Abstract :
[en] Water resources management is now recognized as a multidisciplinary task that has to be performed in an integrated way, within the natural boundaries of the hydrological basin or of the aquifers. Policy makers and water managers express a need to have tools able at this regional scale to help in the management of the water resources. Until now, few methodologies and tools were available to assess and model the fate of diffuse contaminants in groundwater at the regional scale.
In this context, the objective of this research was to develop a pragmatic tool to assess and to model groundwater flow and solute transport at the regional scale. A general methodology including the acquisition and the management of data and a new flexible numerical approach was developed. This numerical approach called Hybrid Finite Element Mixing Cell (HFEMC) was implemented in the SUFT3D simulator developed by the Hydrogeology Group of the University of Liège.
A first application of this methodology was performed on the Geer basin. The chalk aquifer of the Geer basin is an important resource of groundwater for the city of Liège and its suburbs. The quality of this groundwater resource is threatened by diffuse nitrate contamination mostly resulting from agricultural practices.
New field investigations were performed in the basin to better understand the spatial distribution of the nitrate contamination. Samples were taken for environmental tracers (tritium, CFC’s and SF6) analysis. The spatial distribution of environmental tracers concentrations is in concordance with the spatial distribution of nitrates. This allows proposing a coherent interpretative schema of the groundwater flow and solute transport at the regional scale.
These new data and the results of a statistical nitrate trend analysis were used to calibrate the groundwater model developed with the HFEMC approach. This groundwater flow and solute transport model was used to forecast the evolution of nitrate concentrations in groundwater under a realistic scenario of nitrate input for the period 2008-2058. According to the modelling results, upward nitrate trends observed in the basin will not be reversed for 2015 as prescribed by the EU Water Framework Directive.
The regional scale groundwater solute transport model was subsequently used to compute nitrate concentrations in groundwater under different scenarios of nitrate input to feed a socio-economic analysis performed by BRGM. These computed concentrations were used to assess the benefit, for the users, linked to the reduction of contamination resulting from the changes in nitrate input. These benefits were compared to the costs associated to the implementation of the considered agri-environmental schemes that allow reducing the nitrate input to groundwater.
[fr] La gestion des ressources en eaux souterraines est actuellement reconnue comme une tâche multidisciplinaire devant être réalisée, de manière intégrée, au sein des frontières naturelles des bassins hydrologiques ou des aquifères. Les politiciens et gestionnaires des ressources en eaux requièrent des outils capables, à cette échelle, d’aide à la gestion des ressources en eaux. A ce jour, peu de méthodologies et d’outils sont disponibles pour évaluer et modéliser le devenir de pollutions diffuses dans les eaux souterraines à l’échelle régionale.
Dans ce contexte, l’objectif de cette recherche est de développer un outil pragmatique pour évaluer et modéliser les écoulements et le transport de solutés dans les eaux souterraines à l’échelle régionale. Une approche générale a été développée qui inclut l’acquisition, le traitement de données et une nouvelle approche numérique flexible. Cette approche, appelée « Hybrid Finite Element Mixing Cell » (HFEMC), a été implémentée dans le code SUFT3D développé par le Groupe d’Hydrogéologie de l’Université de Liège.
Une première application de cette méthodologie a été réalisée pour le bassin du Geer (480 Km2). L’aquifère crayeux de ce bassin est une ressource importante en eaux souterraines pour la ville de Liège et ses faubourgs. La qualité de cette eau souterraine est menacée par une contamination diffuse en nitrate résultant principalement des pratiques agricoles.
De nouvelles investigations de terrain ont été réalisées dans le bassin afin de mieux comprendre la distribution spatiale de la pollution en nitrate. Des échantillons ont été prélevés pour analyse des concentrations en traceurs environnementaux (tritium, CFCs et SF6). La distribution spatiale des concentrations en traceurs environnementaux est en concordance avec la distribution spatiale des nitrates. Cela permet de proposer un schéma cohérent d’interprétation des écoulements d’eaux souterraines et de transport de solutés à l’échelle de l’aquifère.
Ces nouvelles données ainsi que les résultats d’une étude statistique des tendances des nitrates ont été utilisés pour calibrer le modèle eau souterraine développé à l’aide de l’approche HFEMC. Ce modèle d’écoulement des eaux souterraines et de transport de soluté a été employé pour prédire l’évolution, pour la période 2008-2058, des concentrations en nitrate dans les eaux souterraines pour un scénario réaliste d’apport de nitrate. Au regard des résultats de modélisation, les tendances à la hausse observées dans le bassin ne seront pas inversées pour 2015 comme requis par la Directive Cadre sur l’Eau de la Commission Européenne.
Le modèle de transport de soluté dans les eaux souterraines à l’échelle régionale a été utilisé pour calculer les concentrations en nitrate dans les eaux souterraines pour différents scénarios d’apport en nitrate afin d’alimenter une analyse socio-économique réalisée par le BRGM. Ces concentrations calculées ont été utilisées afin d’évaluer les bénéfices, pour les utilisateurs, liés à la réduction de la contamination résultant des changements dans l’input nitrate. Ces bénéfices ont été comparés aux coûts associés à l’implémentation des mesures agro-environnementales qui permettent de réduire l’input nitrate vers les eaux souterraines.
