Soutenance mémoire
Les problèmes d’alimentation en eau potable en Haute-Normandie sont essentiellement liés à la turbidité des eaux exploitées. L’essentiel de la ressource en eau provient de la nappe de la Craie, qui représente une réserve considérable de par la nature même de l’aquifère : une importante porosité, dépassant parfois 30%, fait de la Craie un aquifère très capacitif. Par ailleurs, la fracturation, dont la densité peut être forte, permet de compter sur des captages très productifs. Néanmoins, la nature karstique de cet aquifère, un fait acquis depuis seulement une vingtaine d’années, et sa connexion bien établie localement par l’intermédiaire des bétoires (pertes) constitue une problématique complexe, tant sur le plan scientifique que social (aménagement des bassins versants hydrographiques, rejets domestiques, cultures et élévage, crises sanitaires…). Il n’est pas rare, en effet, de voir la distribution d’eau coupée pendant plusieurs jours dans le Pays de Caux suite à des périodes de fortes précipitations.
La turbidité est le plus souvent essentiellement liée à l’engouffrement des eaux de surface transportant les produits de l’érosion des bassins dans l’aquifère via les bétoires. La circulation karstique est ensuite atteinte, et la rapidité de l’écoulement empêche l’aquifère de jouer son rôle épurateur, par filtration ou par décantation des particules responsables de la turbidité. Le risque sanitaire n’est bien évidemment pas lié à la seule ingestion des particules érodées à la surface des bassins versants, qui sont pour l’essentiel des grains de quartz de petite taille (de l’ordre de 20 µm) ou des débris phytoplanctoniques ou végétaux terrestres. Par contre, de nombreuses études ont montré que ces particules, véhiculées en suspension dans les eaux superficielles puis dans les eaux souterraines, se comportent comme des vecteurs de la contamination. Des entités aussi diverses que les polluants d’origine organique, les pesticides et autres engrais, les microorganismes d’origine diverse (bactéries fécales humaines ou animales) se trouvent en effet très souvent à l’état adsorbé à la surface des particules. Dans le cas des micro-organismes, le problème est même accentué, puisque l’état fixé engendre des modifications physiologiques des bactéries, qui développent rapidement des caractères de fixation spécifiques, pouvant aller jusqu’à des développements de biofilms. Dans tous les cas, la résistance de ces bactéries à tous les stress auxquelles elles peuvent être soumises est accrue de manière considérable, les bactéries organisées en biofilms étant même résistantes à la chloration des eaux en vue de leur distribution. Ces aspects microbiologiques sont donc primordiaux, et sont largement étudiés et développés dans le cadre de collaborations entre le Laboratoire de Géologie et les équipes de microbiologie de l’Université de Rouen.
Géologie
Du point de vue morphologique, la Haute-Normandie est constituée par une table de Craie recouverte d’argiles à silex correspondant au manteau d’altération de la Craie. Cette formation, aussi appelée altérite à silex, est elle-même recouverte par des limons quaternaires. Au Nord de la Seine, le Pays de Caux a une altitude maximale de 243 m. Il est relevé vers le Nord-Est, dominant la fosse du Pays de Bray. Au NordOuest, il est bordé par d’imposantes falaises littorales entaillées de valleuses. D’une manière générale, le modelé de plateaux est lié au sous-sol sédimentaire et à son évolution récente. Le climat normand est typiquement océanique. Les températures moyennes sont de l’ordre de 10 à 12 °C et les précipitations moyennes annuelles varient entre 600 et 1100 mm.
Lithologie et stratigraphie
Trois grands ensembles lithologiques peuvent être individualisés dans le Pays de Caux, et plus particulièrement dans l’axe de la vallée de la Seine : ce sont les formations superficielles, la Craie, et les alluvions de la Seine.
Formations superficielles
Elles sont caractérisées par la formation résiduelle à silex ou résidu à silex (RS) : cette formation très spécifique est bien développée sur les plateaux crayeux, et constitue une couche de recouvrement de la Craie très peu perméable. Elle correspond au manteau d’altération de la Craie, qui pénètrent localement le substrat crayeux pour donner des indentations caractéristiques (formes en doigts de gant). Ce caractère a une importance capitale du point de vue hydrologique et hydrogéologique. Il est aujourd’hui admis que la genèse des RS est liée à l’action des eaux de pluie à fort pouvoir dissolvant sur la Craie. Ces eaux, chargées en acide carbonique et oxygène atmosphérique dissolvent la Craie dont les constituants solubles sont entraînés dans les eaux de percolation. Les insolubles restent sur place en formant des dépôts résiduels. Sur cette altérite reposent des loess d’âge quaternaire.
Sur l’ensemble de la région, Laignel (1997) propose la coupe schématique suivante, de haut en bas :
❖ limons des plateaux, de 0 à 5 mètres, voire plus suivant la zone considérée. Ces loess quaternaires ne font pas partie des résidus à silex, mais les recouvrent ;
❖ RS limoneux à limono-argileux, de 0.5 à 2 mètres. Souvent pauvre en silex, ce faciès, aussi appelé « bief à silex », correspond en fait au passage entre les limons et le RS sous-jacent ;
❖ RS argileux à argilo-limoneux : c’est le faciès dominant, il s’agit du RS proprement dit ;
❖ liseré argileux brun foncé, noir ou gris-vert à silex. Il se trouve au contact de la Craie et son épaisseur est en général de l’ordre de 0.5 mètre, mais peut parfois atteindre 2 mètres.
Globalement, deux grands ensembles peuvent être distingués du point de vue lithologique : ce sont les RS de plateau et les RS de versant (biefs à silex). Ces derniers sont considérés comme issus du remaniement des RS de plateau par la dynamique périglaciaire entre – 800 000 et – 20 000 ans.
La Craie
La Craie crétacée est subdivisée en plusieurs parties, de bas en haut :
● Cénomanien moyen et supérieur : la Craie cénomanienne est assez bien litée, grise et localement glauconieuse. Des silex brun-noir en nodules ou en bancs lenticulaires (10 à 30 cm) apparaissent dans cette série. L’épaisseur de cette formation déterminée d’après les forages est de l’ordre de 30 à 35 m.
● Turonien : la Craie turonienne grisâtre est tendre et homogène à la base, pour devenir granuleuse au sommet avec quelques bancs indurés. Les silex ne sont présents quasiment que dans la partie supérieure. Ils deviennent brusquement très nombreux dans la partie sommitale extrême. Cette série a une épaisseur de l’ordre de 70 à 90 m.
● Sénonien : la Craie blanche à silex du Sénonien est tendre sauf à la base de la formation, marquée par la présence de bancs indurés. Les silex sont très fréquents. La puissance maximale varie de 120 à 160 m.
● Coniacien : c’est une Craie blanche grisâtre souvent indurée à la base où elle est finement granuleuse. Les silex y sont très fréquents et disposés en lits successifs. La puissance du Coniacien est très variable, de 20 m à plus de 60 m.
● Santonien : la Craie est blanche, assez tendre. Des lits de silex fréquemment présents soulignent le litage de cette formation. De même que pour le Coniacien, la puissance du Santonien est variable, de 30 m à plus de 60 m.
● Campanien : la Craie est blanche avec quelques silex turbiculés de teinte brun-noir ou gris-clair. L’épaisseur du Campanien est de 30 à 40 m.
A la base des formations crayeuses, l’Albien est constitué par des argiles grises de faciès Gault, et le Cénomanien inférieur est représenté par des sables calcaires glauconieux.
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Table des matières
INTRODUCTION
PARTIE 1. GEOLOGIE ET EAUX SOUTERRAINES EN HAUTE-NORMANDIE : GENERALITES SUR LE PAYS DE CAUX ET PRESENTATION DU SITE D’ETUDE
I GEOLOGIE
1 LITHOLOGIE ET STRATIGRAPHIE
1.1 FORMATIONS SUPERFICIELLES
1.2 LA CRAIE
1.3 LES ALLUVIONS DE LA SEINE
2 TECTONIQUE
II HYDROGEOLOGIE
1 NAPPE DE LA CRAIE
1.1 LA DOUBLE-POROSITE DE LA CRAIE
1.2 LE DRAINAGE KARSTIQUE
2 LES ALLUVIONS DE LA SEINE
2.1 ALLUVIONS SUPERIEURES ET CAILLOUTIS WEICHSELIEN
2.2 LES ALLUVIONS ET LA NAPPE DE LA CRAIE
2.3 RELATIONS AVEC LA SEINE
3 LES PROBLEMES LIES A LA TURBIDITE DES EAUX KARSTIQUES
3.1 DEFINITION ET ORIGINE DE LA TURBIDITE
3.2 APPROCHE MICROBIOLOGIQUE
III LE SYSTEME KARSTIQUE DE BEBEC-HANNETOT
1 INTRODUCTION
1.1 GENERALITES
1.2 PROBLEME DE L’AEP DE LA REGION DE SAINT-MAURICE-D’ETELAN
2 GEOLOGIE, GEOMORPHOLOGIE, HYDROGEOLOGIE
3 TECHNIQUES ANALYTIQUES
3.1 EQUIPEMENT DES SITES
3.2 ANALYSES EN LABORATOIRE
PARTIE 2. HYDROLOGIE DE SURFACE : LE BASSIN VERSANT SUPERFICIEL DU BEBEC
INTRODUCTION
I DONNEES GEOMORPHOLOGIQUES
1 CADRE GENERAL
2 PARAMETRES MORPHOMETRIQUES
2.1 BASSIN VERSANT GLOBAL
2.2 SOUS-BASSINS
II APPROCHE DU FONCTIONNEMENT HYDROLOGIQUE DU BASSIN VERSANT DU BEBEC
1 PRECIPITATIONS ET RUISSELLEMENT
1.1 PRECIPITATIONS
1.2 DEBITS
2 CARACTERISATION DU COMPORTEMENT HYDROLOGIQUE DU BASSIN PAR MODELE GLOBAL
2.1 THEORIE DES SYSTEMES HYDROLOGIQUES LINEAIRES
2.2 PRINCIPE
2.3 APPLICATION A LA CRUE DU 23 NOVEMBRE 2000
3 UTILISATION D’UN AUTOMATE CELLULAIRE POUR LA MODELISATION DU RUISSELLEMENT
4 APPLICATION AU BASSIN VERSANT DU BEBEC
4.1 PREVISION DU RUISSELLEMENT
4.2 HYDROGRAMME UNITAIRE
4.3 CONTRIBUTION DES SOUS-BASSINS
III PROPRIETES DE TRANSPORT DU BASSIN VERSANT DU BEBEC
1 RELATION DEBIT-TURBIDITE: ACQUISITION DE LA CHARGE PARTICULAIRE
1.1 TEMPETE DU 24 DECEMBRE 2000
1.2 CRUES DU MOIS D’AVRIL 2000
1.3 CRUE DU 23 NOVEMBRE 2000
2 IMPLICATIONS POUR LES MECANISMES DE TRANSPORT SUR LE BASSIN VERSANT
2.1 MECANISMES OBSERVES
2.2 BILAN D’EROSION
2.3 ENGOUFFREMENT DES EAUX TURBIDES A LA PERTE : RELATION AVEC L’AQUIFERE KARSTIQUE CRAYEUX
IV CONCLUSION
PARTIE 3. TRANSFERTS DANS L’AQUIFERE CRAYEUX KARSTIFIE
INTRODUCTION
I IDENTIFICATION DES RELATIONS ENTREE/SORTIE PAR TRAÇAGES
1 MODE OPERATOIRE ET CONDITIONS DE REALISATION
2 RESULTATS
2.1 ESSAIS DE TRAÇAGES « PARTICULAIRES »
2.2 TRAÇAGES PAR COLORATIONS
3 INTERPRETATIONS
3.1 RESTITUTION A LA SOURCE
3.2 RESTITUTION AU FORAGE
3.3 IMPLICATIONS POUR LA CARACTERISATION DU SYSTEME
II ANALYSE DES ENREGISTREMENTS EN CONTINU DES PARAMETRES PHYSICOCHIMIQUES
1 DONNEES HYDROLOGIQUES GENERALES SUR L’ANNEE 2000
2 METHODOLOGIE
2.1 PRINCIPE DE L’ANALYSE
2.2 LIMITATIONS
3 DESCRIPTION D’EPISODES PARTICULIERS
3.1 TEMPETE DU 24 DECEMBRE 1999
3.2 EPISODES D’AVRIL 2000
3.3 EPISODES DE NOVEMBRE 2000
III DES MATERIAUX INTRODUITS AUX MATERIAUX RESTITUES
1 EVOLUTION TEXTURALE
1.1 DECEMBRE 1999
1.2 AVRIL 2000
1.3 NOVEMBRE 2000
2 LES MATERIAUX PARTICULAIRES EN TANT QUE TRACEURS
2.1 DECEMBRE 1999
2.2 AVRIL 2000
2.3 NOVEMBRE 2000
3 GEOCHIMIE DU MATERIEL PARTICULAIRE
IV APPORTS DES DONNEES HYDROGEOCHIMIQUES
1 FACIES HYDROCHIMIQUES
1.1 DECEMBRE 1999
1.2 AVRIL 2000
1.3 NOVEMBRE 2000
2 TAUX DE MELANGE ET CONTRIBUTION DES DIFFERENTS RESERVOIRS
2.1 DECEMBRE 1999
2.2 AVRIL 2000
2.3 NOVEMBRE 2000
3 CONCLUSIONS
3.1 DECEMBRE 1999
3.2 NOVEMBRE 2000
V SYNTHESE
1 PROPRIETES DE TRANSPORT DU SYSTEME PERTE / FORAGE
2 ARGUMENTS MICROGRANULOMETRIQUES
3 BILAN MASSIQUE ANNUEL
4 CAS PARTICULIERS DES ESPECES CA ET HCO3
5 PERTINENCE DE LA CONDUCTIVITE COMME MARQUEUR DES EAUX DE SURFACE
6 DYNAMIQUE DU SYSTEME
6.1 OBSERVATIONS PONCTUELLES
6.2 COMPARAISON DISSOUS/PARTICULAIRE
VI CONCLUSION
PARTIE 4. TRANSFERTS DE PARTICULES EN MILIEU POREUX HOMOGENE SATURE EN EAU
INTRODUCTION
I ETAT DES CONNAISSANCES
II METHODOLOGIE ET MATERIEL UTILISE
1 CARACTERISTIQUES DU MILIEU
2 CARACTERISTIQUES DE LA SUSPENSION INJECTEE
3 MODE OPERATOIRE
III ETUDE DE LA CINETIQUE DE DEPOT DE PARTICULES DANS UN MILIEU POREUX
1 MODELE MATHEMATIQUE
2 RESULTATS EXPERIMENTAUX
2.1 INFLUENCE DE LA VITESSE D’ECOULEMENT
2.2 ROLE DE LA POROSITE CINEMATIQUE
2.3 CONCLUSION
IV COMPARAISON DES PARAMETRES DE TRANSPORT ENTRE PHASE DISSOUTE (FLUORESCEÏNE) ET PHASE SOLIDE EN SUSPENSION (PARTICULES)
CONCLUSION
