Mélange des eaux de la nappe phréatique et de la rivièr

Lambs, Luc

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Mélange des eaux de la nappe phréatique et de la rivièreLuc LambsRiparian woodlands depend on local hydrological resources and have to adapt to rapid changes in waterlevels and soil moisture conditions. This leads us to use stable oxygen isotope (18O) and conductivity to tracethe distribution and the origin of water. The two main water sources are the river water, coming fromupstream rainfall, and the ground water, generally reflecting the mean local rainfall, which can be mixed inthe river channel gravel bar. In case of rivers confluence, this model is more complicated due to the presenceof a third source of water. Several cases will be presented, from a study realised in the South-West of Francedownstream of Toulouse and at the confluence of the Garonne and the Ariège rivers.Les rivières ne sont pas seulement le point terminal del’écoulement des eaux de nappes et le début des systèmesd’eau de surface, mais elles sont aussi les composantesmajeures pour l’écologie des forêts riveraines [1]. Dans cessystèmes dynamiques, les arbres sont la mémoire desévénements du passé. Le développement et la modificationdes forêts riveraines reflètent souvent l’évolution desévènements hydrologiques [2]. La plaine alluviale est en faitun point complexe d’interaction entre le système de la rivièreet celui de la nappe phréatique [3]. Cette zone de mélangeentre l’eau de rivière et l’eau de nappe est appelée la zonehyporhéique et est située dans les sédiments autour duchenal de la rivière [4]. Cette zone peut être définie commeles parties saturées interstitielles sous le lit de la rivière etdans les bancs de la rivière, et où une proportion d’eau denappe s’est infiltrée.Les isotopes stables, comme 18O ou 2H, sont des outils quipermettent de connaître et suivre l’origine de l’eau : letraçage naturel intrinsèque. Les deux sources principalesd’eau, l’eau de rivière et l’eau de nappe, ont souvent dessignatures isotopiques différentes. L’eau de rivière provientdes précipitations recueillies plus en amont sur le bassin, etsont donc plus appauvries en isotope lourd, en raison del’effet continental et de l’altitude. L’eau de nappe provientdes précipitations locales dont les fluctuations saisonnières,dues notamment aux variations de températures, sontmoyennées par l’étendue et la lente vitesse d’écoulement decette eau. Ces deux sources d’eaux se mélangent dans lazone hyporhéique et au-delà. Pour donner une idée de larépartition horizontale, on peut citer deux cas extrêmes.Pendant les basses eaux de la rivière, l’eau de nappe peutarriver quasiment pure jusque dans le lit mineur de la rivière,alors que pendant les grandes crues, la rivière peut aller loinà l’intérieur des terres et se mélanger à l’eau de nappe locale.Cette zone de mélange est en continuel changement etdépend principalement du niveau de la rivière, de lagéométrie et de la composition granulométrie des berges.Ces eaux de la partie saturée vont ensuite migrer dans lapartie insaturée des alluvions et de là être accessibles auxracines des arbres. Cette migration de l’eau engendrée parl’évaporation du sol et de l’évapotranspiration de lavégétation, produit un gradient isotopique vertical. Comme iln’y a pas de fractionnement isotopique lors du passage del’eau du sol dans les racines [5], on peut connaître l’horizonracinaire actif.Mélange des eaux en milieualluvial – gradient horizontalLa vallée de la Garonne autour de Toulouse est la partie laplus sèche avec des précipitations annuelles moyennesallant de 600 à 700 mm, alors que l’évapotranspiration peutatteindre 850 à 900 mm. Le piémont des Pyrénées, ainsi queles montagnes elles-mêmes, sont beaucoup plus arrosés etl’eau d’altitude qui en provient est principalement véhiculéepar la Garonne. La valeur isotopique moyenne, δ18O, de laGaronne se situe autour - 9, soit beaucoup plus appauvrie enisotope lourd que la nappe phréatique ayant une valeurmoyenne de - 6,6 (voir figures 1 et 2). Cette différence deplus de deux unités est suffisante pour discriminer tout aulong de l’année l’origine de ces deux eaux. Au niveau desvariations, la Garonne, pendant les fontes de neige, peutprésenter des valeurs encore plus négatives (jusqu’à - 9,6)alors qu’au contraire, durant les fortes précipitations de plusbasses altitudes, cette valeur peut remonter jusqu’à - 8,2. Lavaleur de l’eau de nappe est plus stable au cours de la saison(- 6,63 +/- 0,25), vu l’effet tampon obtenu (i) par la largeur dela plaine sur la variabilité spatiale des pluies locales, et (ii) parla lenteur de l’écoulement qui permet de faire diminuer lesvariations saisonnières. En hiver, les valeurs isotopiques dela pluie sont plus négatives ; et ces valeurs sont moinsnégatives en été, ou moins fractionnées vu les températuresplus élevées. Notez qu’effectivement les valeurs isotopiquesde la pluie et de la nappe se chevauchent, mais on peut alorsles différencier par la conductivité.Absorption par les plantes – gradient verticalL’eau de rivière et de nappe se mélangent donc le long desberges dans cette zone hyporhéique dont la largeur peutvarier de quelques dizaines de centimètres à plusieurscentaines de mètres. Cette zone peut aussi exister sous larivière s’il y a suffisamment de gravier, on parle alors desous-écoulement. Ce qu’il faut retenir, c’est que cette zonede mélange est dynamique et le pourcentage des deux eauxprélevées dans un piézomètre dépend de beaucoup deparamètres hydrologiques. Cette eau de la zone saturée,dont le niveau fluctue régulièrement, va humidifier la zonenon saturée du sol. La perte en eau du niveau de la surfacedue à l’évaporation, et un peu plus en profondeur parl’évapotranspiration des plantes, génère un gradientisotopique vertical. La figure 3 schématise une série dedispositifs expérimentaux qui permet de mesurer l’origine del’eau (piézomètre) au pied d’un arbre en milieu alluvial, ainsique l’activité de ses racines. Les tensiomètres permettent deprélever de l’eau du sol dans la partie non saturée etmontrent le fractionnement isotopique vertical. A partir decarottes de bois d’aubier prélevées dans les racines et dansle tronc, on peut extraire la sève et connaître l’eau qui ycircule. Sur la racine profonde, la valeur isotopique de - 8,8est effectivement proche de l’eau de la nappe à - 9,0 ; maisà cette période, ce sont les racines de surfaces (- 8,0) quialimentent l’arbre vu la concordance avec la sève du troncà - 8,0.Cas particulier des confluencesPour le calcul du mélange des eaux à partir des valeursisotopiques, le cas de deux sources d’eau est l’idéal.Nous avons vu que l’eau de pluie engendre l’eau denappe et que des petites variations locales peuventexister. De même, nous avons voulu connaître lesvariations de la nappe le long de la Garonne surplusieurs dizaines de kilomètres et là aussi, il y a peu dedifférence. Si l’on compare la nappe entre la rive gauche(terrasse plus haute) et la rive droite (terrasse plusbasse), la différence des moyennes sur plusieurs moisest également faible (- 6,9 et - 6,6 respectivement). Parcontre, dans le cas de confluence entre rivières, unetroisième origine d’eau est possible. La figure 4 reporteles valeurs isotopiques (18O ou 2H) obtenues en fin d’été2001 pendant les basses eaux de la Garonne. Lesprélèvements ont été réalisés en amont de Toulouse àla confluence entre la Garonne et l’Ariège (village dePinsaguel), à Toulouse même et en aval de Toulouse(village de Verdun).Les caractéristiques isotopiques de l’Ariège et de laGaronne sont assez proches (- 9 et - 8,7respectivement), vu leurs origines montagnardes. Onpeut noter la faible différence entre l’eau de la Garonneprélevé à Pinsaguel (- 8,7) et à Verdun (- 8,5). Parcontre, l’eau prélevée à l’entrée de Toulouse sur la rivedroite reste proche des valeurs de l’Ariège (- 9), les eauxpouvant mettre plusieurs kilomètres pour bien semélanger.D’un autre côté, les caractéristiques des eaux de nappede Pinsaguel sont proches de celles de Verdun, ce quimontre l’homogénéité moyenne des eaux de pluie pource secteur (environ 70 km de long). Les points notéséchantillons (en vert sur la figure 4) correspondent auxprélèvements effectués au point de confluence de laGaronne et de l’Ariège, respectivement à la pointe de laconfluence en surface (1), idem en profondeur (2) etcôté Garonne (3). Si le point 1 correspond assez bien àl’équilibre entre l’Ariège et la Garonne, le point 2 enprofondeur montre une plus forte proportion en eau deFigure 1 - Valeurs isotopiques 18O des eaux autour de Toulouse (enfond blanc : eau de nappe).Figure 2 - Origine de l’eau en milieu alluvial pour la végétation riveraine.Valeurs typiques pour 18O et la conductivité en aval de Toulouse, le long de la Garonne.Figure 3 - Équipements autour de l’arbre étudié.Étude de l’absorption de l’eau de la nappe alluviale jusqu’à la sève d’après l’oxygène 18.la Garonne. Quant au point 3, il a été prélevé proche d’unesortie de nappe. La Save est un affluent mineur alimenté parles coteaux du Gers avec une valeur isotopique intermédiaireentre la Garonne et la nappe phréatique.ConclusionL’étude du mélange des eaux entre la nappe phréatique etl’eau de rivière nous permet de mieux comprendre le devenirde l’eau dans les berges alluviales. Ces corridors sont desespèces uniques pour la diversité de la végétation et pourl’influence de cette végétation sur la qualité des eaux.Dans le cas de mélange de seulement deux eauxd’origines différentes, le calcul du mélange est assez aisé.Pour les zones de confluence, où deux types de rivièrespeuvent se mélanger, les prélèvements doivent êtreeffectués lorsque les différences isotopiques sont les plusfortes.Références[1] Woessner W.W., Ground Water, 2000, 38, p. 423.[2] Tabacchi E., Lambs L., Guilloy H., Planty-Tabacchi A.M., Muller E.,Decamps H., Hydrological Processes, 2000, 14, p. 2959.[3] Lambs L., Chemical Geology, 2000, 164, p. 161.[4] White D.S., J. N. Am. Bentol. Soc., 1993, 12, p. 61.[5] Ehleringer J.R., Dawson T.E., Plant Cell Env., 1992, 15, p. 1073.Figure 4 - Relation entre les valeurs δ18O et δ2H le long de la Garonne.Les deux ellipses correspondent aux deux affluents de la confluence, les échantillons demélange sont en vert.Luc Lambsest chercheur CNRS au Laboratoiredynamique de la biodiversité deToulouse*.* Fédération de Recherche en Écologie(FR2576), Laboratoire dynamique de labiodiversité, 29 rue Marvig, 31055 Toulouse Cedex 04.Tél. : 05 62 26 99 82. Fax : 05 62 26 99 99.E-mail : lambs@ecolog.cnrs.fr

Mélange des eaux de la nappe phréatique et de la rivière

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