La Bretagne : un observatoire naturel

L'eau, les sols, les paysages, la biodiversité, les ressources du sol ou les systèmes agricoles : autant de thèmes qu'étudient, à Rennes, une centaine de chercheurs du CNRS, de l'INRA, des universités Rennes 1 et 2 et de l'ENSAR au CAREN. Premier centre fédératif de recherches en environnement , le CAREN créé en 2000, inaugurait ses nouveaux locaux le 14 mars dernier. Petit tour d'horizon...

L'intensification de l'agriculture est à l'origine d'une dégradation importante de la qualité des eaux. La teneur en nitrate des cours d'eau en Bretagne est actuellement de 45 mg/l. Elle a augmenté régulièrement d'environ 1 mg/l par an depuis 30 ans. Les efforts récemment consentis, encore très variables selon les secteurs, ont jusqu'à présent produits des effets très modérés, souvent en deçà des espérances des acteurs de terrain. Les chercheurs du CAREN contribuent à donner un éclairage scientifique à ce problème du temps de réponse de la qualité des eaux à des changements de pratiques agricoles ou d'aménagement de l'espace rural. Ils contribuent également à l'élaboration des solutions pour maîtriser la pollution nitrique.

L'intensification de l'agriculture est à l'origine d'une dégradation importante de la qualité des eaux. La teneur en nitrate des cours d'eau en Bretagne est actuellement de 45 mg/l. Elle a augmenté régulièrement d'environ 1 mg/l par an depuis 30 ans. Les efforts récemment consentis, encore très variables selon les secteurs, ont jusqu'à présent produits des effets très modérés, souvent en deçà des espérances des acteurs de terrain. Les chercheurs du CAREN contribuent à donner un éclairage scientifique à ce problème du temps de réponse de la qualité des eaux à des changements de pratiques agricoles ou d'aménagement de l'espace rural. Ils contribuent également à l'élaboration des solutions pour maîtriser la pollution nitrique.

L'eau de pluie arrivant au sol peut soit ruisseler en surface et rejoindre directement la rivière, soit s'infiltrer verticalement en profondeur dans le sol et les substrats géologiques. Se forme alors une nappe qui s'écoule latéralement vers la rivière. On définit le bassin versant d'une rivière comme la surface géographique qui collecte les eaux de pluie qui ruisselleront à la surface du sol ou à travers le sol vers cette rivière. En s'écoulant à la surface du sol ou dans le sol, l'eau entraîne avec elle des substances, comme les nitrates. Le temps nécessaire à une molécule de nitrate présente dans le sol pour atteindre la rivière est appelé temps de résidence du nitrate dans un bassin versant. La connaissance de ce temps est essentiel pour évaluer le délais entre les modifications des pratiques culturales et les changements de qualité d'eau dans la rivière. Dans les bassins versants sur socle géologique (granite, schiste, etc.) comme ceux de Bretagne, le cheminement par le sol et les substrats géologiques est prédominant: à l'échelle de l'année, seule une faible fraction de la pluie (généralement <10%) ruisselle directement jusqu'à la rivière. Comprendre les mécanismes qui gouvernent la circulation de l'eau, particulièrement dans la nappe, est donc essentiel pour évaluer le temps de résidence des nitrates dans ces bassins versants. Ces circulations dépendent fortement de la nature des terrains (sol, substrat). En général, la nappe est proche de la surface dans les bas de versants le long des rivières (elle affleure dans les zones humides). Elle se trouve à quelques mètres de profondeur en haut de versant.

Les chercheurs du CAREN ont mis en place des dispositifs d'observations de la nappe. Des piézomètres(1) ont ainsi été installés sur deux bassins versants de recherche. Les concentrations sont plus fortes en haut de versant que dans les dépressions. Elles sont souvent plus fortes à la surface des nappes qu'en profondeur. Elles peuvent atteindre jusqu'à 150 mg/l, alors que les concentrations dans la rivière varient entre 50 et 80 mg/l. Ces différences semblent liées à des phénomènes de dilution : en profondeur, par mélange avec des eaux venant de la nappe profonde ; en aval, par mélange avec une eau dénitrifiée issue des zones humides, la dénitrification étant un processus biologique naturel d'élimination des nitrates. En complément, des modèles sont utilisés pour estimer les temps de résidence de l'eau dans la nappe. Ces temps de résidence sont intimement liés aux caractéristiques du bassin versant. Ils sont très variables selon la position topographique, allant de moins d'un an dans les bas de versant, jusqu'à 5 à 10 ans, voire plus, pour les zones de plateau. Les variations de la composition chimique des eaux de nappe le long du versant expliquent les variations de concentrations que l'on observe dans la rivière au cours de l'année. Ces travaux contribuent par ailleurs à améliorer les stratégies de surveillance de la qualité des eaux, l'interprétation des variations de concentrations en nitrate des cours d'eau, en fonction des cycles climatiques saisonniers, en fonction des évolutions des apports azotés liés à l'agriculture.

Ces résultats ont suscité la mise en place d'un Observatoire de Recherche en Environnement, l'ORE AGRHYS(2) . Les temps de résidence de l'eau estimés par ces premiers travaux rendent nécessaires l'observation des évolutions des concentrations dans les nappes sur quelques décennies. Ces observations doivent également permettre d'affiner les modélisations. Il est de plus prévu de vérifier les estimations du temps de transfert de l'eau par des observations directes, grâce notamment à des substances mises au sol dont on suivra le parcours au sein de la nappe, grâce également à des substances qui sont présentes dans l'atmosphère depuis l'industrialisation (CFC, etc.) et que l'on retrouve dans les eaux, permettant ainsi de les dater.

Notes(s)

1. Piézomètres : tubes placés dans des forages permettant de suivre le niveau de la nappe et de faire des prélèvements d'eau.
2. AGRHYS pour temps de réponse dans les agro-hydrosystèmes.

Contact(s)

• Jérôme Molénat, Tél : 02 23 48 54 38, Mail : molenat@roazhon.inra.fr
• Philippe Mérot, Tél : 02 23 48 54 36, Mail : pmerot@roazhon.inra.fr

Les obligations bientôt faites aux agriculteurs de prêter une grande attention à la biodiversité, en respect des conventions internationales et européennes, invitent à se pencher dès maintenant sur les synergies existant entre la préservation des différentes ressources naturelles et à adopter non pas, comme souvent, des politiques sectorielles, mais des politiques de gestion territorialisées. L'eau et la biodiversité sont, avec les sols, des ressources naturelles essentielles. La biodiversité présente, par ailleurs, un caractère non renouvelable. Les relations entre la conservation de ces ressources, les synergies ou les antagonismes est une question de recherche peu développée. Si l'eau est source de vie, la vie est-elle source d'eau de qualité ? Les chercheurs du CAREN distinguent trois grandes catégories de relations entre qualité de l'eau et biodiversité dans les paysages agricoles bretons.

La qualité de l'eau des ruisseaux et rivières en relation avec la faune et la flore qui y vit.

La faune aquatique est la base alimentaire de nombreux poissons à forte valeur patrimoniale, les Salmonidae par exemple. Elle constitue, en outre, une source d'information permettant d'évaluer la qualité des hydrosystèmes. L'évolution de l'aménagement des territoires agricoles et celle des pratiques, comme l'augmentation de la taille des parcelles, la réduction de la ripisylve (zone boisée en bordure de rivière) bordant les rivières, les changements des espèces cultivées ou l'utilisation d'intrants chimiques (pesiticides, engrais chimiques, etc.) ont de nombreuses conséquences sur le fonctionnement des cours d'eau. L'une d'elle est l'augmentation des flux de nutriments circulants (nitrates par exemple) qui conduisent à une eutrophisation. Autre conséquence, l'augmentation des apports de particules fines qui rejoignent la rivière au moment des pluies. Elles génèrent un colmatage des sédiments et rendent difficile la survie des poissons au stade larvaire. La stabilisation des rives et la réduction des zones de divagation du chenal notamment, entraînent pour leur part, une simplification de l'hétérogénéité du fond de la rivière et de sa dynamique. Enfin, les zones tampons formées par les rives qui régulaient les flux de nutriments et de sédiments en provenance des cultures sont en réduction.

La biodiversité, service écologique de dépollution de l'eau

Tous les processus qui assurent l'épuration de l'eau : transformation de la matière organique, des pesticides, dénitrification sont dus à des organismes vivants, microorganismes et végétation. Même si l'on ne sait pas répondre à la question "combien faut-il d'espèces ?", on sait qu'une diminution importante est nuisible. Ce sont les plantes et les microorganismes associés qui évitent les pertes d'azote et autre nutriment. Ce sont les animaux qui permettent aux populations de plantes de se maintenir, par la pollinisation, la dispersion de graines.

Eau, biodiversité et aménagement des paysages : une relation ternaire

Les causes de la dégradation de la qualité de l'eau et celles de la disparition de nombreuses espèces dans les paysages agricoles sont similaires : excès de fertilisation, de pesticides, disparition de structures tampon (haies, zones humides, prairies permanentes). Même si les mécanismes sont différents à bien des égards, le principe général que ce soit pour l'eau ou la biodiversité est le même : les problèmes naissent de l'excès d'intrants et de la disparition presque totale de la végétation spontanée pérenne (éléments boisés du paysage). Cette relation plus indirecte concerne l'aménagement, l'utilisation et la gestion des paysages par les activités agricoles : est-ce que les pratiques favorables à la qualité de l'eau sont aussi favorables à la biodiversité et vice-versa ?

Contact(s)

• Jacques Baudry, Tél : 02 23 48 56 21, Mail : jbaudry@roazhon.inra.fr
• Françoise Burel, Tél : 02 23 23 61 45, francoise.burel@univ-rennes1.fr

L'érosion est l'une des conséquences les plus spectaculaires des écoulements d'eau qui se chiffre en milliards de tonnes de matière par an transportées sur la surface terrestre. A l'échelle des temps géologiques, ces flux énormes compensent les mouvements tectoniques et sont responsables de la formation du relief de la Terre. Ils transportent aussi leur cortège d'éléments chimiques et représentent, par exemple, une composante non négligeable du cycle du Carbone responsable de l'évolution du climat de la Terre. L'érosion a aussi un impact environnemental : la disparition des sols agricoles, le transport d'éléments toxiques ou les risques associés aux glissements de terrain ou aux coulées de boue, questions qui relèvent d'une compréhension de la physique de l'érosion.

La compréhension scientifique des mécanismes de l'érosion reste encore assez rudimentaire, sans doute parce que l'érosion cumule le désavantage d'une évolution lente - donc difficilement quantifiable - sous un forçage climatique rapide et extrêmement variable dans le temps et dans l'espace. On peut rajouter à ces difficultés la grande diversité de processus physiques et chimiques, du fluviatile à l'éolien en passant par le glaciaire, qu'il faut prendre en compte pour avoir une compréhension globale de ce phénomène. Depuis quelques années, on assiste à un regain d'intérêt de la communauté internationale pour les questions relatives à l'érosion et plus généralement à la géomorphologie , grâce aux développements conjoints des outils d'observation, notamment satellitaires, et des méthodes de modélisation.

Le CAREN a été l'un des premiers laboratoires français en Sciences de la Terre à s'intéresser à la modélisation quantitative de ces phénomènes d'érosion. Un code de calcul - EROS - a été développé, ainsi qu'un simulateur de pluie qui permet de reproduire en laboratoire la formation de reliefs naturels. Ces travaux de modélisation ont été appliqués à de nombreux systèmes géologiques : le Massif Armoricain et notamment son évolution récente pendant le quaternaire, la chaîne des Siwaliks dans les contreforts de l'Himalaya, le Massif Central, les Pyrénées, le Niger, etc. Plusieurs projets sont aussi en cours sur des aspects plus environnementaux : l'érosion des terres agricoles ou le transfert associé de pesticides. A titre d'exemple, l'étude récemment menée en collaboration avec l'université de Bourgogne à Dijon sur l'érosion des coteaux de Vosne-Romanée où sont cultivés les plus fameux grands crus de Bourgogne : l'objectif est de quantifier cette érosion et d'en déterminer les facteurs de contrôle pour pouvoir à terme proposer une meilleure gestion de l'espace et du travail de la terre.

Contact(s)

• Philippe Davy, directeur du CAREN, Tél : 02 23 23 65 65, Mail : philippe.davy@univ-rennes1.fr
• Alain Crave, Tél : 02 23 23 65 11, Mail : alain.crave@univ-rennes1.fr

La pression démographique et le développement de notre société impliquent une forte augmentation des besoins en eau potable. Cette augmentation s'évalue dans de nombreux départements français à un doublement de la capacité de production d'eau potable d'ici 15 à 20 ans, horizon extrêmement court. Les ressources facilement disponibles (nappes alluviales(1) , eaux de surface, bassins sédimentaires) sont déjà fortement exploitées, vulnérables pour la plupart et souvent soumises à de forts conflits d'usage. Celles qui peuvent supporter un tel développement sont donc principalement souterraines et dans des milieux géologiques encore peu exploités.

Parmi ces milieux, on trouve la plupart des socles cristallins qui constituent plus de la moitié du sous-sol proche en France et l'essentiel des aquifères en Afrique ou en Inde, là où les problèmes de ressources hydriques sont particulièrement aigus. Leur faible exploitation est intimement associée à la forte hétérogénéité de leur contenu en eau et des flux qui les traversent, hétérogénéité qui est souvent associée à la présence de fractures ou failles qui, malgré le faible volume qu'elles occupent dans l'aquifère, contrôlent l'essentiel des chemins de circulation.

D'un point de vue plus général, la question de l'hétérogénéité se pose dans tous les types d'aquifères - les formations sédimentaires sont aussi "fracturables" et les karsts jouent un rôle qualitativement identique à la fracturation - même ceux qui sont considérés comme homogènes. Pour ces derniers, si la connaissance des flux et des perméabilités(2) est en général bien résolue par les modélisations classiques, il n'en est pas de même pour le transport des solutés ou polluants dont la dispersion par le milieu peut être beaucoup plus forte que ne le prédisent les modèles standards. Cette forte dispersion pose des questions fondamentales sur les modèles théoriques utilisables ; elle a aussi des implications extrêmement importantes sur la manière de prendre en compte les couplages physico-chimiques qui sont en général très sensibles aux temps de résidence de l'eau dans les systèmes.

D'un point de vue pratique, la forte hétérogénéité des chemins de circulation de l'eau, des temps de transfert, et de la réactivité du milieu et la difficulté subséquente à les observer et quantifier, a des implications fortes sur la gestion et l'exploitation de ces ressources souterraines.

Ces questions, qui touchent à la gestion même de cette ressource vitale, sont posées directement à la communauté scientifique sans que celle-ci se soit réellement mobilisée pour y répondre. Pourtant la pression politique existe ; la directive 2060 de l'union européenne exige, d'ici 15 ans, une meilleure protection des masses d'eau souterraine et le retour à un équilibre entre renouvellement et prélèvement. Cette directive demande explicitement une définition des zones de recharge et de décharge, la connaissance d'éventuelles stratifications hydrologiques et de l'interaction avec les milieux de surface associés. Ces paramètres, qui peuvent paraître simples, sont actuellement difficiles à obtenir, voire impossibles à déterminer avec les outils dont on dispose, dans les milieux fracturés hétérogènes.

Pour faire progresser la connaissance scientifique sur ces questions, les chercheurs du CAREN agissent dans trois directions complémentaires :

• Revoir les modèles conceptuels : Cette recherche théorique fait partie des grandes questions scientifiques débattues dans la communauté internationale. Quelques équipes françaises en géologie et physique (dont le CAREN mais aussi Paris, Strasbourg, Toulouse, Poitiers) apportent une contribution significative à ce débat sur la prise en compte de l'hétérogénéité, sur les effets d'échelle, etc.
• Obtenir les mesures adéquates : Il n'y aura pas d'avancées significatives sans de réelles mesures sur la variabilité des temps de transfert et sur l'hétérogénéité des flux et du milieu. Les quelques expériences de laboratoire où cette question était directement abordée ont apporté des contraintes inestimables sur les modèles de variabilité. Il est maintenant nécessaire d'avoir des expériences en milieu naturel parfaitement documentées, sur des durées bien entendu compatibles avec la dynamique du système. Le site de Ploemeur (voir fiche "l'Observatoire de Recherche en Environnement H+") exploité depuis plus de 10 ans et suivi par les chercheurs du CAREN, montre que le système n'a pas encore atteint son équilibre, et qu'un monitoring scientifique sur une durée longue est absolument nécessaire pour contraindre la dynamique physico-chimique du système.
• Développer l'instrumentation in-situ : La compréhension que les chercheurs pourront tirer de ces systèmes et de leur variabilité dépend aussi de leur capacité à faire progresser la mesure vers une meilleure caractérisation de l'hétérogénéité du milieu et de la variabilité des flux. Ces développements méthodologiques qui touchent à la fois la géophysique de sub-surface, l'imagerie en puits, la mesure locale des vitesses d'eau et des concentrations chimiques, sont actuellement cruciaux car les outils existants ne sont pas suffisamment performants pour obtenir une mesure pertinente de la variabilité des flux et des propriétés du milieu.

Note(s)

1. Les nappes alluviales représentent 60% des ressources souterraines exploitées.
2. La perméabilité mesure le flux, c'est à dire la vitesse moyenne de l'eau multipliée par la proportion d'eau dans le milieu (porosité effective). La dispersivité est une mesure de l'ensemble de la distribution des vitesses dans le milieu. Pour la réduire à un seul paramètre, il faut que ces distributions soient "modélisables" par des fonctions simples. Le modèle gaussien, qui a servi de base à l'essentielle des théories hydrogéologiques - et qui est à la base de la notion même de dispersivité - est fortement remis en question car il ne permet pas de prédire la grande diversité des temps de résidence dans le milieu avec des court-circuits extrêmement rapides, et en même temps une proportion significative des solutés qui ont des temps de transfert extrêmement longs, en raison par exemple de phénomènes de diffusion dans la matrice rocheuse.

Contact(s)

• Olivier Bour, Tél. 02 23 23 65 10 olivier.bour@univ-rennes1.fr
• Jean-Raynald de Dreuzy, Tél. 02 23 23 60 89 jean-raynald.de-dreuzy@univ-rennes1.fr