Sources et devenir du nitrate dans l'eau souterraine. Étude de l'aquifère des craies du Bassin de Mons

Les travaux décrits dans cette thèse de doctorat concernent la contamination par le nitrate de l’eau souterraine de l’aquifère des craies du Bassin de Mons. Alors que cette masse d’eau fournit chaque année environ 50 millions de m³ d’eau potable destinés à la consommation locale et à l’approvisionnement des régions adjacentes, les concentrations élevées en nitrate affectent la qualité de l’eau extraite et menacent la pérennité de plusieurs captages majeurs. Fortement influencée par l’occupation du sol, les activités humaines et le contexte hydrogéologique de l’aquifère, la distribution spatiale de la pollution par le nitrate dans cet aquifère est très hétérogène et les causes de ces disparités géographiques importantes sont relativement mal connues. L’atténuation et la remédiation de toutes les problématiques de pollution passant par une meilleure compréhension de leurs sources et de leur propagation, ce travail de recherche propose une approche globale de l’étude de la contamination par le nitrate dans cet aquifère crayeux stratégique.
Les approches scientifiques présentées dans ce document et l’interprétation de leurs résultats se basent notamment sur des campagnes d’échantillonnage régionales réalisées en 2020 et 2021. Celles-ci fournissent une vision d’ensemble de l’état de la contamination par le nitrate, à proximité des puits de production d’eau potable majeurs et dans les zones moins exploitées de l’aquifère. Les données acquises sont interprétées à travers les prismes d’analyses statistiques multicritères telles que les PCA et t-SNE. L’approche t-SNE, plus récente, a montré une grande efficacité dans le cadre de cette étude. Les ratios isotopiques δ11B, δ15N–NO3- et δ18O-NO3-, quantifiés au niveau de 72 sites de contrôle, permettent de mettre en cause différentes sources anthropiques de nitrate (engrais inorganiques, décomposition de matières organiques et fuites dans le réseau d’eaux usées) distribuées dans différentes zones de l’aquifère.
La propagation du nitrate dans l’aquifère est également étudiée par le développement d’un modèle numérique régional d’écoulement permanent et de transport de soluté. Cet outil de simulation, développé sur base du code de calcul récent MODLOW 6, emploie les résultats de simulations issues du modèle EPIC Grid pour spécifier la pollution azotée diffuse d’origine agricole comme données d’entrée du modèle hydrogéologique. Il simule également l’impact d’éventuelles fuites du réseau d’égouttage. Le modèle est calibré sur base de données relatives à la période 1970 – 2022. Il est employé pour comprendre et représenter les liens entre la contamination dans les zones d’alimentation de l’aquifère et les concentrations en nitrate mesurées au niveau des captages. En appliquant différents scénarios d’intrants futurs, intégrant des variations climatiques et pratiques agricoles différentes, il est également utilisé à des fins de prédictions de la concentration en nitrate au niveau des puits majeurs entre 2023 et 2050. Enfin, grâce aux hypothèses prises sur la contamination engendrée par les fuites d’eaux usées en zones urbanisées, le modèle quantifie quels seraient les captages les plus susceptibles de profiter de mesures de réfaction de ce réseau.
Étant donné la nette variation de la concentration en nitrate entre les zones libres et captives de l’aquifère, cette étude se focalise également sur l’impact des phénomènes de dénitrification et de dilution à cette interface. Une série d’investigations spécifiques, centrée sur le site de démergement dit du ‘Marais de Cuesmes’, situé au sud de Mons, est réalisée. Ces travaux permettent (1) de réunir un faisceau d’indices (présence de donneurs d’électrons potentiels, évolution des rapports de concentration chlore/argon/nitrate, enrichissement spécifique des ratios isotopiques) démontrant l’occurrence de phénomènes de dénitrification, (2) de développer la connaissance générale de l’écoulement à proximité des captages (diagraphies gamma-ray, micro-moulinet et datation de l’eau) et (3) d’illustrer l’impact de ces phénomènes sur les concentrations en nitrate mesurées dans les trois puits de démergement (échantillonnage diagraphique, modélisation numérique inverse). Un modèle de transport réactif local, intégrant explicitement des processus de dénitrification, est développé à l'aide du code de calcul PHAST, et permet notamment de tester les hypothèses relatives au rôle des processus de dilution et de réduction du nitrate.
Dans une optique de protection de la qualité d’une ressource vitale contre une pollution en nitrate diffuse et ubiquitaire, cette thèse fournit un apport de données conséquent permettant d’évaluer la distribution spatiale de la pollution, d’identifier les sources, de comprendre sa propagation, de simuler et prédire les concentrations futures grâce à un outil numérique de modélisation et différents scénarios prospectifs, et de comprendre et identifier les phénomènes naturels de dénitrification ayant lieu dans l’aquifère.