temps réel permettant aux gestionnaires de prendre les
décisions nécessaires en termes de sauvegarde de la ressource.
Les résultats du projet ne semblent pas disponibles sur le web.
.
F IGURE 45 – METHODOLOGIE DU PROJET GIRELLE (GIRELLE, 2006)
57
GRAIN D’SEL
5 Discussion et perspectives
5.1 Discussion
Cet Etat de l’Art a pour objectif d’apporter des éléments de réflexion nécessaires à la mise en place
d’un système de surveillance et d’alerte et de montrer comment les données sont ensuite
interprétées, afin de prévenir une intrusion saline. La revue de la littérature effectuée a tenté
d’apporter des réponses aux questions suivantes :
 Existe-t-il des systèmes de surveillance et/ou d’alerte des intrusions salines en aquifères
côtiers ? Si oui, comment fonctionnent-ils ? Quels sont les paramètres de suivi utilisés ?
 Existe-t-il une logique, des scénarios, des arbres décisionnels de gestion des intrusions
salines ?
 Quelle est le retour d’expérience sur la mise en œuvre de modélisations pour les systèmes
de surveillance ?
 Existe-t-il des exemples de valorisation de systèmes d’alerte dans des modèles
numériques ? Si oui, quelles leçons en tirer ?
L’analyse de la littérature consultée montre que les systèmes de surveillance peuvent être rangés en
deux catégories selon l’objectif poursuivi : la phase d’investigation et la phase de surveillance.
Phase d’investigation
L’objectif ici est de comprendre ou de préciser la localisation de l’intrusion saline , étape
généralement préalable à la mise en œuvre de la phase de surveillance à moyen/long terme.
Les moyens utilisés sont variables selon les études de cas. Le plus souvent, il s’agit de mesures
directes dans des puits : des mesures manuelles ou à l’aide de sondes de mesure automatique,
parfois des méthodes géophysiques (en particulier de résistivité). Les pas d’échantillonnage
des mesures sont très variables, allant du pas de temps annuel pour étudier les impacts à long
terme, à des pas horaires, par exemple pour étudier l’impact dans un forage des modif ications
de débit de pompage. Les paramètres analysés sont le plus souvent la pression, la
conductivité, la concentration en chlorures et en DTS, mais un certain nombre d’études
témoignent de l’utilisation d’analyses cations/anions avec des interprétations plus poussées
(diagramme de Piper ou de Stiff, …). Les mesures sont faites sur un point unique en vertical ou
sous forme de diagraphies (notamment des profils verticaux de conductivité).
Ces mesures sont complétées dans bon nombre d’études de cas d’essais de puits, de bilans
hydriques et de modélisations numériques.
La modélisation numérique est utilisée comme outil de compréhension et parfois d’aide à la
décision pour la gestion des aquifères côtiers au travers de simulations prospectives. Les codes
de calcul utilisés prennent généralement en compte les effets densitaires, hormis aux Etats Unis pour des raisons, semblerait-il, de questions de temps de calcul et de familiarisation des
utilisateurs à ce type de logiciels. Les études de caractérisation et de modélisation numérique,
58
GRAIN D’SEL
souvent associées, sont généralement bien documentées au travers de publications
scientifiques.
Mentionnons également que les études générales de vulnérabilité des aquifères côtiers d’un pays,
fondées sur la mesure de quelques paramètres (concentration en chlorures, conductivité électrique,
…), sont un déclencheur de mise en place de systèmes de surveillance (Australie notamment).
Phase de surveillance
L’objectif est ici de déterminer les variations temporelles de différents indicateurs en vue de
prévenir l’arrivée d’une intrusion saline dans un captage (eau potable , agricole, industriel) ou
d’une masse d’eau. Les causes de ces variations sont multiples : variations de la recharge, du
niveau de la mer, du débit de pompage, ou encore impact de travaux de génie civil.
Quand il s’agit de prévenir la contamination d’un captage ou d’un champ captant, les réseaux
de surveillance sont généralement constitués d’un nombre limité de puits (inférieur à 10).
Néanmoins, des études de cas sont documentées avec des suivis sur plusieurs dizaines de
piézomètres (notamment aux Etats-Unis). Selon les contextes hydrogéologiques, il s’agit de
puits complets, multi-crépinés ou en flûte de pan.
Les données sont généralement collectées de façon manuelle, mais quelques rares études de
cas de systèmes d’acquisition en temps réel avec télétransmission des données sont
documentées aux Etats-Unis.
Dans la plupart des cas analysés, les paramètres mesurés sont la pression et la conductivité
électrique ou la concentration en chlorures, occasionnellement d’autres paramètres tels que la
concentration en DTS, la température ou la pluviométrie. Les méthodes indirectes ne semblent
pas être utilisées dans un contexte de surveillance.
L’analyse de la littérature n’a pas permis de décrire le fonctionnement détaillé des systèmes de
surveillance, probablement en raison du fait que cette information ne fait pas l’objet de papiers
scientifiques ou techniques. De même, la description de scénarios ou d’arbres décisionnels de
gestion des intrusions salines n’est pas disponible, ou réduite à son expression minimale (seuils
d’alerte et de seuils critique fondés sur des valeurs seuils de concentration en chlorures ou de
conductivité électrique).
Enfin, concernant la mise en œuvre de systèmes couplés modélisation / systèmes de surveillance,
cette revue de la littérature montre que de tels dispositifs ne semblent actuellement pas être
déployés de façon opérationnelle, les seuls cas d’application identifiés étant liés à des projets de
R&D. Pourtant, les technologies semblent aujourd’hui opérationnelles (par exemple le système
ALERT).
La Figure 46 résume sous forme d’arbre décisionnel une proposition d’enchaînements d’actions liées
aux systèmes de surveillance et d’alerte, et dans ce contexte, la place de la modélisation telle
qu’identifiée dans la revue bibliographique. La Figure 47 présente de façon synthétique les résultats
de l’état de l’art en termes d’occurrence de publications pour les 6 étapes de l’arbre décisionnel.
59
GRAIN D’SEL
1 - analyse de vulnérabilité et
mise en évidence
2 - compréhension du problème
3 - dimensionnement de la
surveillance / alerte
4 - mise en œuvre de la
5 - interprétation de la
6 - déploiement d’actions
Modélisation
numérique
largement
déployée
Le modèle est parfois utilisé
pour prédire les situations à
risque (simulations prédictives)
et dimensionner les actions
nécessaires, il est peu utilisé
pour dimensionner la
surveillance
Dimensionnement peu explicité
Lien avec la modélisation ante ou post inexistante
Modélisation
numérique
quasiment jamais
déployée
Si de tels modèles
« dynamiques » peuvent exister
pour la protection de champs
captant sur d’autres risques, il
font exception pour les
intrusions salines
F IGURE 46 – P ROPOSITION D ’ ARBRE DECISIONNEL POUR LES SYSTEMES DE SURVEILLANCE ET D 'ALERTE DES INTRUSIONS
: PLACE DE LA MODELISATION TELLE QU ’IDENTIFIEE DANS LA REVUE BIBLIOGRAPHIQUE
SALINES DANS LES AQUIFERES COTIERS
En pratique
En théorie
1 - analyse de vulnérabilité et
mise en évidence
Très développé
2 - compréhension du problème
Très développé
3 - dimensionnement de la
Peu à pas décrit
4 - mise en œuvre de la
Mise en place pour
comprendre le
problème.
5 - interprétation de la surveillance
/ alerte
Peu à pas décrit
6 - déploiement d’actions
Peu à pas décrit
peu
peu
F IGURE 47 – P ROPOSITION D ’ ARBRE DECISIONNEL POUR LES SYSTEMES DE SURVEILLANCE ET D 'ALERTE DES INTRUSIONS
SALINES DANS LES AQUIFERES COTIERS : SYNTHESE DES RESULTATS DE LA REVUE BIBLIOGRAPHIE
5.2 Perspectives
Le nombre limité de systèmes automatisés de surveillance et l’absence de systèmes couplés
modélisation / systèmes de surveillance repéré dans la littérature interrogent sur les causes de cette
situation. Comme ces dernières ne semblent pas d’ordre technologique, sont-elles d’ordre
budgétaire, de communication auprès des maîtres d’ouvrage, de savoir-faire technique des acteurs,
ou encore que les dynamiques d’évolution des indicateurs de suivi ne justifient pas de tels
dispositifs ? Face à ces interrogations, il pourrait être utile de mener une analyse coûts/bénéfices de
tels systèmes.
Cette analyse coûts/bénéfices pourrait concerner dans un premier temps les différents systèmes de
mesure, en comparant les techniques classiques avec les systèmes innovants ou rarement utilisés
pour la surveillance des aquifères côtiers (méthodes géophysiques, WESBAY (Schlumberger), SMD
60
GRAIN D’SEL
développé par IMAGEO dans le cadre du projet GRAIND’SEL, …). Qualitativement, les éléments
suivants peuvent être avancés :
 les mesures directes manuelles dans des puits (piézométrie, chlorures ou conductivité
électrique) sont réputées fiables, mais peuvent devenir (très) coûteuses si les
caractéristiques du site imposent des fréquences élevées de mesure et/ou des puits de
grande profondeur. Par ailleurs, les sels circulant dans les eaux souterraines peuvent
corroder les ouvrages qui deviennent parfois rapidement inutilisables, contraignant un
entretien coûteux, voir leur remplacement ;
 les mesures directes automatiques dans des puits (DIVER (Schlulmberger), ROBOWELL
(USGS), …) ont comme intérêt d’éviter des interventions de terrain pour l’acquisition des
données tout en fournissant une information non sujette à interprétation comme c’est le cas
des mesures géophysiques ;
 les méthodes directes (et multiniveaux) dans des trous nus de forage (WESBAY
(Schlulmberger), CMT (Solinst), …) évitent les problèmes de corrosion des puits tout en
fournissant une information directe dans le milieu, non perturbée par l’ouvrage. En
revanche, les coûts de mise en place sont généralement élevés et nécessitent pour certains
dispositifs des campagnes de terrain pour l’acquisition des données ;
 les méthodes indirectes ont pour avantage d’être rapides et non destructives, tout en
apportant une information moyennée dans l’espace, ce que ne permettent pas les mesures
directes issues d’une sonde ou (dans une certaine mesure) d’un échantillon d’eau prélevé
dans un puits et analysé. Selon les contextes, cette information moyennée est parfois plus
utile qu’une information locale. Certaines méthodes indirectes ont également l’avantage
d’être peu coûteuses par rapport au forage. Cependant, ces mesures présentent plus
d’incertitudes et des difficultés d’interprétation que les mesures directes.
Pour être pertinente, cette analyse coûts/bénéfices devrait être menée sur des cas d’études
suffisamment représentatifs des situations rencontrées (nombre et profondeurs des points de suivi,
fréquence d’échantillonnage, …) en incluant le coût d’investissement de l’instrumentation et, si
besoin, de calibration des données (méthodes indirectes).
Par ailleurs, afin de décrire le fonctionnement détaillé des systèmes de surveillance, les modes
d’interprétation des données ou encore la description de scénarios ou d’arbres décisionnels de
gestion des intrusions salines, il pourrait être utile de compléter cet état de l’art par des interviews
de gestionnaires de champs captants ou de réseaux de surveillance.
61
GRAIN D’SEL
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