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    Expériences de traçages sur le site de Choutuppal
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    Un puits sur le site de Choutuppal
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    Maheshwaram
  • Foration et diagraphies de forages sur le de site de Maheshwaram
    Foration et diagraphies de forages sur le de site de Maheshwaram

 

 

Responsable du site en Inde : Jean-Christophe Maréchal

1. Objectifs scientifiques

Le site de Hyderabad est un aquifère cristallin situé au sein d’un profil d’altération typique d’un milieu tropical. Les fortes pressions anthropiques sur les ressources en eau souterraine induisent le besoin de développer des outils de gestion de la ressource.

Les principaux objectifs scientifiques des expériences ou suivis sont les suivants :

  • Caractériser les propriétés hydrodynamiques du profil d’altération et estimer le niveau de continuité/compartimentation hydraulique du milieu.
  • Acquérir les données nécessaires pour tester et valider les méthodes de modélisation hydrogéologiques adaptées aux milieux fracturés. Cela inclut la description de la géométrie de l’aquifère ainsi que la quantification des flux dans ce milieu naturel très perturbé
  • Caractériser les paramètres de transport et leurs relations avec les propriétés hydrodynamiques
  • Etudier la réactivité chimique du milieu et en particulier l’évolution de la qualité chimique des eaux en lien avec l’exploitation
  • Identifier l’origine spatiale et temporelle des sources de contaminants dans les eaux, notamment des contaminants d’origine géogénique.
  • Analyser la vulnérabilité de l’aquifère face aux variations climatiques et aux pratiques agricoles.

2. Les suivis effectués et principales expérimentations menées sur site

Dans ce cadre, plusieurs suivis et expérimentations sont menées sur les sites de Choutuppal et Maheshwaram afin de fournir des données pertinentes – y compris des chroniques ou expériences long terme – pour la caractérisation, la quantification et la modélisation des transferts d'eau et d’éléments de cet aquifère complexe et hétérogène. Les principaux suivis concernent :

    • Le suivi hydrologique et climatique du site : à Maheshwaram, le niveau des nappes est suivi depuis 2000 sur trois piézomètres au pas de temps de 15 minutes. Ce dispositif est complété par une station météorologique et par le suivi semestriel des niveaux d’eau dans environ 200 forages abandonnés. Un bilan hydrologique annuel est calculé. A Choutuppal, le niveau des nappes est suivi depuis 2010 sur 15 piézomètres au pas de temps de 15 minutes.

 

    • Le suivi hydrochimique du site : Un ensemble de piézomètres est échantillonné une à trois fois par an, au moment des basses eaux et après la recharge. Les majeurs sont dosés ainsi que certains éléments traces et les isotopes de la molécule d’eau. Plus ponctuellement, d’autres analyses isotopiques sont disponibles : les isotopes de l’azote des nitrates, du soufre et de l’oxygène des sulfates, du strontium et du plomb. Des dosages de CFC et du SF6 permettent d’étudier le temps de résidence des eaux souterraines. Le suivi notamment isotopique des eaux de pluies à la station météorologique permet de suivre la recharge. Une rizière a été équipée en 2008 de bougies poreuses pour prélèvements et analyses des eaux à différentes profondeurs lors de l’infiltration. Des analyses ont été effectuées sur les phases solides : roche de l’aquifère et fertilisants utilisés par les agriculteurs.

 

  • Suivi lié à l’exploitation : l’évolution des débits prélevés est effectuée sur base d’inventaires des forages et d’imagerie satellitaire.

3. Projets développés

Hydrodynamique de l’horizon fissuré-altéré

Une série de tests hydrauliques à différentes échelles ont permis de caractériser les propriétés hydrodynamiques de la zone fissurée-altérée de l’aquifère, et de proposer un modèle

hydrodynamique (Figure 1).

Figure 1: Modèle conceptuel des propriétés hydrodynamiques de la zone fissurée des aquifères de socle (Maréchal et al., 2004).

 

 

A partir des essais par pompage réalisés dans cet horizon fissuré interprétés avec des méthodes tenant compte du caractère fracturé de la formation - modèle double porosité, anisotropie verticale de perméabilité, fracture horizontale unique et modèle d’écoulements à dimension fractionnelle - deux réseaux de fissures conductives ont été mis en évidence. Le premier, PFN, est le réseau primaire de fissures qui n’affecte que la matrice à une échelle décimétrique. La perméabilité de ce réseau, et donc des blocs, est faible, Kbloc~10-8 m/s. Le second réseau, SFN, découpe les blocs à une échelle pluri-métrique. Le SFN est lui-même composé de deux réseaux de fissures conductrices, un réseau subhorizontal (HSFN) et un subvertical (VSFN), ce qui apparaît cohérent vis-à-vis des observations géologiques. La densité verticale du réseau de fissures horizontales varie de 0.15 à 0.24 m-1, pour des fissures longues de quelques dizaines de mètres tout au plus (10 à 30 mètres). Cette densité de fissures correspond à une épaisseur de blocs variant de 4 à 7 mètres. La forte dépendance de la perméabilité de l’horizon par rapport au degré de fissuration indique que la perméabilité des zones de fissures est plus ou moins identique sur l’ensemble du profil et voisine de KCFZ : 10-4 m/s (Dewandel et al., 2006). La perméabilité globale horizontale de la zone fissurée est estimée à Kr : 10-5 m/s. Le réseau de fissures sub-verticales permet d’assurer la connexion entre les fissures horizontales. Cependant, ce dernier est moins perméable que le réseau horizontal, Kz : 10-6 m/s, introduisant ainsi une anisotropie de perméabilité d’un facteur 10 environ ce qui n’est pas sans rappeler les observations de terrain. La perméabilité globale de l’horizon fissuré, c.-à-d. intégrant les deux réseaux de fissures, est de l’ordre de 10-5 m/s (Maréchal et al., 2004 ; Dewandel et al., 2006). La porosité efficace de l’horizon fissuré est généralement faible, de 10-3 à 10-2 (Maréchal et al., 2004, 2006 ; Dewandel et al., 2010) et est principalement assurée, à 90 %, par les blocs de faible perméabilité et les zones altérées constituant les épontes des fissures. Le réseau de fissures ne contribue qu’à environ 10% de la porosité efficace (Maréchal et al., 2004). Comme pour la perméabilité, la densité de fissures joue un rôle très important sur la valeur de la porosité efficace, sous-entendant que les zones à forte porosité efficace sont associées à une densification de la fissuration en raison d’une part de l’augmentation du nombre de fissures et, d’autre part, de l’augmentation de la densité des faciès altérés aux épontes des fissures.

Géométrie d’une altération polyphasée

L’utilisation conjointe d’un grand nombre de prospections géoélectriques couplées à des forages a permis de cartographier l’épaisseur du profil d’altération. Ces résultats montrent que le profil indien résulte d’une altération polyphasée. Si d’ordinaire une altération monophasée génère d’épais profils d’altération dans les roches de socle (> 100m), une altération polyphasée entrecoupée de phases d’érosion donne naissance à une géométrie substantiellement différente. Dans de telles conditions, les profils résultent de l’érosion partielle d’anciens profils puis de leur ré-altération. En Inde du Sud par exemple, le profil d’altération actuel est hérité d’un ancien profil daté au moins Jurassique-Crétacé qui a été érodé et ré-altéré plusieurs fois au cours de l’histoire géodynamique régionale: séparation Inde-Gondwana, passage au-dessus du point chaud de la Réunion et collision Inde-Asie. Durant chacun de ces épisodes tectoniques le profil fût incisé du fait d’une surrection du relief, et par contre, pût se redévelopper lors des périodes de calme tectonique. A l’heure actuelle, on suppose qu’il ne reste du profil Jurassique-Crétacé qu’une petite partie de la zone fissurée.

D’un point vu géométrique, le profil d’altération polyphasé est nettement moins épais et sa structure n’est plus décrite par de grandes surfaces planes et tabulaires mais par un profil subparallèle à la topographie actuelle (Figure 2). Le profil vient donc « napper » la surface actuelle. Par contre, les horizons altérés sont toujours subparallèles entre eux. Comparé au profil monophasé, les épaisseurs de saprolite sont anormalement importantes par rapport à celles de la zone fissurée (ratio ½ au lieu de 1/3). D’un point de vue hydrodynamique, la perméabilité et la densité des zones de fissures productives ne sont pas significativement différentes de celles que l’on peut observer sur les profils monophasés. La principale différence résulte surtout en termes de transmissivité, combinaison de la perméabilité des zones de fissures productives avec leur nombre, du fait d’importantes variations de l’épaisseur totale du profil.

 

Figure 2: Evolution probable du profil d’altération depuis le Jurassique-Crétacé à l’actuel en Inde du Sud (Dewandel et al., 2006).

 

Effets des hétérogénéités géologiques sur l’hydrogéologie

L’effet d’une hétérogénéité géologique de type « veine de quartz » a été étudié au moyen de profils géoélectriques et de tests hydrauliques réalisés de part et d’autre de l’hétérogénéité. D’un point de vue géométrique, le profil d’altération est significativement plus épais au niveau de l’hétérogénéité : d’un facteur 1.5 à 3 pour l’épaisseur du niveau de saprolite et d’un facteur 3 à 5 pour celle de la zone fissurée. A proximité du contact, le profil dans le granite est toujours caractérisé par des niveaux de saprolite et de zone fissurée subparallèles. Cependant, ils ne sont plus subparallèles à la surface contemporaine de l’altération mais subparallèles aux épontes de la discontinuité (Figure 3). En conséquence, la structure géométrique du profil est caractérisée par une forme en « U ». La veine de quartz est principalement caractérisée par des fissures subparallèles et sub-orthogonales à la direction du filon. Cette forme en « U » montrant un enracinement local du profil d’altération résulte des mêmes processus d’altération que ceux observés sur les profils horizontaux et stratiformes. Ainsi, durant l’altération de la formation granitique encaissante le filon devient perméable et favorise un approfondissement local du profil, d’extension latérale pluri-décamétrique dans l’exemple traité. Cet épaississement est à l’origine d’une augmentation locale de la zone transmissive de l’aquifère. De plus, le filon est lui-même soumis aux effets de l’altération induisant pour l’essentiel des fissures à petite échelle et la production de matériaux altérés (quartz saccharoïdal par exemple). Les propriétés hydrodynamiques de l’horizon fissuré vertical jouxtant le filon sont très similaires de celles rencontrées dans la zone fissurée horizontale et stratiforme (Figure 3). La perméabilité est de l’ordre de 10-5 m/s, l’emmagasinement de 10-3. Le fonctionnement hydrodynamique est caractérisé par un comportement double porosité, Km : 10-7 m/s, où l’écoulement y est chenalisé (Figure 3). Cependant, contrairement à la zone fissurée horizontale caractérisée par une anisotropie de perméabilité horizontale (Kx/Kz=10 et Kx/Ky=1), la zone fissurée verticale se démarque par la dominance du réseau de fissures sub-verticales et subparallèles au filon (Ky>Kx ; Ky/Kx=2-3 ; Figure 3). La veine de quartz est typiquement caractérisée par un fonctionnement en double porosité (Figure 3), la perméabilité du réseau de fissures est l’ordre de 4-6x10-4 m/s, son emmagasinement de l’ordre de 3-5x10-4 et provient en grande partie des blocs peu perméables (Km : 2x10-9 m/s ). Cependant, au sein du filon ces propriétés hydrodynamiques sont très variables et dépendent en premier ordre du degré d’altération-fissuration de la roche : peu fissuré et peu perméable au cœur du filon quartz (K : 10-7 m/s), alors que fortement fissuré et perméable aux épontes (K : 5x10-6 m/s). L’aquifère au sein du filon est par ailleurs caractérisé par une anisotropie de perméabilité dans le plan vertical (Kx/Kz : 3) qui est interprétée comme la conséquence d’une diminution de la densité de fissure avec la profondeur. Comme pour la zone fissurée verticale du granite, l’aquifère du filon est caractérisé par un réseau de fissures sub-verticales dominant conduisant à une anisotropie dans le plan horizontal (Ky>Kx ; Ky/Kx : 3.0).

 

Figure 3: Modèle hydrodynamique conceptuel d’un aquifère de socle en présence d’une discontinuité géologique : exemple d’un filon de quartz au sein d’un granite, Inde (Dewandel et al., 2011a).

 

 

Géochimie des eaux souterraines

La composition des eaux souterraine montre une forte variabilité spatiale, notamment liée à l’impact des activités anthropiques. La qualité des eaux souterraines s’est dégradée avec la surexploitation de la ressource pour la production agricole, notamment le développement des rizières. Parmi les facteurs de dégradation, on peut noter l’augmentation des teneurs en fluor causant l’apparition récente de la fluorose dentaire, diagnostiquée chez 84 % des enfants examinés. L’origine géogénique du fluor a pu être mise évidence, mais l’activité anthropique en a largement favorisé l’accumulation dans les eaux souterraines (Pauwels et al. 2010). Les isotopes du plomb, qui a également une origine géogénique, ont permis une meilleure compréhension de ces processus d’interaction eau-roche, notamment en mettant en évidence un processus d’altération en 2 étapes : le rapport isotopique du Pb étant initialement contrôlé par l’altération des minéraux accessoires puis par les phases principales du granite (Negrel at al., 2010). Les activités agricoles, notamment les rizières favorisent la ré-infiltration d’une eau concentrée par evapo-transpiration contribuant ainsi à la salinisation des eaux souterraines et à l’accumulation d’éléments indésirables ou toxiques. Ce processus a été modélisé à partir d’un bilan hydrodynamique et de la connaissance de la composition des eaux souterraines et des apports en fertilisants. Le modèle explique l’évolution de la salinité depuis une dizaine d’années et permet une prospective selon différents scénarios d’évolution du bassin (Perrin et al., 2011). Ce processus a été étudié à travers les isotopes de la molécule d’eau. L’analyse des échantillons de pluies a permis de définir le signal isotopique des deux moussons ; celle du Sud-Ouest et celle du Nord-Est. Les eaux souterraines montrent des contributions variables de ces moussons et leur composition s’éloigne de la droite météorique, signant un impact de l’évaporation en fonction des activités anthropiques (Negrel et al., 2011).

4. Collaborations et chercheurs impliqués

Le site de Hyderabad est une infrastructure capable d’accueillir différents projets nationaux et internationaux sur des thématiques très diverses, liées notamment à la gestion des ressources en eau. Au total, ce sont plus d’une vingtaine de chercheurs, ingénieurs et techniciens qui sont intervenus ces dernières années sur site ou qui ont travaillé sur des données du site. A cela il faut ajouter une vingtaine d’étudiants en Master ou en thèse. Le site de Hyderabad a été impliqué dans plusieurs projets franco-indiens (CEFIPRA), européens (Programme Asia Pro Eco, SUSTWATER), des projets nationaux (ACI EAU, ANR Shiva, ANR Mohini), et des groupements de recherche. Les principales collaborations se font avec le National Geophysical Reserach Institute (NGRI, Inde), les Universités de Paris VI, l’Ecole des Mines de Paris, l’International Water Management Institute (IWMI, Inde), la Charles University de Prague, l’Université de Rennes, l’Université de Neuchâtel (Suisse). Une étroite collaboration est menée avec les organismes gouvernementaux en charge de la surveillance et gestion des eaux souterraines tant au niveau local (Andhra Pradesh Ground Water Department) que fédéral (Central Ground Water Board).

5. Valorisation des données acquises

Le suivi à Choutuppal est dédié à l’observation des fluctuations du niveau de la nappe aquifère en réponse à des sollicitations de basse fréquence (cycles annuels de mousson), de moyenne (essais hydrauliques) et de haute fréquence (marées terrestres, pompages des agriculteurs). L’interprétation de la réaction du système à ces sollicitations permet d’en déduire le fonctionnement hydrodynamique. La piézométrie sera suivie en continu au sein de quinze forages, voire plus. Afin d’appréhender l’impact des phénomènes à haute fréquence (marées, pompages), le pas de temps d’acquisition est de 15 minutes. Le traitement du signal opéré sur ces chroniques permettra d’identifier les différents processus en jeu. Les forages voisins des agriculteurs seront équipés de sondes thermiques au même pas de temps de façon à identifier les cycles de pompages.

A Maheshwaram, la piézométrie est mesurée deux fois par année (pré et post-mousson) dans une série d’environ 200 forages abandonnés, non perturbés par des pompes et l’enregistrement en continu des niveaux sur deux piézomètres sera maintenu. La station météorologique existante sera partiellement automatisée. L’exutoire du bassin versant sera équipé d’une sonde à niveau et conductivité électrique pendant les mois de mousson afin de quantifier les flux sortants. Le changement d’occupation du sol sera suivi par l’acquisition d’imagerie satellitaire haute résolution et l’impact en termes de prélèvements d’eau souterraine sera établi par la réalisation d’une campagne de mesures sur terrain.

Des cartes piézométriques pré- et post-mousson sont générées sous la forme de grilles SIG.

D’un point de vue géochimique, l’acquisition de données inclut la réalisation de diagraphies et de prélèvements d’eau à différentes profondeurs dans les forages non exploités par les agriculteurs. L’étude de l’évolution spatiale et temporelle est fondée sur un réseau d’une quarantaine de puits. Hormis, les paramètres physico-chimiques habituels (pH, Conductivité, O2 dissous, redox, température), les digraphies chimiques ont déjà porté sur des solutés tels que les nitrates et les fluorures. Les résultats ont été confirmés par les analyses réalisées en laboratoire sur échantillons d’eau. A l’avenir, d’autres outils pourront être testés. Les analyses effectuées sur échantillons d’eau souterraine comprennent à minima les majeurs, quelques traces et les isotopes de l’eau. En tant que de besoin, des analyses portent sur d’autres isotopes. Un pluviomètre permet de suivre le signal isotopique de la recharge de l’aquifère.

Le BRGM a reçu la certification ISO 9001 :2008 pour son système de management notamment dans le cadre de ses activités de recherche dans le domaine de l’eau. Les suivis piézométriques sont effectués par des techniciens habilités dans le cadre de ce système de management de la qualité. Toutes les analyses sont réalisées dans les laboratoires du BRGM (travaux réalisés sous assurance qualité et pour partie sous accréditation COFRAC selon le référentiel NF EN ISO/CEI 17025). Par ailleurs, le site d’Hyderabad est géré dans le cadre des projets MOHINI et CEFIRES bénéficiant chacun d’eux d’un Plan d’Assurance Qualité et d’une évaluation des risques.

6. Programmation à court et moyen termes

    • Propriétés hydrodynamiques : Les premiers essais de pompages réalisés sur le site de Choutuppal montrent l’existence d’une certaine hétérogénéité dans le fonctionnement hydrodynamique du site que l’on peut diviser en plusieurs compartiments. Il convient d’identifier les raisons de ces comportements contrastés en termes de compartimentation ou d’hétérogénéité des paramètres hydrodynamiques. A Maheshwaram, le réseau piézométrique très dense permet de visualiser la réponse de la nappe aquifère aux prélèvements des agriculteurs et à la recharge durant la mousson. Une analyse géostatistique des fluctuations piézométriques et une modélisation seront conduites de façon à caractériser la compartimentation du réservoir.

 

    • Propriétés de transport : La caractérisation hydrodynamique effectuée sur le site d’Hyderabad doit être complétée par une étude des propriétés de transport. Ces données sont utiles par elle-même afin de contraindre la gamme des temps de transferts, mais aussi pour définir les modèles de transport appropriés et tester les modèles conceptuels adéquats. La disposition des forages de Choutuppal a été conçue de façon à réaliser des essais de traçage entre forages dans des directions et à des profondeurs différentes. L’interprétation conjointe des essais hydrauliques et de traçage permettra d’identifier les impacts de l’anisotropie, double porosité et effets d’échelle sur le transport de solutés.

 

    • Suivi géochimique : Les processus d’interaction eau-roche, le temps de résidence des eaux dans l’aquifère et les activités anthropiques conditionnent la composition chimique des eaux. Les analyses chimiques et isotopiques réalisées montrent une très forte hétérogénéité spatiale et temporelle. Le site de Choutuppal permet d’aborder les processus physiques et biogéochimiques qui contrôlent la composition des eaux et le transport de solutés à l’échelle de quelques mètres et hors impact anthropique. Le site de Maheswharam permet, quant à lui, d’aborder l’impact de l’évaporation engendrée par certaines pratiques agricoles, ainsi que celui différents apports liés aux activités anthropiques, tout en considérant les perturbations induites sur les processus d’interaction eau-roche.

 

  • Suivi hydrologique : le suivi des niveaux d’eau pré- et post-mousson, en lien avec le suivi géochimique, permettra de continuer à suivre l’impact de la mousson et des activités anthropiques sur les niveaux et la qualité de nappe. Ces derniers seront contraints par des cartes d’occupation du territoire.