Responsable du site de Ploemeur: Olivier Bour

Le site de Plœmeur (Morbihan) correspond à un aquifère exploité depuis 1991 en domaine cristallin fracturé, qui fournit ~ 1 million de m3 par an pour l’alimentation en eau potable d’une ville de 20000 habitants. La qualité chimique de l’eau extraite est très bonne, elle est notamment caractérisée par un faible taux de nitrates dans une région pourtant fortement touchée par les pollutions diffuses. Bien que les roches présentes soient constituées de granites et de micaschistes, roches classiquement considérées comme peu perméables, on observe des écoulements très rapides, localisés dans quelques zones fracturées. Les problèmes essentiels concernent la vulnérabilité de l’aquifère vis à vis des transferts de polluants anthropiques, les risques éventuels de salinisation de cet aquifère côtier, et la définition des zones de recharge en lien avec la mise en place d’un périmètre de protection.

Ce site dispose d’une couverture piézométrique très dense avec une cinquantaine de forages de 30 à 150 m de profondeur. Ce dispositif permet de réaliser des suivis long terme – hydrologiques, hydrochimiques et géophysiques – et des expérimentations innovantes sur les propriétés hydrologiques des milieux hétérogènes. En collaboration avec la Régie municipale « Eau et Assainissement » de la Ville de Plœmeur, le site est suivi par une équipe de l'OSUR et de l'UMR Géosciences Rennes pour :

  • Etudier la réactivité chimique du milieu et en particulier l’évolution de la qualité chimique des eaux en lien avec l’exploitation
  • Analyser la vulnérabilité de l’aquifère face aux variations climatiques et aux changements d’occupation des sols
  • Développer des méthodes d’imagerie des flux souterrains et de mesure des vitesses d’écoulement dans des milieux fortement hétérogènes
  • Tester des nouvelles méthodes de caractérisation du milieu (en forage ou en surface)
  • Développer les méthodes de suivi des déformations du sol en relation avec les variations de niveaux de nappes
  • Mesurer la distribution des temps de résidence et estimer les distributions des temps de transferts.
  • Acquérir les données nécessaires pour tester et valider les méthodes de modélisation hydrogéologiques adaptées aux milieux fracturés.

 

1. Objectifs scientifiques

Le site de Ploemeur est un aquifère cristallin relativement atypique qui est très perméable et bien rechargé malgré la nature cristalline des terrains. La perméabilité du site est assurée par un réseau de fractures et de filons dans lesquels l’écoulement est très fortement localisé. Le pompage permanent du site pour l’alimentation en eau potable assure des vitesses de circulations très rapides dans ces zones de circulation préférentielles.

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

  • Tester des nouvelles méthodes de caractérisation du milieu (en forage ou en surface) appropriées à l’imagerie du sous-sol dans les milieux très hétérogènes.

  • Développer les méthodes de suivi des déformations du sol en relation avec les variations de niveaux de nappes

  • Acquérir les données nécessaires pour tester et valider les méthodes de modélisation hydrogéologiques adaptées aux milieux fracturés.

  • Développer des méthodes d’imagerie des flux souterrains et de mesure des vitesses d’écoulement dans des milieux fortement hétérogènes

  • Etudier la réactivité chimique du milieu et en particulier l’évolution de la qualité chimique des eaux en lien avec l’exploitation

  • Mesurer la distribution des temps de résidence et estimer les distributions des temps de transferts.

  • Analyser la vulnérabilité de l’aquifère face aux variations climatiques et aux changements d’occupation des sols

Figure 1: Illustration schématique des différentes techniques de mesures de perméabilité selon l’échelle de mesure [Le Borgne et al., 2006b] : a) single borehole flowmeter test; b) Cross-borehole flowmeter test, c) pompage d’essai

 

2. Les suivis effectués et principales expérimentations menées sur site

Dans ce cadre, plusieurs suivis et expérimentations sont menées sur le site de Ploemeur 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 : le niveau des nappes est suivi depuis 2003 sur plus d’une trentaine de piézomètres au pas de temps de 10 minutes pour les piézomètres éloignés et au pas de temps de 30secondes pour les piézomètres les plus proches. Ce dispositif est complété par une station météorologique ainsi que par la mesure des débits horaires du petit cours d’eau qui traverse le site de pompage.

  • Le suivi hydrochimique du site : l’ensemble des piézomètres est échantillonné deux fois par an, au moment des basses eaux et après la recharge. Les majeurs sont analysés ainsi que certains éléments traces et terre rares. Des analyses isotopiques sont également disponibles pour les isotopes de l’azote, du souffre, du strontium et du radon. Les temps de résidence font également l’objet d’un suivi dans l’aquifère grâce à la mesure des CFC et du SF6.    

  • Le suivi de la déformation du sol : ce suivi est assuré depuis 2003 à l’aide de 2 GPS monofréquence. Ce dispositif a été amélioré en 2006, lorsque 2 inclinomètres longue base (34 mètres et 9 mètres de long respectivement) ont été installés dans une ancienne galerie souterraine (ANR Hydro-Géodésie). Depuis, un GPS bifréquence a également été mis en place (ORE RENAG) ainsi qu’un sismomètre (projet RESONANS).

  • Suivi lié à l’exploitation : la régie eau et assainissement assure depuis 1991 un suivi piézométrique quasi-journalier sur certains piézomètres ainsi qu’un suivi des débits de pompage. Un suivi de la qualité de l’eau (quelques majeurs, bactériologie, insecticides etc...) est également régulièrement effectué.

Figure 2: Distribution spatiale de la déformation mesurée par nivellement (données S. Durand et coll., ESGT-CNAM). En bas à gauche est représenté l’amplitude maximum du signal hydrologique en mètres.

 

3. Collaborations et chercheurs impliqués

Le site de Ploemeur est une infrastructure capable d’accueillir différents projets nationaux et internationaux sur des thématiques très diverses. Au total, ce sont plus d’une cinquantaine 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. Au-delà de l’ORE H+, le site de Ploemeur a été impliqué dans plusieurs projets européens (SALTRANS, ALIANCE) des projets nationaux (ANR Hydrogéodésie, ANR Mohini), des groupements de recherche, et des projets régionaux PRIR DATEAU. Les principales collaborations se font avec les Universités de Montpellier 2, du Maine (USA), de Birmingham (UK), l’Université de Nantes, de Paris VI, la division technique de l’INSU (Brest), l’IUEM, l’UBO, l’IPG Paris, l’IPG Strasbourg, l’IRSN, l’USGS (USA), le SHOM et le BRGM.

 

4. Valorisation des données acquises

La caractérisation géologique, géophysique (en surface et en forage) et hydrogéologique du site sont des données de base utile à l’ensemble des équipes travaillant sur le site. Ces données incluent des mesures sur carotte, de la géophysique de surface, des diagraphies de puits, et des mesures d’écoulement locaux à différentes échelles. Certains sous-sites qui bénéficient d’une caractérisation détaillée, notamment en géophysique de puits, sont utilisés comme référence pour les tests ou l’imagerie hydrogéophysique. Un forage carotté a déjà été utilisé pour effectuer de nombreuses mesures des propriétés physiques des roches ainsi que pour étudier la composition chimique et la réactivité des roches. Il est prévu de réaliser prochainement un jeu de données complémentaire sur le nouveau forage carotté SC39. Ces données devraient être prochainement complétées par les travaux géophysiques de surface menés par une équipe de Paris VI. L’intégration de ces données dans la base de données devrait être effective dans l’année qui vient.

Les niveaux piézométriques sont disponibles depuis 1991 pour les données acquises par la Mairie et depuis 2003 pour les données automatisées. L’ensemble de ces données est disponible sur la base de données jusqu’à fin 2006. L’objectif est de compléter la base avec les années 2007 et 2008 dès le printemps 2009. Ces données sont utilisés pour contraindre et caractériser la réponse hydromécanique du milieu en fonction du signal hydrologique (thèse G. Biessy, Géosciences Rennes, suivi inclinométrique F. Boudin Montpellier). Il est prévu également d’utiliser ces données pour caractériser la recharge et étudier la vulnérabilité du site face aux changements climatiques et à la pression anthropique. Les tests de pompages à différentes échelles spatiales et temporelles sont également disponibles. Le suivi hydrologique du site à un pas de temps très fin (30 secondes et 10 minutes selon les capteurs) associé l’exploitation du site permet aussi d’avoir une base de données d’essais de pompage assez exhaustive sur plusieurs puits d’exploitation.

Un grand nombre de données sur la composition chimique des eaux (depuis 1991) ainsi que sur les temps de résidence est également disponible pour le site de Ploemeur. Outre la caractérisation des sources, ces données doivent aider à mieux contraindre les temps de résidence dans les milieux fortement hétérogènes. Pour mieux contraindre les processus aux différentes échelles de temps, voire d’espace, des mesures sont réalisées sur site mais aussi en laboratoire. L’ensemble de ces données est disponible dans la base de données. Un des intérêts principaux de ces données est de pouvoir étudier le couplage entre l’hydrochimie du site et les circulations hydrogéologiques, notamment pour étudier la réactivité et la vulnérabilité du site.

Les données GPS depuis 2003 et inclinométriques depuis 2006 sont en cours d’intégration dans la base de données. Une partie de ces données est également intégrée dans l’ORE Renag. Elles sont utilisées principalement dans le cadre du projet ANR-Hydrogéodésie, et constitue un jeu de données particulièrement intéressant.

 

5. Programmation à court et moyen termes

Propriétés de transport : Une des données cruciales qu’il reste à acquérir sur le site de Ploemeur sont des tests de traçages à différentes échelles. 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. Ces données seront très complémentaires aux mesures de vitesses d’écoulement (sonde PIVEF, mesure in situ des vitesses d’écoulement) et à celles des temps de résidence (datation des eaux). 

Réactivité du milieu : une des caractéristiques du site de Ploemeur est la réactivité du milieu qui se traduit par une évolution de la composition chimique des eaux depuis le début de l’exploitation du site. Pour comprendre ces processus, il est prévu de développer la mesure in-situ de la réactivité à l’aide de nouveaux capteurs et de réaliser des essais de traçages réactifs entre forage, en particulier pour étudier les conditions cinétiques de dénitrification. 

Datation des eaux et temps de résidence : de nombreuses données sont déjà disponibles sur le site de Ploemeur. Toutefois, de nouveaux développements analytiques basés sur la mesure in-situ de gaz nobles devraient permettre d’améliorer prochainement la mesure des temps récents pour dater les eaux d’âge inférieur à 20 ans.

Suivi géophysique : le dispositif géophysique a été complété par un nouvel inclinomètre disposé courant 2009 afin d’améliorer le suivi des déformations sur l’ensemble du site. Par ailleurs, dans le cadre du projet Mohini, nous prévoyons également d’installer un observatoire électrique par l’équipe de Montpellier. Outre le suivi de la qualité des eaux, cet observatoire devrait à terme permettre de mesurer les flux dans le sous-sol. Il est envisagé de compléter ce dispositif de suivi électrique par un réseau de surface qui permette une imagerie 3D des flux dans le milieu.

Mesures des flux et tomographie hydraulique : il est prévu également de poursuivre les efforts de caractérisation et de modélisation des flux à différentes échelles. D’une part, les site de Ploemeur servira de site référence pour mesurer les vitesses d’écoulement en 3D dans les forages, en particulier à l’aide de la nouvelles sonde PIVEF qui vient d’être testée avec succès sur le site de Beaulieu. D’autre part, les données acquises sur le site seront utilisées pour tester et développer des méthodes d’inversion tomographique qui permette une imagerie 3D des propriétés du milieu et des structures d’écoulements préférentielles.

Inversion hydrogéophysique : De nouvelles méthodes d’inversion couplée des mesures hydrogéologiques (ex : pression, traçage…) et des mesures géophysiques (ex : sismique, radar, électrique..) ont été développées ces dernières années et ont été testées avec succès principalement pour l’imagerie des aquifères sédimentaires superficiels. L’application de ces méthodes pour l’imagerie des milieux fracturés pose des problèmes conceptuels liés au caractère extrêmement chenalisé des écoulements. Le site de Ploemeur sera utilisé pour tester et développer des méthodes de caractérisation hydrogéophysique pour l’imagerie des milieux fracturés. Le site est particulièrement bien adapté pour cela car il comprend des sous-sites très bien caractérisés du point de vue géologique, géophysique et hydrogéologique. De nouvelles expériences hydrogéophysiques y seront menées pour compléter les données existantes.

Couplage mesure-modélisation : parallèlement à l’acquisition de ces données, un effort de modélisation devrait être entrepris dans les différentes actions menées. Cela devrait conduire à mieux identifier certaines données manquantes, à la fois pour contraindre les processus, ou pour modéliser le site.