Temps de transfert et tendances d’évolution des nitrates et pesticides

Les pollutions diffuses en nitrates et pesticides sont l’une des causes principales de la dégradation des masses d’eaux en France et en Europe. Il apparaît important pour la gestion des eaux souterraines de prendre en compte les temps de transfert des solutés et les tendances d’évolution.

La surveillance accrue de la qualité des eaux souterraines depuis plusieurs années a mis en évidence une contamination plus ou moins importante des aquifères par les nitrates et/ou par les produits phytosanitaires en Europe et notamment en France (Barbash et al., 2001 ; EEA, 1999 ; IFEN, 2004).
De nombreuses études locales ont été menées, souvent à l’échelle du bassin versant, afin de dater les eaux souterraines, d’évaluer une vitesse de transfert au sein de la zone non saturée ( ZNS ), et de caractériser le stock en nitrates ou autres solutés présents dans cette zone non saturée.
Une étude menée conjointement par l’Agence de l’eau Seine-Normandie et le BRGM (Lopez B. et al, 2012 – Barna N. et al, 2012) a permis de mieux caractériser les pollutions diffuses (nitrates et produits phytosanitaires) à l’échelle du bassin Seine-Normandie, en particulier leur temps de transfert dans les aquifères. Cette étude se base à la fois sur l’état de contamination mais aussi en valorisant et interprétant les données historiques de qualité.

Datation des eaux souterraines et relation avec la teneur en nitrate

Synthèse des âges apparents estimés sur le bassin regroupés en 6 classes et localisation des points où l’âge varie d’une période à l’autre (n=239)

BRGM, Lopez B., Baran N., 2012

L’objectif de dater les eaux souterraines c’est-à-dire de déterminer de l’âge de l’eau est de chiffrer le temps écoulé à partir du moment où l’eau devient souterraine et d’ainsi :

connaître le taux de renouvellement des eaux souterraines ;
préciser l’origine de la pollution, et notamment de dater les nitrates présents dans la nappe et de déterminer les tendances ;
prévoir l’impact d’un changement d’occupation des sols ou de pratiques culturales.

La datation des eaux souterraines a été entreprise à plusieurs occasions lors d’études assez locales mais également lors de campagnes exceptionnelles en 2009-2010 sur l’ensemble du bassin Seine-Normandie (Lopez B., 2012 - Baran N., 2012). Les outils, tritium, gaz CFCs et SF6 se sont avérés pertinents pour estimer un âge pour les eaux relativement récentes (dernières décennies) ou à l’inverse discriminer des eaux antérieures à 1950-1960 (Gourcy et al., 2008 - Vergnaud-Ayraud et al., 2008). Ces outils, couplés à d’autres approches, servent à améliorer la compréhension du fonctionnement du système hydrogéologique.

À l’échelle du bassin Seine-Normandie, aucune relation claire ne peut être tirée entre l’âge apparent des eaux et la concentration en nitrates. En effet, outre l’âge apparent, de nombreux facteurs peuvent affecter la qualité des eaux souterraines vis-à-vis du paramètre nitrate et notamment l’évolution temporelle de la pression azotée. Toutefois, de façon logique, le groupe avec les âges les plus anciens est celui qui présente les teneurs en nitrate les plus faibles ; ces eaux pourraient être antérieures à l’augmentation de la pression azotée (autrement dit à l’intensification de l’agriculture).
Localement, dans certains sites où la gamme d’âges observés sur le bassin hydrogéologique est importante, il est possible d’établir une relation entre l’âge de l’eau et la contamination en nitrate, les eaux les plus anciennes paraissent généralement peu impactées (à ce jour). Dans d’autres cas et notamment si plusieurs modes d’infiltration sont suspectés (rôle de la fracturation de la craie dans les vallées par exemple) ou si les eaux sont très récentes, cette relation âge-teneur en nitrate n’est pas évidente ni systématique.

Tableau : Constitution des groupes d’âge apparent

Profils nitrate et temps de transfert dans la zone non saturée

L’existence d’un stock de nitrate dans le sol et dans la zone non saturée consécutif à la fertilisation pendant plusieurs années a été démontrée dès les années 1980 dans des matériaux géologiques de natures variées (Baran et al., 2005 - Baran et al., 2006).
Dans certains cas, une estimation de la vitesse de transfert de l’eau dans la zone non saturée a été réalisée en parallèle à la caractérisation du stock de nitrate et l’hypothèse d’un transfert des nitrates à la même vitesse que l’eau a été émise. Dans d’autres cas, la connaissance détaillée des pratiques agricoles a permis, à dire d’expert, d’estimer une vitesse moyenne de transfert des nitrates.
Sur le bassin Seine-Normandie, ces études ont porté presque exclusivement sur la craie, en Normandie, Picardie et Champagne. Au sein de la zone non saturée crayeuse, les vitesses estimées sur les différents sites varient de 0,27 à 0,9 m/an pour un transfert au sein de la matrice.
Les profils tritium établis dans les calcaires du Lutétien permettent d’alerter sur la possible coexistence de différents modes d’infiltration au sein de la zone non saturée (transfert matriciel et écoulements plus rapides à la faveur par exemple de la fracturation). Si cette dualité n’a pas été mise en évidence par les études réalisées sur le bassin Seine-Normandie, elle est connue et suspectée pour la craie et est mentionnée par la plupart des études. En plus d’une infiltration relativement lente au sein de la matrice, une infiltration plus rapide peut coexister.
Les études réalisées illustrent clairement que dans les cas où la zone non saturée a une épaisseur importante et/ou une vitesse d’infiltration conduisant à un transfert long, l’impact de la mise en œuvre de bonnes pratiques pourrait ne pas être immédiat mais nécessiter plusieurs années voire plus d’une décennie.

Modélisation du transfert des nitrates et des produits phytosanitaires

Tendances d’évolution des concentrations en nitrates

Carte de tendances d’évolution des concentrations en nitrate

BRGM, Lopez B., Baran N., 2012

Sur l’ensemble du bassin Seine-Normandie, les tendances d’évolution des concentrations en nitrate ont été étudiées en se basant sur les données historiques et selon plusieurs approches statistiques (Lopez B., 2012 - Baran N., 2012).

Plusieurs facteurs peuvent expliquer les tendances d’évolution des concentrations en nitrate dans les eaux souterraines :

le contexte géologique qui impacte notamment l’hydrodynamique ;
le contexte climatique et plus particulièrement l’évolution temporelle de la recharge ;
le contexte agronomique qui impacte la pression azotée.

Au cours des 2 dernières décennies, les grandes tendances d’évolution en nitrate à l’échelle du bassin Seine-Normandie ont été fortement gouvernées par la pluie efficace. Depuis les années 1985-90, l’évolution des pluies efficaces et des concentrations en nitrate sont clairement corrélées. Ainsi l’augmentation importante des teneurs en nitrate entre 1995 et 2001-2002 correspond une période de croissance importante des pluies efficaces. Depuis 2001-2002, la baisse des teneurs en nitrates pourrait correspondre à une période où des années hydrologiques plus sèches se succèdent bien que la corrélation soit moins perceptible que pour les années précédentes.
Plus localement, à l’échelle de secteurs homogènes, même si la pluie efficace apparaît comme un facteur important, les changements de pratique culturale (pression azotée) peuvent également gouverner l’évolution de la qualité de l’eau souterraine.

Tendances d’évolution des concentrations en pesticides

Les solutions envisagées sur le bassin Seine-Normandie

Pour en savoir plus et bibliographie

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