Synthèse non technique

Introduction

En vue de contribuer à la protection des masses d’eaux souterraines, le projet EPU karst s’est focalisé sur la présence de nitrates dans les aquifères karstiques. Ces aquifères présentent un réseau de fissure ouvertes, élargies par la dissolution du calcaire, et constituent de ce fait une roche-réservoir importante, d’où provient la plus grande partie de l’eau potable produite en Wallonie.

Cette étude expérimentale financée par la SPGE été coordonnée par l’asbl CWEPSS, la sprl Sanifox et l’ISSeP. Son déroulement s’est appuyé sur l’aide indispensable d’équipes de spéléologues pour réaliser les prélèvements d’eau, ainsi que sur les compétences de l’Université de Liège et de Traqua (spin-off de l’Université de Namur) pour des investigations spécifiques et l’interprétation des résultats.

Cinq systèmes karstiques de Wallonie qui bénéficiaient d’une bonne caractérisation préalable grâce à des études hydrogéologiques, ont fait l’objet de prélèvements d’eau tant en surface que sous terre (Figure 82). Ces 5 bassins calcaires présentaient tous des réseaux de grottes pénétrables par l’homme et parcourus par une rivière souterraine. Cette caractéristique morphologique a permis de disposer de points d’accès à l’eau souterraine où des prélèvements ont été réalisés en vue d’analyses utiles pour déterminer les flux de nitrates transitant par l’aquifère karstique.

Figure 82 : Bloc-diagramme d’un massif karstique reprenant les différents points où analyser les eaux.

L’intérêt et les enseignements les plus pertinents de l’étude tiennent à la comparaison des concentrations en nitrates dans les différents « compartiments » du karst :

• Dans les pertes en amont des systèmes (alimentation concentrée vers le karst et circulation rapide – Figure 82, C).
• Aux résurgences, sorte de « synthèse » de toutes les eaux qui transitent par le milieu souterrain avant de réapparaitre en surface (E).
• « Entre les deux » : à l’intérieur des grottes, en étudiant tout à la fois les rivières souterraines (S1 & S2) et les eaux de percolation provenant de la zone non saturée (alimentation diffuse), au plafond des galeries ( Pe) et dans les gours (bassins formés par le concrétionnement - G).
• Dans la rivière réceptrice (Pi) des eaux issues du karst, pour comparer la dynamique entre eaux de surface et eaux souterraines en matière de nitrates.

Analyses réalisées

Dans les cinq systèmes étudiés, les concentrations en nitrates ainsi que d’autres paramètres physico-chimiques ont été relevés sur chacun de ces points, tous les deux mois sur une période de trois ans. Sur base de ce vaste jeu de données (plus de 1000 échantillons, sur lesquels dix paramètres ont été suivis- tels quels pH, EC, T°, Redox, O₂ dissous, [NO₃], [NO₂] et [NH₄]) la volonté principale était de mieux comprendre la fluctuation des concentrations en nitrates dans chaque système, tant d’amont vers l’aval qu’au cours du temps et en fonction de chaque diffèrent contexte.

Les mesures ont également été comparées entre les systèmes karstiques, dans l’optique de déterminer si des critères géologiques, hydrologiques, climatiques, morphologiques, ou anthropiques (occupation du sol) propres à un site pouvaient être à l’origine de différences et/ou de convergences entre eux. Vu la multitude des critères qui influencent la concentration des nitrates, cette comparaison a ses limites. De plus, le karst répond en règle générale assez mal à la modélisation, car les caractéristiques individuelles de chaque système ont une incidence majeure sur la dynamique locale. Au-delà des comparaisons et des tendances générales qui se marquent sur l’ensemble des sites, chaque bassin étudié a apporté son lot d’informations intéressantes quant aux pics et variations des nitrates dans un aquifère calcaire.

Certains sites ont pu faire l’objet d’investigations complémentaires (analyses isotopiques, bactériologiques, mesures des nitrates en continu, screening des percolations), qui ont permis de conforter certains résultats et de mieux appréhender les dynamiques qui régissent la concentration des nitrates au sein du karst.

Hypothèses de départ et résultats

L’hypothèse de départ était que les écoulements très rapides entre pertes et résurgences au sein du karst devaient représenter l’apport principal en nitrates dans les eaux souterraines. Nos analyses et observations ont donné une lecture bien différente des flux et de la contribution de chaque compartiment du karst aux concentrations en nitrates retrouvées à l’exutoire sur les cinq bassins :

• Les concentrations en nitrates qu’on observe aux pertes sont généralement faibles et inférieures à celles des résurgences. Elles présentent une assez forte variabilité au cours du temps, mais qui ne répond à aucune saisonnalité sur la période de l’étude. Les mesures de débit réalisées aux entrées et à la sortie des systèmes, montrent que les pertes ne comptent en réalité que pour une part minoritaire dans l’alimentation de la résurgence. Ceci combiné à leur relativement faible concentration en nitrates, notre étude démontre que la masse de nitrates atteignant les eaux souterraines via les pertes est donc plutôt modeste. Contrairement à l’hypothèse de départ, les pertes et chantoirs ne sont donc PAS la porte d’entrée principale des nitrates vers les aquifères karstiques.
• Les concentrations en nitrates les plus élevées sont à trouver dans la percolation (le goutte à goutte qui tombe du plafond de la cavité et y forme les stalactites). Cette eau, provenant de la zone non saturée du karst, dépasse souvent largement les 50 mg/litre, limite de potabilité réglementaire. L’amplitude de la variabilité des concentrations en nitrates est particulièrement élevée dans ces percolations ; elle suit une dynamique saisonnière, avec une baisse des concentrations en périodes de hautes eaux et une augmentation en basse eaux lorsque la recharge diminue. Le flux de nitrates total transitant par la zone non saturée constitue l’apport principal depuis la surface vers l’aquifère karstique et l’exutoire du système.
• Les analyses réalisées directement sur les rivières souterraines montrent que la qualité de l’eau est identique entre leur amont et leur aval. Sur les 5 systèmes étudiés, aucune transformation ne s’opère sur le parcours des rivières souterraines et on retrouve des concentrations identiques à la résurgence.
• Les résurgences présentent systématiquement des concentrations intermédiaires entre les pertes et les percolations, ce qui est logique vu que leur alimentation dépend directement de ces deux « compartiments ». Ces « sources » karstiques sont en outre connues pour être très réactives ; leur débit présente des amplitudes fortes (pouvant atteindre un facteur x100 entre l’étiage et les crues), alors que sur ces mêmes périodes extrêmes, les concentrations en nitrates vont assez peu varier. L’effet de dilution marqué auquel on pouvait s’attendre avec la hausse du débit, n’est pas prépondérant. Il existe bien un stock de nitrates accumulé dans le sol et dans le karst  ; celui-ci est mobilisable lorsque le niveau des eaux monte et compense en partie cette hausse du débit.
• Sur les cinq systèmes étudiés, l’eau sortant du karst est toujours supérieures aux concentrations de la rivière réceptrice. Cela signifie que, pour le cas des nitrates, la masse d’eau souterraine représente un facteur dégradant à la qualité de la masse d’eau de surface réceptrice.

Conclusion

Entre la surface et le « toit » des grottes, la zone non saturée en eau du karst semble fonctionner comme « réservoir » à nitrates. Notre étude met clairement en évidence l’importance de ce stockage diffus dans cette partie normalement inaccessible et « invisible » du karst, qui a pu être analysée grâce aux prélèvements en grottes. En ce qui concerne les nitrates (mais très probablement aussi les pesticides), la zone non saturée et la recharge diffuse qui y transite constituent la porte d’entrée principale pour ces contaminants vers la nappe et les eaux souterraines.

Cette étude expérimentale et novatrice a porté un éclairage nouveau sur le comportement des différents compartiments du karst que sont les pertes, la zone non saturée et les rivières souterraines, et leurs contributions respectives aux concentrations (et bilan de masse) en nitrates observées aux exutoires. Il s’agit là d’investigations originales et d’observations inédites pour le karst en Wallonie, qui peuvent être utilement appliquées à la protection de la ressource en eau.

Le prochain défi sera d’adapter cette approche à la problématique du nitrate sur des prises d’eaux à risque, en collaboration avec les sociétés de captage. Vu les enjeux croissants d’approvisionnement en eau potable induits tant par les changements climatiques que par des problèmes qualitatifs, toute mesure contribuant à la préservation de cette ressource vitale, en garantissant sa pérennité qualitative et quantitative, est à privilégier.