Étude isotopique de la nappe alluviale du champ captant de l'île de Chambon (Allier) ... .*.. ..., -

*+Rapport final . * GMIRP-52536-FR Juillet 2003

Geosciences pour uneTerre durabli S.I.A.E.P. Charmeil, Saint Rémy en Rollat brgm et Vendat Étude isotopique de la nappe alluviale du champ captant de l'île de Chambon (Allier) Rapport final

BRGMIRP-52536-FR Juillet 2003

Étude réalisée dans le cadre des projets de Recherche du BRGM en collaboration avec le SlAEP de Charmeil, Saint Rémy en Rollat et Vendat

D. Widory, E. Petelet-Giraud, Ph. Négrel : BRGM Avec la collaboration de S. Grau : Bureau d'études Gaudriot

DDAF de l'Allier Q

S.I.A.E.P. ) ,Uorusnar pour unelene dunbie Chmeil, Saint Rémy en Rollat et Vendat Étude isotopique de la nappe de I'île Chambon (Allier)

Mots clés

Isotopes Bore, Isotopes Azote, Isotopes Strontium, Nappe alluviale, Champ captant, île du Chambon, Allier.

En bibliographie, ce rapport sera cité de la façon suivante :

Widory, D., Petelet-Giraud, E., Négrel, Ph. et Grau, S., 2003. Étude isotopique de la nappe alluviale du champ captant de I'île de Chambon (Allier) : mise en évidence des circulations et identification des sources de pollution. BRGMIRP-52536-FR, 61p., 36 fig., 10 tab.

O BRGM, 2003, ce document ne peut être reproduit en totalité ou en partie sans l'autorisation expresse du BRGM. Étude isotopique de la nappe de I'île Chambon (Allier)

Synthèse

ans le cadre d'une collaboration avec le SlAEP de Charmeil, St Rémy en Rollat D et Vendat, le BRGM a été chargé de réaliser une étude permettant d'identifier les sources de pollutions azotées responsables des fortes teneurs en nitrates des eaux du champ captant de I'lle du Chambon (Allier).

Les outils mis en œuvre (analyses chimiques et isotopiques - strontium, azote et bore) lors des deux campagnes de prélèvement en hautes et basses eaux, portant à la fois sur les eaux de la nappe et les sources potentielles de pollution, ont permis de mettre en évidence les points suivants :

Un contrainte des circulations d'eau au sein du champ captant grâce à la systématique des isotopes du Sr. Cette systématique permet de mettre en évidence deux circulations principales sur la zone d'étude. Une première correspondant à la nappe des coteaux qui s'écoule vers la nappe alluviale perpendiculairement à l'Allier. D'autre part, on note de façon claire une intrusion des eaux de l'Allier dans la nappe alluviale en amont de la zone d'étude via la boire plate, et au niveau des puits exploités en AEP. Une circulation dans la nappe alluviale par le biais de paléo-chenaux avec une trajectoire parallèle au fleuve n'est pas à exclure. Ces circulations semblent être constantes au cours du cycle hydrologique.

Les indices, aussi bien chimiques qu'isotopiques, mettent en évidence une dénitrification naturelle pour les points d'eau se situant au niveau de la Boire Plate alors qu'elle n'existe pas pour l'ensemble des autres points. Parmi l'ensemble des sources potentielles de pollution, seules deux semblent avoir une influence sur les eaux souterraines : les nitrates issus d'une source ayant une signature de type eaux usées, et dans une moindre mesure les engrais chimiques. Parmi les engrais les épandages d'ammonitrates semblent être le vecteur principal de pollution. II apparaît aussi que l'influence des autres types d'engrais sur la zone d'étude, ainsi que de l'épandage de fumier est minime. Comme pour les isotopes de l'azote, ceux du bore corroborent la prépondérance d'un apport issu de rejet d'eaux usées.

L'ensemble de la chimie et des systématiques isotopiques semble donc désigner les rejets d'eaux usées comme source principale de pollution sur I'lle du Chambon, ainsi qu'une contribution moindre mais non négligeable des engrais de type ammonitrates. Étude isotopique de la nappe de I'île Chambon (Allier)

Sommaire

Synthèse ...... 3 Sommaire ...... 5 Liste des figures ...... 7 Liste des tableaux ...... 8

Introduction ...... 9

1 Echantillonnages ...... 11

1.1 les sources de pollution ...... 11

1.2 Les prélèvements d'eau souterraine et d'eau de surface ...... 11

2 Contexte hydrogéologique...... 14

2.1 Contexte géologique ...... 14 . . . . 2.2 Piezometrie...... 16

3 Méthodes analytiques ...... 19

3.1 Prélèvement et conditionnement des échantillons ...... 19

. . 3.2 Analyses chimiques ...... 19

3.3 Analyses isotopiques ...... 20 3.3.1 Azote ...... 20 3.3.2 Bore ...... 21 3.3.3 Strontium ...... 21

4 Résultats ...... 23

4.1 Caractérisation des sources de pollution ...... 23 4.1.1 Caractérisation chimique ...... 23 4.1.2 Caractérisation isotopique ...... 23

4.2 Caractérisation des échantillons d'eau ...... 25 4.2.1 Caractérisation chimique ...... 25 4.2.2 Caractérisation isotopique ...... 30 Étude isotopique de la nappe de l'île Chambon (Allier)

5 Discussion ...... 32

5.1 Identification des circulations au sein du champ captant ...... 32

5.1.1 Identification des différents réservoirs de la zone d'étude ...... 32 5.1.2 Influence des apports polluants identifiés sur les signatures isotopiques en Sr ...... 34 5.1.3 Calculs de mélange ...... 36 5.1.3.1 Théorie des mélanges à deux composants (binaires) ...... 36 5.1.3.2 Théorie des mélanges à trois composants (ternaires) ...... 37 5.1.3.3 Calcul de mélange appliqué aux eaux souterraines de l'île du Chambon ...... 37 5.1.3.3.1 Application aux basses eaux ...... 37 5.1.3.3.2 Application aux hautes eaux ...... 41 5.1.4 Hypothèses sur l'origine de la signature des pôles "purs" identifiés ...... 45 5.1.4.1 Le pôle "Allier" ...... 45 5.1.4.2 Le pôle "nappe des coteaux" ...... 45 5.1.4.3 Le pôle "nappe alluviale" ...... 46 5.1.5 Schéma de synthèse des circulations au sein de l'île du Chambon ...... 46

5.2 Traçage chimique des sources de pollution ...... 48

5.3 Traçage isotopique des sources de pollution ...... 50

5.3.1 Les isotopes de l'azote ...... 50 5.3.2 Les isotopes du bore ...... 55

Conclusions & Perspectives ...... 58

Bibliographie ...... 60 Étude isotopique de la nappe de I'île Chambon (Allier)

Liste des figures

Figure 1. Carte de localisations des prélèvements...... 12 Figure 2 . Carte topographique de la zone d'étude (données issue du Modèle Numérique de Terrain. altitude en m)...... 13 Figure 3 . Carte géologique de la zone d'étude (extrait de la carte géologique de Vichy au 1/50000°. Dadet et al.. 1979)...... 15 Figure 4 : Isopièzes du champ captant en basses eaux ...... 16 Figure 5 : lsopièzes du champ captant en hautes eaux ...... 17 Figure 6 : Hypothèse pour expliquer la différence de niveau piézométrique entre Pz 13 et Pz 6 ...... 18 Figure 7 : Variation comparée des niveaux piézométriques des ouvrages du champ captant entre Pz 13 et l'Allier...... 18 Figure 8 . Gammes de variations isotopiques (Azote. Bore et Strontium) issues de la littérature des diverses sources de NO, ...... 24 Figure 9 : Exemple de diagramme de Piper ...... 26 Figure 10. Diagrammes de piper pour les 2 campagnes de prélèvement (basses eaux en haut. hautes eaux en bas) ...... 28 Figure 11. Variations des concentrations en NOs entre les basses et hautes eaux ..... 29 Figure 12 : 87~r/86~rvs . 1lSr des eaux du champ captant du I'île du Chambon en basses eaux ...... 32 Figure 13 : 87~r/86~rvs . 1/Sr des eaux du champ captant du I'île du Chambon en hautes eaux ...... 34 Figure 14 : : 87~r/86~rvs . 1lSr des eaux du champ captant du I'île du Chambon en hautes et basses eaux avec les pôles des sources potentielles de pullutions identifiées sur la zone d'étude...... 35 Figure 15 : Représentations graphiques d'un mélange binaire avec des isotopes du Sr36 Figure 16 : 87~r/86~rvs . 1lSr des eaux du champ captant du I'île du Chambon en basses eaux. avec les droites de mélange binaires entre chacun des pôles du mélange à trois composants...... 38 Figure 17 : Proportions de mélanges dans Pz 1. 2 et 3 en basses eaux ...... 39 Figure 18 : Proportions de mélanges dans Pz 4. 5 et 6 en basses eaux ...... 39 Figure 19 : Proportions de mélanges dans Pz 8 et 13 en basses eaux ...... 40 Figure 20 : Proportions de mélanges dans les Puits A et D en basses eaux ...... 40 Figure 21 : Proportions de mélanges dans les Puits B et C en basses eaux ...... 41 Figure 22 : 87~r/86~rvs . IlSr des eaux du champ captant du I'île du Chambon en hautes eaux.. avec. les droites de mélange binaires entre chacun des pôles du mélange a trois composants...... 41 Figure 23 : Proportions de mélanges dans Pz 1. 2 et 3 en hautes eaux ...... 43 Étude isotopique de la nappe de l'île Chambon (Allier)

Figure 24 : Proportions de mélanges dans Pz 4. 5 et 6 en hautes eaux ...... 43 Figure 25 : Proportions de mélanges dans Pz 11 et le puits de la porcherie en hautes eaux ...... 43 Figure 26 : Proportions de mélanges dans Pz 8 et 13 en hautes eaux ...... 44 Figure 27 : Proportions de mélanges dans les Puits A et D en hautes eaux ...... 44 Figure 28 : Proportions de mélanges dans les Puits B et C en hautes eaux ...... 45 Figure 29 : Carte synthétique des circulations d'eau au niveau du champ captant ...... 47 Figure 30 . Variations en NO3 et chlorures ...... 49 Figure 31 . Influence du mélange et de la dénitrification naturelle sur la composition isotopique de l'azote des nitrates...... 50 Figure 32 . Variations des 615~en fonction du logarithme de la concentration en N03.51 Figure 33 . Variations de 615~en fonction de l'inverse de la concentration en NO3..... 53 Figure 34 : Cycle de l'azote dans une station d'épuration ...... 54 Figure 35 . Modélisation du pôle initial de la STEP de st Rémy ...... 55 Figure 36 . Variations des concentrations en bore et 6"~...... 57

Liste des tableaux

Tableau 1 : Méthodes analytiques pour les éléments majeurs de la phase dissoute ... 20 Tableau 2 . caractéristiques chimiques des sources de pollution potentiellement présentes sur la zone d'étude ...... 23 Tableau 3 . Caractérisation isotopique des sources de pollution potentiellement présentes sur la zone d'étude...... 23 Tableau 4 . Caractéristiques chimiques des eaux en période de basses eaux. teneurs exprimées en mg.1. 1 . sauf B et Sr en pg.1. 1 ...... 25 Tableau 5 . Caractéristiques chimiques des eaux en période de hautes eaux . teneurs exprimées en mg.1. 1, sauf B et Sr en pg.1. 1 ...... 25 Tableau 6 . Caractéristiques isotopiques des eaux en période de basses eaux ...... 30 Tableau 7 . Caractéristiques isotopiques des eaux en période de hautes eaux ...... 31 Tableau 8 : Synthèse de I'estimation graphique des proportions de chacun des pôles au sein des ouvrages en basses eaux ...... 38 Tableau 9 : Synthèse de I'estimation graphique des proportions de chacun des pôles au sein des ouvrages en hautes eaux ...... 42 Tableau 10. Discrimination des échantillons suivant leurs concentrations en nitrates et chlorures ...... 48 Étude isotopique de la nappe de I'île Chambon (Allier)

Introduction

a nappe du champ captant de I'île de Chambon en bordure de l'Allier (Allier) est L contaminée par les nitrates et des concentrations avoisinant les 50 mg.1-' sont en général observées sur une grande partie de la nappe.

Des études antérieures ont permis d'identifier I'alimentation de la zone de captage qui s'effectue par de nombreux chenaux préférentiels:

- Un chenal principal en relation immédiate avec la « Boire Plate » (environ 1200 m en amont), qui draine l'ensemble de la plaine alluviale au sud du champ captant. - Des circulations provenant de l'Allier dans un secteur proche. - Des circulations plus lointaines par l'intermédiaire d'un chenal secondaire qui draine d'une part la base des terrasses anciennes de l'Allier et d'autre part les coteaux dans la zone du Maupas. - Par les pluies, qui s'infiltrent dans les formations alluvionnaires.

L'origine potentielle de la pollution par les nitrates est également multiple avec :

- Engrais apportés sur les cultures (maraîchage, céréales et oléagineux). - Prairie naturelle avec une faible charge bovine. - Eaux usées domestiques.

Cette pollution peut provenir à la fois de la plaine et des coteaux, et rejoint la nappe directement par des phénomènes de lessivage ou indirectement par des phénomènes de ruissellement alimentant les cours d'eau qui s'infiltrent dans la nappe.

Cette forte contamination de la nappe pose des problèmes pour l'alimentation en eau potable dans ce secteur. C'est pourquoi cette étude a été entreprise, elle est destinée à caractériser les différentes origines de cette pollution, et quantifier la part respective de ces sources de pollution. Les objectifs sont les suivants :

- Préciser l'apport des méthodes isotopiques (azote, bore et strontium) pour identifier et quantifier les différentes sources de pollution responsables de la contamination actuelle en nitrates de la nappe.

- Utiliser la systématique isotopique du strontium afin de contraindre l'hydrogéologie de la zone en connexion avec la rivière, régissant les apports à la nappe.

Le traçage des sources de nitrates sera basée principalement sur l'utilisation des différentes systématiques isotopiques. D'une part les isotopes de l'azote, en tant que molécule intrinsèque de la pollution en nitrates. Et d'autre part les isotopes du bore en tant que CO-migrateursdes nitrates dans les processus de pollution. Étude isotopique de la nappe de l'île Chambon (Allier)

Cette étude comporte 2 phases :

- Une première phase de caractérisation des différentes sources potentielles de nitrates par analyse de leur composition chimique et isotopique, de caractérisation géologique et hydrogéologique, et de définition de l'état initial en différents points d'eau du bassin,

- Une deuxième phase de suivi dans le temps de la composition chimique et isotopique des points d'eau sélectionnés par les travaux de la phase 1, afin d'observer les variations sur un cycle hydrologique et de préciser ainsi le poids et les contributions de chaque source à la dégradation du milieu récepteur. Étude isotopique de la nappe de l'île Chambon (Allier)

Échantillonnages

1.1 LES SOURCES DE POLLUTION

Les différentes sources de NOa présentes sur la zone d'étude, ou susceptibles de l'avoir contaminée ont été prélevées. Trois principaux types ont été considérés : Les engrais chimiques : urée, chlorures, ammonitrates. a Les amendements animaux : fumiers de bovins et fumiers de bovins biologiques. Les rejets de station d'épuration : stations d'épuration de S' Rémy en Rollat et de Vendat.

1.2 LES PRELEVEMENTS D'EAU SOUTERRAINE ET D'EAU DE SURFACE

Au total, 19 échantillons ont été prélevés lors de chaque campagne, ils se répartissent de la façon suivante (Figure 1) :

Les puits AEP : Puits 1, 2, 3 et 4. Les piézometres : PZ1 à 13. La rivière Allier : deux points de prélèvement, l'un en amont de la zone d'étude et l'autre en aval

La Figure 2 représente la topographie du champ captant entre Pz 9, 3, 1 et 4 et les puits 1, 2, 3 et 4.

BRG M/RP-52536-FR Étude isotopique de la nappe de I'île Chambon (Allier)

Figure 1. Carte de localisations des prélèvements. Étude isotopique de la nappe de i'île Chambon (Allier)

Figure 2. Carte topographique de la zone d'étude (données issue du Modèle Numérique de Terrain, altitude en m). Étude isotopique de la nappe de I'île Chambon (Allier)

2 Contexte hydrogéologique

2.1 CONTEXTE GEOLOGIQUE

La zone d'étude se situe dans la vallée de l'Allier au sein des formations alluviales (Dadet et al., 1979). Ces alluvions sont différenciées essentiellement suivant des critères altimétriques comme l'indique la Figure 3 (extrait de la carte géologique au 1/50000° de Vichy). Étude isotopique de la nappe de /'île Chambon (Allier)

:ormations anthropiques Remblaisdiverr 1 . Remblais en bulle :ormations alluviales

Vall&sde I'Allieretde la Simule : ybles. gravierS.galets (roches cristallines. métamorphQues,volcaniqug~.quar12) VaIl& du Sichon : sables. graviers. galets. blocaille (roches cristallines, lufovolfeniques. schines.quanrl Valldede la Baible: quanz.granite.gneiss.sçhistes Callecteurs secondaires : Argiles. sables. gravien. Localemem. marnes a calcaires altérés remanies

Valide de I'Alltst sables, graviers. galets(rahes vakaniquss. .- - - - - gramtes, quartz) - 1 -argiles et (localementl marnas altdrees remardes FxsA - suigrauiersetgaiets

Vallée de l'Allier : sables, graviers. gelel8 Iqusnz. granites altérés. silex. roches rokafliques) Darfas rdsidueis sur rubnrat marneux ! et 8-4 I 9* - :olluvioi complexes de formations superïicielles Colluvbns diverses : aqim. sables. grawem. QaIelsnon diffdmnci6s C .Colluvians des fonds de vallons

. . --~--.,--,,.-s.--, . Colluvions polv~6nigues-nt sur subgtniloligocBna. alimentées par las formations : > F. SFL,e gi%.?gi~ Formation oompleue des versants, matériaux argila-calcaires wbles, affectes par une intense salifluxian A \ 1 - Coner6tianA Algwset Phwane* (rdcif) rzI?2 - Solifluxion Formations sedimentaires - Oligocbne sup. Cq . Colluuionç alimenté& errentellemsnl Dat les formations olqac&nas gii -Calcaire$concrétionn& cslearénirer. marnes ~ 1 rgsifs. 2 pel@lsedificssr6cilaux. 3 -sables quamo-leldsparhiqueç. 4 -bancs locaiemsnt grésifiés - Marnes et calcaires beages, marnes et argiles vnnes B Cypris 1 .localement d petils ddifices r&fauxdis(iersés. 2 - bantSgr8seui. 3 - bancssableui g,~I- Sables. aigrles. marnes altern8es. g4n8ralernent vertes. en place au faiblement reman0.s 1 - essenriellement sableux. 2 - rdcil. a .colluuions alimentees par giw sur substral connu. b -sur substrat non connu w:, - Calcaires et calcaires oreseux B Limneer

Figure 3. Carte géologique de la zone d'étude (extrait de la carte g6ologique de Vichy au 1/50000", Dadet et al., 1979). Étude isotopique de la nappe de file Chambon (Allier)

Les cartes piézométriques établies à partir des relevés des niveaux d'eau mesurés lors des campagnes de prélèvement de hautes et basses eaux sont reportées en Figure 4 et Figure 5. Elles montrent toutes deux 2 écoulements préférentiels vers les bas topographiques. Un premier correspondant à la nappe des coteaux, et un second pseudo-parallèle à l'Allier, correspondant probablement à un paléo-chenal.

Figure 4 :Isopièzes du champ captant en basses eaux

Les 2 campagnes ne mettent pas en avant de modification significative du comportement hydraulique lors du cycle hydrologique. La période de hautes eaux se traduit simplement par une translation verticale positive du niveau de la nappe jusqu'à 1.30 m. Étude isotopique de la nappe de l'île Chambon (Allier)

Figure 5 :Isopièzes du champ captant en hautes eaux

II est tout de méme intéressant de noter que Pz 13 semble avoir un comportement « exotique » par rapport aux points de prélèvement alentours, se traduisant par un dénivelé positif significatif, de I'odre de 2 m, par rapport à ces derniers. Un nivellement de contrôle sur ce piézomètre a confirmé l'altitude de ce dernier, et valide donc le dénivelé observé lors des deux campagnes de mesures.

Une telle variation du niveau piézométrique liée à une variation topographique est peu envisageable à cette échelle. Une hypothèse, illustrée par Figure 6, peut être émise : Pz 13 traverse la couche argileuse qui semble constituer la base des alluvions : II rencontre la nappe du coteau captive sous les alluvions. Ce piézomètre mélange les deux nappes (coteaux + alluviale). Son niveau piézométrique s'équilibre alors à un niveau intermédiaire entre les deux niveaux statiques. ÇWZ i

PPZ

(la!llv) uoqufeey3 all.1 ap addeu el ap anb!dojos! apnj3 Étude isotopique de la nappe de file Chambon (Allier)

3 Méthodes analytiques

Les analyses chimiques et isotopiques ont été réalisées par le BRGM (Orléans) dans ses laboratoires' .

3.1 PRELEVEMENT ET CONDITIONNEMENT DES ECHANTILLONS

Les prélèvement ont été effectués dans les piézomètres après pompage afin de renouveler I'eau de ceux-ci. Les prélèvements dans les puits sont réalisés sans pompage supplémentaire par rapport au pompage existant. L'échantillonnage des rivières est effectué au fil de I'eau en évitant les zones d'eau stagnante.

Les eaux collectées sont filtrées à 0.45 Fm sur des filtres en Téflon (PVDF) et stockées dans des bouteilles en Polyéthylène (PE) préalablement rincées. Pour I'analyse des cations majeurs, 100 ml sont acidifiés à pH 2 avec de l'acide nitrique (HN03) suprapur. Pour I'analyse des anions majeurs, 100 ml sont stockés sans conservateur. Pour I'analyse des isotopes du strontium et des teneurs strontium (Sr), 250 ml sont acidifiés à pH 2 avec de 11HN03suprapur, les bouteilles ayant préalablement été lavées à l'acide nitrique (pH 2) . Pour I'analyse des isotopes du bore, 1litre est stocké après filtration sans ajout de conservateur. Pour I'analyse des isotopes de l'azote, 10 litres d'échantillon brute sont stockés sans conservateur.

En même temps que les prélèvements, les principaux paramètres physico-chimiques sont mesurés sur le terrain : pH, conductivité, potentiel redox, oxygène dissous et température.

3.2 ANALYSES CHIMIQUES

Les éléments majeurs de la phase dissoute sont analysés de la façon suivante (Tableau 1) :

1 Certifications des laboratoires du BRGM (utilisées dans cette étude) Le service Analyse et caractérisation minérale est accrédité par le Comité FRançais dlACcréditation (COFRAC) (No accréditation 1-0251) pour : L'analyse des eaux (programme 100) pour la détermination d'environ 70 paramètres minéraux et 8 familles de composés organiques dans les eaux propres et dans les eaux résiduaires urbaines et industrielles. Depuis mars 1994. Le Service Analyse et caractérisation minérale possède : a les agréments no 1, 2, 3, 4, 5, 9 et 10 du Ministère de I'Ecologie et du développement durable, pour I'analyse des eaux. tu de isotopique de la nappe de l'île Chambon (Allier)

Limite inférieure de Précision Elément Méthode analytique dosabilité analytique

n des aires des

Tableau 1 : Méthodes analytiques pour les éléments majeurs de la phase dissoute

Les teneurs en strontium (Sr) de la phase dissoute sont obtenues par ICP-MS. La limite de détection est de 0.02 pgll, I'erreur associée à la mesure est de 5%. Les teneurs en bore (B) sont elles aussi mesurées par lnductively Coupled Plasma Mass Spectrometer (ICP-MS) avec une limite de détection de 0.1 pgll, I'erreur associée à la mesure est de 10%.

3.3 ANALYSES ISOTOPIQUES

Contrairement aux propriétés chimiques liées au cortège électronique, les propriétés physiques d'un élément dépendent de son noyau. Les isotopes des éléments, possédant le même nombre de protons, mais un nombre variable de neutrons, auront des propriétés chimiques identiques, mais des propriétés physiques telles que la viscosité, la pression de vapeur ou encore la masse, différentes.

3.3.1 Azote

Lorsque les produits d'une réaction présentent des compositions isotopiques distinctes de celles des produits d'origine, on parle de fractionnement isotopique. Les écarts de composition isotopique étant souvent très faibles, on préfère utiliser la notation 6 qui exprime la différence relative (en %O) d'atomes de l'isotope léger entre l'échantillon et un standard international :

Pour l'azote le standard est l'air : 15~/'4~=3675.510" (Junk et Svec, 1958). Les compositions isotopiques en azote sont mesurées par spectrométrie de masse à source gazeuse. La méthode de préparation des échantillons est adaptée de celle de Kreitler (1975). Les substances azotées sont tout d'abord concentrées par évaporation, puis réduites par l'alliage de Devarda. L'ammoniac formé est piégé sous forme de Étude isotopique de la nappe de I'île Chambon (Allier)

chlorure d'ammonium (NH4CI) dans de l'acide chlorhydrique (HCI). Mis à réagir avec du LiOBr, il se forme de l'azote qui est piégé sur du charbon actif, avant d'être analysé. La précision sur les mesures est de 0.2 %.

3.3.2 Bore

Dans le cas du bore, la notation 6"B est utilisée (isotopes : "B et 'OB), le standard étant le standard NBS-951 ("~/'~~=4.04362; Cantanzaro et al., 1970) :

(3)r tan dard

Les compositions isotopiques du bore sont mesurées sur un spectromètre de masse à source solide (Finnigan MAT 261). L'échantillon est introduit dans le spectromètre de masse sous forme de borate de césium (&BO2). II est donc nécessaire de transformer chimiquement les échantillons en borate de césium. La méthode utilisée au BRGM est celle de Mossadik (1997). La valeur mesurée par le laboratoire du BRGM du standard NBS-951, pour la période d'analyse considérée est de 4.051214 I0.00234 (20; n=15). La précision sur les mesures est 0.6 %O.

3.3.3 Strontium

Le rapport isotopique du strontium ("~r/~~~r)d'un fluide est directement relié à celui du minéral ou des associations minéralogiques avec lequel le fluide a interagi. Les effets de fractionnement isotopique liés à la différence de masse ne sont pas détectables pour des éléments dont la masse est proche de 80. De plus, les effets de variations du rapport "srla6~rliés à la décroissance radioactive du nucléide père (87~b)en nucléide fils (87~r)ne sont pas significatifs, compte tenu de la courte échelle de temps à laquelle les processus sont étudiés en géochimie environnementale.

Lors des phénomènes d'interaction eau-roche, le rapport 87~r/8%rde la fraction de strontium libéré sera différent de la roche totale et typique du ou des minéraux altérés et ceci en liaison avec la "résistance" des minéraux vis-à-vis de l'agressivité du fluide. Globalement, le strontium solubilisé dans la roche et transporté vers l'extérieur du système formé par la roche est beaucoup moins radiogénique (c'est-à-dire de rapport 87~r/86~rplus bas) que le strontium dans la roche totale non altérée ; d'autre part, le strontium des argiles résiduelles est beaucoup plus radiogénique. Les variations isotopiques observées dans les fluides peuvent être issues du mélange de Sr de composition isotopique différente provenant de différentes sources. Ainsi, dans le cas simple où deux sources de rapport isotopique ou chimique sont présentes, la composition du mélange peut être déterminée.

Les variations du rapport isotopique du strontium dans un hydrosystème donnent ainsi des informations sur (1) l'origine et les proportions de mélange des différents composants fluides ainsi que sur (2) la nature et l'intensité des processus d'interaction eau-roche liés notamment à l'altération et à l'érosion. Étude isotopique de la nappe de l'île Chambon (Allier)

Les analyses isotopiques du Sr se font par spectrométrie de masse à source solide après séparation chimique sur résine. Le strontium est séparé du reste de la matrice de l'échantillon sur des résines échangeuses d'ions. Les blancs (c'est à dire le niveau de contamination) sont inférieurs à 0.5 ng pour la procédure chimique complète. Après séparation chimique, l'échantillon est déposé sur un mono filament de tungstène (W) et analysé sur un spectromètre de masse à multi-collection Finnigan MAT 262. Les rapports 87~r/86~rsont normalisés à un rapport 86~r/88~rde 0.1 194. La précision interne de chaque mesure du rapport 87~r/86~rest de k 8.10~(20). La reproductibilité des mesures des rapports 87 srla6sr est testée par l'analyse répétitive du standard international NBS 987 (valeur certifiée de 0.710240), la valeur obtenue durant cette étude est de 0.710223 k 25 x 106 (20, n = 35). Étude isotopique de la nappe de l'île Chambon (Allier)

Résultats

4.1 CARACTERISATION DES SOURCES DE POLLUTION

4.1.1 Caractérisation chimique

Caractéristiques chimiques des différentes sources potentielles de pollutions prélevées dans le champ captant ou à proximité (Tableau 2).

Ca Mg Na K CI NOa S04 B Sr

Engrais chimiques Urée 2 c0.5 c0.5 ~0.5 c 5 75 3 2 4 Chlorure 4 35 202 19500 19000 0.5 56 7 86 Ammonitrates 203 1 ~0.5 6 6 24300 735 1 2 Épandages Fumier 59 31 2 O 72 58 ~0.2 2 160 305 Fumier (2) 16 13 4 324 96 24 9 151 203 Fumier bio 14 10 35 414 172 5 20 168 153 Stations d'épuration et assainissement STEP Vendat 55 11 59 15 53 ~0.2 43 373 190 STEP St Remy 46 7 5 1 14 32 14 21 305 260 Ass. St Remy 84 23 19 5 27 0.2 26 36 430 Tableau 2. Caractéristiques chimiques des sources de pollution potentiellement présentes sur la zone d'étude.

4.1.2 Caractérisation isotopique

Caractéristiques isotopiques (N, B et Sr sous forme d15N, dllB et 87~r/86~r)des différentes sources potentielles de pollutions prélevées dans le champ captant ou à proximité (Tableau

%O vs atm. %O vs NBS951 Engrais chimiques Urée -1 2.7 0.7091 1 Chlorure 0.71 157 Ammonitrates 0.3 0.70791 Épandages Fumier -1.9 0.70978 Fumier (2) 14.9 11.6 0.70890 Fumier bio 19.2 0.71035 Stations d'épuration et assainissement STEP Vendat -1.9 0.71090

Tableau 3. Caractérisation isotopique des sources de pollution potentiellement présentes sur la zone d'étude. Étude isotopique de la nappe de l'île Chambon (Allier)

Les gammes de compositions isotopiques obtenues sur les sources de pollution présentes sur la zone d'étude (Tableau 3) sont comparables à celles généralement mesurées dans la littérature (Figure 8), et notamment à celles de l'étude de Widory et al. (2003) mesurées sur le bassin de I1Arguenonen Bretagne. Ces données confirment l'hypothèse d'étude que les compositions isotopiques sont de bons outils de discrimination des sources naturelles et anthropiques de nitrates.

Widq efai. ?KI3 n Aravena e! al, 1993 Beraé. 1983 €hier et ai, 1977 Drsnville & Berge, 1985 u i Feats et al, 2998 I 1-~Dejections animales Freyer & Ay 1975 non différenciees) . 'I H POUI& rnanure Girard & Hiliaire-Marcel. 1997 Heaton et al. 1983 Heaton, 1986 Kcba et al. 1997 Kretler & Jones. 1975 I Lisier Mariotti el al , 1976 I Mariotti, 1984 Shearer et ai, 1974 Showers et ai. 1990

Widory e! al. 2033

0Exth, 1998 Bas stt et ai . 1995 L1 Eaux usées Gellen beck. 1994. Kanor, 1997 Leenhouts ef ai., 1998 Engrais Scott 1996 I Vengosh et ai . 1994 Fientes I Vmgosh et al.. 1999 I I L Fumier

Vhdcq efal. 2033 I Eaux usées 0Négrel & Deschamps, 19%

I -7 Négrel. 1999 1 Engrais

Fientes

Lisier

Figure 8. Gammes de variations isotopiques (Azote, Bore et Strontium) issues de la littérature des diverses sources de Nos. Étude isotopique de la nappe de l'île Chambon (Allier)

4.2 CARACTERISATION DES ECHANTILLONS D'EAU

4.2.1 Caractérisation chimique

Ca Mg Na K CI NOs S04 B Sr Echantillon .I-I -1 -1 I ,1-~ pg . 1-1 pg. 1" Puits 1 733 17 24 7 19 37 33 107 505 Puits 2 70 19 16 8 19 42 30 4 3 540 Puits 3 7 1 19 16 8 19 4 3 30 4 1 532 Puits 4 7 1 17 20 7 18 45 3 O 86 518 PZ 1 57 12 2 7 8 29 ~0.2 2 166 382 PZ2 5 1 10 30 9 30 ~0.2 1 188 319 PZ3 74 15 32 9 32 8 2 9 205 438 PZ4 64 16 22 6 22 26 29 97 473 PZ5 79 18 26 6 2 3 34 42 1O1 514 PZ6 76 19 33 9 22 15 30 126 520 PZ7 77 18 28 11 23 2 1 30 111 622 PZ8 72 19 17 5 20 3 5 24 46 564 PZ1O 82 18 28 7 23 3 O 35 106 606 PZ12 66 21 19 15 19 34 24 40 497 PZ13 83 22 20 3 2 8 5 3 2 8 4 1 58 1 Allier amont 22 7 19 4 2 O 4 15 7 1 178 Allie aval 22 7 2 1 5 2 1 4 15 77 181 Tableau 4. Caractéristiques chimiques des eaux en période de basses eaux, teneurs exprimées en mg.tl, sauf B et Sr en pg.tl.

Puits 1 Puits 2 Puits 3 Puits 4 PZ 1 PZ2 PZ3 PZ4 PZ5 PZ6 PZ7 PZ8 PZ1O PZ1 1 PZ12 PZ13 Allier amont Allie aval

Tableau 5. Caractéristiques chimiques des eaux en période de hautes eaux. teneurs exprimées en mg.tl, sauf B et Sr en pg.tl. Étude isotopique de la nappe de l'île Chambon (Allier)

Les caractérisations chimiques des eaux échantillonnées sont reportées sous forme de diagrammes de Piper.

Le diagramme de Piper (Piper, 1944) permet de faire une première interprétation des données analytiques, en identifiant le faciès chimique des eaux au sein de l'aquifère. Ce diagramme permet de visualiser les différents faciès chimiques des eaux. II comporte : 1 un triangle pour les anions dont les sommets correspondent à HCO, +CO, -, 2- . CI-, so, ' 2+ 2' + O un triangle pour les cations dont les sommets correspondent à Ca , Mg , Na + +K ; un losange adjacent aux 2 triangles qui représente la répartition synthétique des ions majeurs, c'est-à-dire la composition de l'eau totale (anions + cations), lui même divisé en 4 parties correspondant chacune à une classe d'eau ou famille. Cette représentation synthétique des ions dans le losange est obtenue à l'intersection des 2 droites parallèles aux cotés du losange et passant par les compositions relatives dans les 2 triangles. Ce diagramme permet aussi d'étudier l'évolution spatio-temporelle du chimisme d'une eau ou d'un aquifère. La Figure 9 montre un exemple d'évolution de 5 types d'eaux :

100% Cl-

Figure 9 : Exemple de diagramme de Piper

26 Étude isotopique de la nappe de l'île Chambon (Allier)

Dans le triangle des anions, les eaux 1 et 2 évoluent d'un faciès chloruré vers un faciès plus bicarbonaté, alors que I'eau 3 évolue d'un faciès nettement bicarbonaté vers un faciès chloruré. L'eau 4 évolue vers un faciès sulfaté, I'eau 5 n'évolue pas. Dans le triangle des cations, I'eau 1 évolue du faciès sodique-potassique vers le faciès calcique, I'eau 2 vers un faciès mixte calcique-magnésien. L'eau 3 évolue d'un faciès calcique vers un sodique-potassique, comme I'eau 4 mais avec moins d'évolution. L'eau 5 évolue d'un faciès calcique-magnésien vers un faciès plus magnésien-sodique. Dans le losange, l'évolution des eaux montre : P Eau 1 : faciès chloruré sodique -+ bicarbonaté calcique (si cette évolution s'accompagne d'une augmentation de minéralisation, c'est l'exemple d'une eau de pluie en bordure océanique qui circule dans un environnement calcaire dans lequel elle acquiert son faciès. P Eau 2 : évolue vers un faciès plus magnésien, reflet d'un environnement plus dolomitique. 9 Eau 3 : faciès bicarbonaté calcique -+ faciès chloruré sodique net, exemple d'une intrusion marine, cas d'un biseau salé ou de présence de niveaux évaporitiques P Eau 4 : evolue vers un faciès sulfaté calcique, présence d'évaporites de type gY Pse. P Eau 5 : seul son faciès cationique évolue du calcique-magnésien vers un sodique-potassique, exemple d'un échange cationique calcium/sodium fréquemment rencontré en contact d'argiles (excellents échangeurs d'ions).

Les différents faciès caractérisés par les concentrations en ions majeurs sont typiques de certains environnements géologiques ou hydrogéologiques : Faciès bicarbonaté calcique : environnement calcaire. Faciès bicarbonaté calcique à tendance magnésienne : environnement dolomitique Faciès bicarbonaté sodique-potassique : formations volcaniques avec parfois dominance du caractère sulfaté. Faciès sulfaté : formations évaporitiques celles à gypse (sulfate) ou à pyrites (sulfures), formations glaciaires. Faciès chloruré sodique : environnements évaporites alcalins et alcalino-terreux. Faciès sulfuré : environnements riches en minéraux de type pyrite ou phase gazeuse importante (HzS), zones d'activité minière (drainage acide).

Dans la zone d'étude, les données montrent qu'il existe très peu de différences entre les 2 campagnes de prélèvement, hautes et basses eaux (Figure 10). Les eaux sont toutes de type bicarbonaté-calcique. Les eaux de l'Allier sont quant à elles légèrement moins calciques. Classiquement des eaux circulant dans un tel contexte géologique, sans forte interaction eau- roche du fait de leur circulation relativement superficielle présentent ce type de faciès bicarbonaté calcique. Étude isotopique de la nappe de l'île Chambon (Allier)

Figure 10. Diagrammes de piper pour les 2 campagnes de prélèvement (basses eaux en haut, hautes eaux en bas).

28 Étude isotopique de la nappe de l'île Chambon (Allier)

60 1 / Période de prélèvement

Limite de la norme de potahtté

Figure II. Variations des concentrations en NOs entre les basses et hautes eaux.

BRGM/RP-52536-FR 29 Étude isotopique de la nappe de l'île Chambon (Allier)

La Figure 11 rapporte les variations des concentrations en NO3 dans les échantillons lors des 2 campagnes de prélèvements. Les données montrent que l'ensemble des concentrations se situe en dessous du seuil limite des 50 mg.lV',à l'exception de Pz 4 en hautes eaux et Pz 13 en basses eaux avec des teneurs en nitrates de l'ordre de 53 mg.1-'. II faut également noter que de nombreux ouvrages ont des teneurs supérieures à 40 mg.1-'. La seconde partie de la figure montre les variations relatives des concentrations en NO3 de la campagne hautes eaux par rapport à celle de basses eaux. Alors qu'il semble logique de penser qu'en période de hautes eaux, les concentrations en nitrates diminuent par effet de dilution, les résultats montrent que si cela est majoritairement le cas, certains piézomètres voient leurs concentrations augmenter jusqu'à des valeurs supérieures à 100 % (cas de PZ4). Au contraire PZ12 et dans une moindre mesure PZ13 voient leur concentration nettement diminuer; voire même être pratiquement nulle pour PZ12 avec 0.2 rng.1-'. La rivière Allier présente des teneurs très faibles en nitrates (NO3 < 4 mg.1-' en basses eaux et < 2 mg.l" en hautes eaux) aussi bien en amont qu'en aval de la zone d'étude, tendant à montrer une absence d'influence significative de la nappe sur la rivière.

4.2.2 Caractérisation isotopique

%O vs atm. %O vs NBS951 Puits 1 8.6 12.0 0.71 1752 Puits 2 8.3 11.3 0.710989 Puits 3 8.7 12.0 0.710915 Puits 4 7.1 10.4 0.71 1613 PZ 1 3.2 0.71 1680 PZ2 1.7 0.71 1677 PZ3 42.4 1.6 0.711647 PZ4 8.2 6.1 0.71 1641 PZ5 10.2 6.8 0.711737 PZ6 11.5 5.3 0.71 1633 PZ7 10.3 8.5 0.71 1779 PZ8 9.0 10.4 0.710334 PZ1O 8.9 9.1 0.71 1799 PZ12 5.1 10.3 0.708916 PZ13 7.6 15.4 0.71 1 1O Allier amont 13.7 0.5 0.71 1328 Allie aval 10.5 0.4 0.71 1329 Tableau 6. Caractéristiques isotopiques des eaux en période de basses eaux.

Les compositions isotopiques de l'azote n'ont pu être déterminées sur les échantillons Pz 1 et Pz 2 en raison de teneurs trop faibles en azote (NO3 inférieur au seuil de détection de 0.2 mgll).

%O vs atm. %O vs NBS951 Puits 1 9.5 10.9 0.711797 Puits 2 7.4 11.3 0.71 1131 Puits 3 8.9 0.710815 Étude isotopique de la nappe de l'île Chambon (Allier)

Puits 4 9.7 10.9 0.71 1650 PZ 1 1.1 0.712000 PZ2 -0.6 0.71 1716 PZ3 2.5 0.71 1682 PZ4 6.8 5.7 0.71 1618 PZ5 7.4 6.9 0.71 1732 PZ6 6.2 7.8 0.71 1634 PZ7 9.8 8.9 0.71 1793 PZ8 9.8 0.3 0.710362 PZ1O 8.8 6.0 0.71 1788 PZ1 1 9.5 10.9 0.71 1786 PZ12 12.7 0.708707 PZ13 9.3 5.1 0.711107 Allier amont 2.2 0.71 1273 Allie aval 2.2 0.71 1262 Puits porcherie 9.6 6.6 0.71 1506 Tableau 7. Caractéristiques isotopiques des eaux en période de hautes eaux.

Comme pour la campagne de basses eaux, les compositions isotopiques de l'azote n'ont pu être mesurées en hautes eaux dans les échantillons Pz 1, 2, 3, 12 et sur les deux échantillons de la rivière Allier en raison des très faibles teneurs en nitrates. Étude isotopique de la nappe de l'île Chambon (AllierJ

5 Discussion

5.1 IDENTIFICATION DES CIRCULATIONS AU SEIN DU CHAMP CAPTANT

Comme cela a été rappelé au s3.3.3, les isotopes du Sr constituent un outils particulièrement intéressant pour comprendre les circulations dans un bassin versant à condition que les différents réservoirs présentent des rapports isotopiques "Sr/%r suffisamment contrastés.

5.1.1 Identification des différents réservoirs de la zone d'étude

Les compositions isotopiques en Sr en fonction de I'inverse de la teneur en Sr des échantillons de juillet 2002 sont représentés dans la Figure 12. Dans ce type de diagramme, 87Sr/86Sren fonction de l'inverse de la concentration en Sr, les mélanges entre deux composants distincts sont matérialisés par des droites (Faure, 1986).

- + Allier 1 07085 -, 1 I I

Figure 12 :"~rf'Sr VS. l/Sr des eaux du champ captant du l'île du Chambon en basses eaux. Étude isotopique de la nappe de l'île Chambon (Allier)

II apparaît tout d'abord que les deux échantillons de l'Allier prélevés en amont et aval immédiat du champ captant présentent des signatures identiques, ce qui traduit le fait que les eaux du champ captant n'ont pas d'impact sur la rivière. Les signatures mesurées dans I'Allier sont en parfait accord avec les études antérieures réalisées sur cette rivière (Négrel et al., 1997 et 2003).

Tous les échantillons d'eau issus des puits du champ captant et des piézomètres se répartissent dans un triangle dont les sommets sont définis comme suit (Figure 12) : 1. les eaux de la rivière Allier au niveau du champ captant, faiblement concentrées en Sr, d'où IlSr élévé, et avec un rapport isotopique en Sr de l'ordre de 0.7 1127 ; 2. les eaux issues de la nappe des coteaux (représentées par Pz12), plus concentrées en Sr (IlSr faible) que celles de I'Allier et avec un rapport *'sr/8%r beaucoup plus faible; 3. Les eaux de la nappe alluviale sensu stricto, représentées par les eaux des piézomètres 7 et 10. Ils présentent des teneurs en Sr du même ordre de grandeur que celles de la nappe des coteaux mais associées à une signature isotopique beaucoup plus élevée, supérieure à celle de l'Allier. Ces trois pôles constituent des "réservoirs" d'eau dont les signatures géochimiques sont bien distinctes et identifiées.

Les autres échantillons sont répartis sur des droites entre les pôles "Allier" et "nappe alluviale" d'une part et "nappe alluviale" - "nappe des coteaux" d'autre part. Ainsi, la Figure 12 met en évidence que les eaux des piézomètres et des puits du champ captant résultent de mélange entre des eaux issues des trois réservoirs identifiés ci-dessus.

On remarquera qu'il n'y a pas d'échantillons situés sur la droite "nappe des coteaux"- "Allier", ce qui en raison de l'échantillonnage exhaustif sur la zone tend à prouver qu'il n'existe pas de relation directe visible entre la nappe des coteaux et la rivière Allier.

La campagne de prélèvements réalisée en hautes eaux, vient confirmer les trois réservoirs identifiés en basses eaux (Figure 13). Les caractéristiques de ces trois pôles varient peu entre les deux situations hydrologiques, en particulier les deux réservoirs souterrains, ce qui peut traduire une certaine homogénéité des ces réservoirs avec une inertie suffisante pour relativement bien lisser les variations géochimiques à l'échelle du cycle hydrologique. Étude isotopique de la nappe de I'île Chambon (Allier)

Piézornètre Allier

Figure 13 :87Srf6Sr VS. 1/Sr des eaux du champ captant du I'ile du Chambon en hautes eaux.

5.1.2 Influence des apports polluants identifiés sur les signatures isotopiques en Sr

La Figure 14 représente dans le même diagramme les échantillons du bassin versant ainsi que les sources potentielles de pollutions identifiées sur ce même bassin (cf § 4.1). II apparaît tout d'abord que 3 sources potentielles de pollution présentent des teneurs en Sr faibles et ne peuvent donc pas influencer les signatures isotopiques en Sr des eaux du champ captant. II s'agit des Ammonitrates, de l'urée et des Chlorures.

Les seules sources potentielles de contamination pouvant influencer les signatures des eaux du champ captant sont la station d'épuration de St Rémy (STEP St Rémy) et le fossé collectant les eaux des assainissements autonomes des coteaux (Ass. St Rémy). En effet, de par sa localisation géographique sur le coteau, la STEP de St Rémy pourrait influencer la signature de la nappe des coteau, or le piézomètre 12 présente une signature isotopique en Sr beaucoup plus faible que celle de cette station. Étude isotopique de la nappe de /'île Chambon (Allier)

/ , /

-~ Puits AEP PiBzornètre

1

Figure 14 :: "Srf6Sr vs. 1/Sr des eaux du champ captant du l'île du Chambon en hautes et basses eaux avec les pôles des sources potentielles de pullutions identifiées sur la zone d'étude.

Les eaux du fossé collectant les assainissements autonomes présentent un rapport isotopique en Sr Iégèrement inférieur à celui de la station d'épuration, avec une teneur en Sr plus élevée. Cette signature pourrait résulter d'un apport d'eau "naturelle" issue du drainage des sols s'écoulant dans le fossé avec les eaux usées. Ainsi, un impact de la STEP de St Rémy n'est pas visible sur les signatures en Sr des ouvrages de la zone d'étude. Seul le piézomètre 8 pourrait éventuellement être Iégèrement influencé par les effluents d'assainissement autonome de type St Rémy, bien que ce point soit sur la droite de mélange entre le pôle "nappe alluviale" et "nappe des coteaux".

Globalement, l'influence anthropique locale, telle qu'elle a été identifiée par les différentes sources potentielles analysées, ne marque pas les signatures isotopiques en Sr puisque les alignements quasi parfaits entre trois pôles bien distincts sont conservés en hautes et basses eaux. De plus, d'autres diagrammes tels que CIISr, NaISr versus "srP6sr montrent le même type de répartition des points entre les 3 grands pôles identifiés.

Dans ces conditions, la systématique des isotopes du strontium peut être utilisée plus sûrement pour caractériser les circulations hydrologiques au sein du champ captant, et Étude isotopique de la nappe de I'île Chambon (Allier)

évaluer la proportion de chacun des 3 types d'eau dans chacun des ouvrage de la zone d'étude.

5.1.3 Calculs de mélange ,

5.1.3.1 Théorie des mélanges à deux composants (binaires)

Connaissant la signature chimique des eaux des deux aquifères et les proportions de mélange, il est possible de calculer la signature des eaux résultant du mélange. A l'inverse, il est donc possible de calculer des taux de mélange connaissant les signatures des deux termes du mélange et de la résultante. Ces calculs sont possibles à partir des teneurs seules ou avec des signatures isotopiques. Ainsi, un mélange dont on connaît les concentrations des deux termes et la proportion de mélange s'exprimera : avec [X]mel,, et : concentration de l'élément X dans le mélange et les deux [XI,,, = f [XII + (1 - f )[XI: termes initiaux 1 et 2, f : proportion du terme 1 dans le mélange

Pour un mélange impliquant des rapports isotopiques (le strontium dans cette étude), le mélange binaire s'exprimera :

avec (87~r/86~r)mé1,1 et 2 : composition isotopique du Sr du mélange et des deux termes initiaux 1 et 2, [X],~I, 3 .t 2 : concentration de l'élément X dans le mélange et les deux termes initiaux, f : proportion du terme 1 dans le mélange.

Figure 15 :Représentations graphiques d'un mélange binaire avec des isotopes du Sr Étude isotopique de la nappe de l'île Chambon (Allier)

5.1.3.2 Théorie des mélanges à trois composants (ternaires)

Dans le cas des mélanges à trois composants, si l'on connaît les caractéristiques et les proportions de chacun des 3 termes du mélange, on peut calculer les caractéristiques de la résultant de ce mélange en ajoutant un terme aux équations du paragraphe 5.1.3.1.

Cependant, dans la plupart des cas, on ne connaît pas les proportions de chacun des termes du mélange, il est cependant possible, d'une part de mettre en évidence graphiquement un mélange à 3 composants et d'autre part d'approximer les proportions de chacune des composantes.

5.1.3.3 Calcul de mélange appliqué aux eaux souterraines de I'île du Chambon

Comme cela a été montré dans les Figure 12 et Figure 13, les échantillons d'eau issus du champ captant décrivent deux alignement entre 3 pôles identifiés : (1) les eaux de la rivière Allier; (2) les eaux issues de la nappe des coteaux (Pz12); et (3) les eaux de la nappe alluviale sensu stricto (Pz 7 et 10).

II est ainsi possible d'estimer la proportion relative de chacun de ces 3 pôles par ouvrage. Ceci peut être réalisé graphiquement, aussi bien en basses eaux qu'en hautes eaux à partir d'un diagramme 87~r/86~ren fonction de I'inverse de la teneur en strontium (Figure 16 et Figure 22). Les sommets du triangle sont assimilés aux pôles "purs" c'est à dire à la signature des composantes correspondant : Allier, nappe alluviale et nappe des coteaux. Les droites en trait plein matérialisent les droites de mélange binaires entre les pôles deux à deux. Elles sont graduées de 10% en IO%, on note que cette graduation n'est pas linéaire, ceci est lié à l'équation de mélange utilisée qui tient comptent des concentrations respectives en Sr de chacun des pôles.

5.1.3.3.1 Application aux basses eaux

La Figure 16 représente l'état mesuré en basses eaux dans le diagramme 87~r/86~ren fonction de I'inverse de la teneur en strontium.

Les proportions de chacun des pôles au sein des ouvrages peut être synthétisées de la façon suivante (Tableau 8) :

Proportion Proportion Proportion 1 "Allier" 1 "Nappe alluviale" "Nappe des coteaux" Y0 % Y0 Piézometres Étude isotopique de la nappe de file Chambon (Allier)

Tableau 8 :Synthèse de l'estimation graphique des proportions de chacun des pôles au sein des ouvrages en basses eaux

i? .. 0.712 , Name alluviale $

Figure 16 : "Srf6Sr VS. 1iSr des eaux du champ captant du l'île du Chambon en basses eaux, avec les droites de mélange binaires entre chacun des pôles du mélange à trois composants. Étude isotopique de la nappe de l'île Chambon (Allier)

Afin de mieux appréhender les circulations d'eau au sein du champ captant, la discussion sera abordée par groupe de points au comportement similaire.

Le premier groupe est constitué par les ouvrages Pz 1,2,3,4, 5,6 :

Tous ces points se situent sur la droite de mélange entre les pôles "Allier" et "Nappe alluviale". La proportion de chacun des pôles telle que calculée à partir des isotopes du Sr est donnée dans le Tableau 8. Les ouvrages Pz 1, 2 et 3 sont situés en bordure immédiate de la boire de I'Allier au sud du champ captant. Bien que I'eau de cette boire n'ait pas été analysée. elle correspond certainement aux eaux de I'Allier auxquelles elle peut être assimilée en terme de signature géochimique. La proportion d'eau de type "Allier" varie entre 40 et 70%. ce aui traduit une connexion localement forte entre la nappe et la rivière (boire,

PZ 2 i barrer eaux barrareaux

Nappe alluviale Allier Nappe des coteaux

Figure 17 :Proportions de mélanges dans Pz 1,2 et 3 en basses eaux.

Les ouvrages Pz 4, 5 et 6 sont alignés perpendiculairement à I'Allier juste en aval des points 1, 2 et 3. Le piezométre 4 est situé en bordure immédiate de I'Allier, c'est l'échantillon qui présente la plus forte proportion d'eau issue de la rivière (30%), Pz 5 et 6 sont à 80 % composés d'eau de type "nappe alluviale" (Figure 18).

l AI Nappe alluviale Allier Nappe des coteaux

Figure 18 :Proportions de mélanges dans Pz 4 5 et 6 e.. ,&ses eaux.

Le second groupe est constitué par les ouvrages Pz 8,13 :

Ces deux points se situent sur la droite de mélange entre les pôles "nappe alluviale" et "nappe des coteaux". Pz 8 est le plus influencé par de I'eau issue de la nappe des coteaux avec environ 55% de ce type d'eau et 45% de type nappe alluviale, traduisant ainsi la vidange de la nappe des coteaux dans la nappe alluviale par effet gravitaire (Figure 19). Étude isotopique de la nappe de I'île Chambon (Allier)

Pz 13 présente environ 30 % d'eau d'originaire des coteaux pour 70 % de type nappe alluviale. L'anomalie piézométrique de cet ouvrage a été discutée au 5 2.2. PZ 13 basseseaux

Nappe alluviale Allier Nappe des coteaux

Figure 19 :Proportions de mélanges dans Pz 8 et 13 en basses eaux.

- Le troisième groupe est constitué par les Puits A, B, C et D : On note tout d'abord que les puits pompés du champ captant présentent deux signatures bien distinctes, reflétant des alimentations en eau différentes. Les puits A et D, les plus en amont, se situent sur la droite de mélange "nappe alluviale" -"Allier" avec 20 % d'eau de I"Allier et 80 % de la nappe (Figure 20)

p~ Puits A Puits D basses eaux basses eaux

Nappe alluviale Allier Nappe des coteaux Figure 20 :Proportions de mélanges dans les Puits A et D en basses eaux.

Les puits B et C, les plus en aval du champ captant, présentent une signature qui fait appel à un mélange ternaire, soit 10 % Allier, 60 % nappe alluviale et 30 % nappe des coteaux (Figure 21).

Les 4 puits étant alignés en bordure d'Allier, il semble qu'il y ait une "limite" qui se situerait entre les puits B et C, avec en amont pas de contribution d'eau originaire de la nappe des coteaux (ou très faible, ne permettant pas une modification de la signature géochimique des eaux), et en aval, une participation des eaux issues des coteaux dans la continuité de Pz 8. Étude isotopique de la nappe de l'le Chambon (AllierJ

Puits B Puits C basseseaux basses eaux

------Nappe alluviale Allier Nappe des coteaux

Figure 21 :Proportions de mélanges dans les Puits B et C en basses eaux.

Figure 22 : ''srf6Sr vs. 1/Sr des eaux du champ captant du l'île du Chambon en hautes eaux, avec les droites de mélange binaires entre chacun des pôles du mélange à trois composants. Étude isotopique de la nappe de l'île Chambon (Allier)

Les proportions de chacun des pôles au sein des ouvrages peut être synthétisée de la façon suivante (Tableau 9) :

Proportion Proportion Proportion "Allier" "Nappe alluviale" "Nappe des coteaux" % Y0 Y0 Piézomètres Pz1 70 3O -

Puits Porcherie 1O 8 O 1O Puits Puits A 3 O 7O

Puits B 3 O 5 O 20 I Puits C 2O 5 O 3 O Puits D 25 7O 5 Tableau 9 : Synthèse de l'estimation graphique des proportions de chacun des pôles au sein des ouvrages en hautes eaux

La Figure 22 représente l'état mesuré en hautes eaux dans le diagramme 87Sr/86Sren fonction de l'inverse de la teneur en strontium.

Comme en basses eaux, la discussion sera abordée par groupe de points

Le premier groupe est constitué par les ouvrages Pz 1, 2, 3, 4, 5, 6, 11 et Puits Porcherie :

Tous ces points se situent sur la droite de mélange entre les pôles "Allier" et "Nappe alluviale". La proportion de chacun des pôles telle que calculée à partir des isotopes du Sr est donnée dans le Tableau 9.

Les ouvrages Pz 1, 2 et 3 présentent une proportion d'eau de type "Allier" variant entre 50 et 70%, ce qui traduit une connexion localement forte entre la nappe et la rivière (boire). On note que pour Pz 3 , la proportion de l'Allier augmente de 10 % ce qui est tout à fait compatible avec la situation de hautes eaux (Figure 23). Étude isotopique de la nappe de l'île Chambon (Allier)

~ ~ ~ PZ 1 PZ 2 PZ 3 Hautes eaux Hautes eaux Hautes eaux

Nappe alluviale Allier Nappe des coteaux Figure 23 :Proportions de mélanges dans Pz 1,2 et 3 en hautes eaux

Les ouvrages Pz 4, 5 et 6 sont alignés perpendiculairement à I'Allier juste en aval des points 1, 2 et 3. Le piézomètre 5 présente la plus forte proportion d'eau originaire de I'Allier avec 40 %. Pz 4, pourtant en bordure immédiate de I"Allier, présente une proportion moindre d'eau de I'Allier de l'ordre de 20 % avec une signature identique à celle de Pz 6. (Figure 24).

I 2 Nappe alluviale Ailier Nappe des coteaux Figure 24 :Proportions de mélanges dans Pz 4,5- et 6 en hautes eaux Le piézomètre 11 présente 90% d'eau de la nappe alluviale et 10% originaire de I'Allier. Ce puits n'avait pu être échantillonné lors de la première campagne car il était à sec en basses eaux (Figure 25). Le puits de la Porcherie se situe en bordure d'Allier à proximité des ouvrages Pz 7 et 10 qui constituent le pôle "nappe alluviale", il a été échantillonné uniquement en hautes eaux. II ne présente cependant pas tout à fait les mêmes caractéristiques géochimiques, puisque les proportions d'eau identifiées sont les suivantes : 10% Allier, 80% nappe alluviale et 10% nappe des coteaux, l'influence de la nappe des coteaux n'étant pas visible sur les ouvrages Pz 7 et Pz 10 (Figure 25).

I PZ 11 Puits porcherie hautes eaux hautes eaux 10% 10% 10%

Nappe alluviale Allier Nappe des coteaux Figure 25 :Proportions de mélanges dans Pz 11 et le puits de la porcherie en hautes eaux. Étude isotopique de la nappe de I'île Chambon (Allier)

Le second groupe est constitué par les ouvrages Pz 8,13 :

Comme en basses eaux, ces deux points se situent sur la droite de mélange entre les pôles "nappe alluviale" et "nappe des coteaux". II n'y a pas de différence en terme de proportion de mélange entre lesehauteset basses eaux. Pz 8 est le plus influencé par de l'eau issue de la nappe des coteaux avec environ 55% de ce type d'eau et 45% de type nappe alluviale, traduisant ainsi la vidange de la nappe des coteaux dans la nappe alluviale par effet de gravité. Pz 13 présente environ 30 % d'eau d'originaire des coteaux pour 70 % de type nappe alluviale.

PZ13 hautes eaux hautes eaux 0% 6

- Nappe alluv ale Allier Nappe des coteaux Figure 26 :Proportions de mélanges dans Pz 8 et 13 en hautes eaux.

a Le troisième groupe est constitué par les Puits A, B, C et D :

Comme en basses eaux, on notera que les puits pompés du champ captant présentent deux signatures bien distinctes, reflétant des alimentations en eau différentes. Les puits A et D, les plus en amont, se situent sur la droite de mélange "nappe alluviale" -"Allier" avec 25-30 % d'eau de l''Allier et 70-80 % de la nappe. La proportion d'eau de l'Allier augmente légèrement (Figure 27).

Puits A Puits D hautes eaux hautes eaux 5%

l L Nappe alluviale Allier Nappe des coteaux Figure 27 :Proportions de mélanges dans les Puits A et D en hautes eaux.

Les puits B et C, les plus en aval du champ captant, présentent une signature qui fait appel a un mélange ternaire distinct pour les deux puits. Le Puits B reflète le mélange suivant : 30 % Allier, 50 % nappe alluviale et 20 % nappe des coteaux. Le Puits C Étude isotopique de la nappe de /'île Chambon (Allie0

reflète le mélange suivant : 20 % Allier, 50 % nappe alluviale et 30 % nappe des coteaux (Figure 28).

Puits B Puits C hautes eaux hautes eaux

I Nappe alluviale Allier Nappe des coteaux

Figure 28 :Proportions de mélanges dans les Puits B et C en hautes eaux.

5.1.4 Hypothèses sur l'origine de la signature des pôles "purs" identifiés

D'une manière générale, les eaux des deux nappes identifiées "alluviale" et "coteaux" ont des sianatures différentes de celle des names identifiée DIUSen aval au niveau de la conflueke Loire-Allier (Bec d'Allier, Négrel Li al., 2000). ~ècimontre la nécessité de caractériser localement chacun des compartiments hydrologiaues- afin d'appréhender au mieux le fonctionnement du système.

5.1.4.1 Le pble "Allier"

Le pôle "Allier" correspond aux eaux du fleuve analysées en amont et aval immédiats du champ captant. La signature reste stable entre l'amont et l'aval traduisant une absence d'influence du champ captant sur la signature isotopique et les teneurs en Sr de l'Allier. La signature géochimique de I'Allier au droit de la zone d'étude est tout à fait conforme à celle mesurée dans des études antérieures (Négrel et al., 1997; 2003). La signature des eaux de la rivière a été acquise en amont par interaction de l'eau de pluie ruisselant sur les sols et les roches mères.

5.1.4.2 Le pole "nappe des coteaux"

Le pôle "nappe des coteaux", représenté par Pz 12, présente une signature isotopique en Sr bien distincte de tous les autres échantillons. Celle-ci est à rattacher à l'encaissant. En effet, même si Pz 12 est situé dans les alluvions de l'Allier, cette formation est aussi alimentée par des colluvions polygéniques reposant sur substrat Oligocène, alimentés par les calcaires concrétionnés et les marnes et calcaires beiges de I'Oligocène supérieur. De telles formations à composante carbonatée expliquent la signature isotopique beaucoup moins élevée que celles observées au niveau de la nappe alluviale. Étude isotopique de la nappe de l'île Chambon (Allier)

5.1.4.3 Le pôle "nappe alluviale"

Le pôle "nappe alluviale" a été caractérisé en prenant les deux échantillons aux signatures extrêmes observés dans la nappe alluviale, soit Pz 7 et PzlO. Ces deux ouvrages, bien que situés en bordure I'Allier, présentent des signatures bien distinctes de celle de la rivière. La signature isotopique de ce pôle est relativement élevée (8'~r/86~r> 0.71 17) avec une teneur en Sr élevée par rapport à la rivière voisine. Cette signature est à relier à l'interaction eau-roche avec l'encaissant local. Une hypothèse peut être émise quant à I'origine de cette signature aussi élevée par rapport à celles observées dans les études antérieurs (Négrel et al., 2000; 2003) : les ouvrages Pz 7 et Pz 10 sont situés au niveau de l'ancienne porcherie dont le sol a été remédié à l'issue de la fermeture de cette porcherie. On ne connaît pas I'origine (c'est à dire la signature) ni la quantité de terre qui a été rapportée, il est donc difficile de faire une extrapolation en terme d'influence de cette terre rapportée sur la signature de la nappe alluviale à l'échelle du champ captant.

5.1.5 Schéma de synthèse des circulations au sein de I'île du Chambon

La Figure 29 synthétise schématiquement les principales circulations identifiées au sein du champ captant de I'île du Chambon.

Comme cela a été pressenti dans des études hydrogéologiques antérieures (Michel, M., 1994), l'alimentation de la nappe alluviale par la nappe des coteaux a été clairement mise en évidence avec un impact fort sur les ouvrages Pz 8 et Pz 13. Le forage Pz 9 étant sec lors des deux campagnes de prélèvements, on ne peut pas s'appuyer sur ce point pour conforter l'influence d'eau en provenance des coteaux. Si une limite très approximative de I'influence de la nappe des coteaux devait être tracée, elle passerait entre les puits D et B pour ensuite traverser le champ captant vers le sud-ouest jusqu'au niveau de Pz 6 qui présente une toute petite contribution de ce type d'eau.

En ce qui concerne la nappe alluviale, les ouvrages Pz 1, 2 et 3 présentent une influence nette d'eau de rivière de type Allier qui pénètre la nappe alluviale via les berge de la boire plate au sud de la zone d'étude, en bon accord avec les études antérieures. L'influence de I'Allier se fait aussi sentir au niveau de l'alignement Pz 4, 5 et 6 avec une contribution qui s'atténuent vers l'intérieur des terres. Pz 7 et 10 ayant été identifiés comme le pôle "pur" nappe alluviale, la connexion entre I'Allier et la nappe semble très réduite à cet endroit. Le connexion entre Allier et nappe alluviale est à nouveau très visible au niveau des puits AEP dont le pompage induit une cône de rabattement de la nappe favorisant les venues d'eau de I'Allier via les berges. Les puits B et C, légèrement en retrait de la berge par rapport aux deux autres ouvrages présentent en plus une contribution de la nappe des coteaux pouvant atteindre 30 %. Étude isotopique de la nappe de I'île Chambon (Allier)

Cirwlaüon nappe des coteaux vers nappe alluviale Cirailaiion Allier -vers nappe alluviale Limite supposée de l'influence de la nappe des coteaux il Hier amont

Figure 29 :Carte synthétique des circulations d'eau au niveau du champ captant Étude isotopique de la nappe de l'île Chambon (Allier)

5.2 TRAÇAGE CHIMIQUE DES SOURCES DE POLLUTION

Des premières contraintes sur l'origine des nitrates présents dans les eaux de la zone d'étude peuvent être apportés par l'étude de la chimie des eaux, notamment des variations conjointes des nitrates et chlorures (Figure 30). Cette figure rapporte la caractérisation de I'ensemble des échantillons, ainsi que des diverses sources de pollution analysées. La séparation entre les campagnes basses et hautes eaux montre que dans chaque cas, les échantillons semblent se scinder en 3 groupes distincts comme résumé dans le Tableau 10.

Groupe Basses eaux Hautes eaux

1 PZ4, PZ5, PZ6, PZ7, PZIO, PZ4, PZ5, PZ7, PZ8, PZIO, PZ12, PZ13, I PZ13 Puits porcherie 2 Ensemble des AEP, PZ8, PZ12 Ensemble des AEP

Tableau 10. Discrimination des échantillons suivant leurs concentrations en nitrates et chlorures.

La comparaison de la discrimination entre les différentes périodes du cycle hydrologique montre que dans I'ensemble les groupes sont conservés entre les hautes et les basses eaux. Seules exceptions à cette règle, PZ6, PZ8 et PZ12. Les deux piézomètres des groupes n03 s'alignent sur des droites dont un des pôle est de nouveau représenté par les eaux de l'Allier, mais dont il est pour l'instant impossible de déterminer le second pôle (i.e. celui de pollution). La caractérisation des effluents des deux stations d'épuration montre qu'il contiennent très peu de NO3 (teneur inférieure au seuil de détection dans le cas de la station d'épuration de Vendat). Ceci ne reflète à l'évidence pas une absence de NOs dans les eaux usées, mais plutôt une élimination de ces derniers par dénitrification lors de la dépollution des eaux. Si cette dénitrification est avérée, cela signifie que les concentrations en nitrates mesurées dans les effluents ne sont pas représentatives du pôle STEP « initiale ». Si la dénitrification agit sur les concentrations en nitrates en les diminuant, elle n'a aucune influence sur celles des chlorures. L'estimation des concentrations en chlorures et nitrates de ce pôle STEP « initiale » va nous permettre d'expliquer l'alignement des eaux des deux groupes nOl.En effet nous venons de montrer que ce pôle aura une concentration en chlorure équivalente à celle mesurée dans les effluents de la STEP de St Rémy (=30 mgIl), mais par contre une concentration en NO3 supérieure à celle mesurée (car ayant subi un phénomène de dénitrification). II est alors possible d'expliquer les alignements des points des eaux des groupes nOlpar une influence de type STEP, ayant les caractéristiques chimiques de la STEP « initiale ». Ces dernières sont données par l'intersection des deux droites (celles de mélange des groupes nOlet celle de la dénitrification). Le résultat donne des concentrations pour le pôle STEP « initiale » de 32 mg.1-' en chlorures et de 70 mg.1-' en nitrates. Les deux derniers groupes de prélèvements (n03) semblent eux marqués aussi par l'influence d'un pôle STEP, mais correspondant ici directement aux caractéristiques des effluents de la station d'épuration de St Rémy. Dans le cas de PZ3, cette composante dénitrification sera confortée par l'étude des isotopes de l'azote. Étude isotopique de la nappe de /'île Chambon (Allier)

Ass. Çr Remy 0 b

Allia aval Aillerame 8 dlir aval Ailler amont

Figure 30. Variations en NO3 et chlorures. Étude isotopique de la nappe de l'île Chambon (Allier)

Les cas les plus simples à expliquer semblent être les eaux des deux groupes n02. En effet, les prélèvements se placent sur une droite entre, les eaux de l'Allier d'une part et les engrais chimiques d'autre part; le type ammonitrates semble le plus compatible. L'identification des ammonitrates comme source potentielle de NOs pour les AEP et, suivant la période PZ8 et PZ12, est cohérente avec le cahier d'épandage réalisé sur la zone d'étude (Données du Service Technique Agronomie Diversification CDA03).

L'étude des compositions chimiques semble donc montrer que les apports de nitrates dans la zone d'étude se font principalement via deux vecteurs principaux, d'une part un pôle station d'épuration et d'autre part un pôle engrais chimique (principalement à travers de I'utilisation d'ammonitrates). L'influence de I'utilisation d'engrais chlorurés ou de l'épandage de fumier (qu'il soit bio ou non) semble être négligeable.

5.3 TRAÇAGE ISOTOPIQUE DES SOURCES DE POLLUTION

5.3.1 Les isotopes de I'azote

La principale difficulté de l'utilisation des isotopes de I'azote dans le traçage des sources de nitrates repose sur le fait que les valeurs de 6I5N mesurées dans les eaux peuvent résulter de la superposition de deux processus différents (Figure 31) :

Le mélange, par ajout de nitrates d'origine anthropique, ayant des 6I5N généralement supérieurs à 10 (mis à part les engrais chimiques). La dénitrification, naturelle, qui peut s'opérer dans les eaux souterraines sous certaines conditions (e.g. Mariotti, 1986).

Ces 2 processus modifient dans le même sens les compositions isotopiques en azote des nitrates de l'eau (i.e. augmentation du 6I5N). II est donc difficile, dans le cas d'une dénitrification naturelle avérée, d'émettre des hypothèses quant aux sources de pollution à partir des données seules.

Dénitrification Mélange .-l- B m naturelle "pôle non-pollué : A 1 ->V) Pôle de pollution : E?) al i J 1 O V) 1 .al

,-Etat initial :-8 C Y$ .Après dénitrification : D/

NO, (mg.1-l) NO, (rng.1-l) Figure 31. Influence du mélange et de la dénitrification naturelle sur la composition isotopique de I'azote des nitrates.

50 BRGMRP-52536-FR Étude isotopique de la nappe de I'île Chambon (Allier)

II existe plusieurs méthodes permettant de déterminer la présence ou non d'un processus de dénitrification (Mariotti, 1986).

L'une d'elle repose sur l'étude du potentiel redox (Eh) du système. S'il existe un gradient de potentiel redox dans un système fermé, les oxydants dans l'aquifère sont réduits suivant la séquence : 02, NO;, Mn[lV], Fe[lll], so4'-, ...(Stumm et Morgan, 1981). La dénitrification se situe donc entre la disparition de l'oxygène dissous par respiration aérobie et l'apparition en solution des ions ~n'' et ~e", si les minéraux correspondants sont présents dans les roches encaissantes (Mariott et al., 1988). On passe ainsi de l'état oxydé en zone de recharge à un état réduit à potentiel redox inférieur ou égal à celui qui témoigne du processus de dénitrification. Cette interprétation, basée sur la chimie classique, peut être appuyée par l'utilisation des isotopes stables de l'azote. En effet, lors de la réaction de dénitrification, il se produit un fractionnement isotopique dû au fait que les liaisons établies entre I'oxygène et l'isotope léger de l'azote (14N) sont plus facilement rompues que celles établies avec I'isotope lourd (15~).Ainsi, lors d'un processus de dénitrification, le nitrate résiduel (Le. dissous) est enrichi en '5~par rapport à sa composition isotopique initiale (Mariotti,

/ / i Hautes eaux

2 5 3 In NO,

Figure 32. Variations des 6'5~en fonction du logarithme de la concentration en Nos. Étude isotopique de la nappe de l'île Chambon (Allier)

Cette évolution suit la loi de Rayleigh en matière de fractionnement isotopique selon:

6 : composition isotopique de I'azote nitrique résiduel. & : composition isotopique de I'azote nitrique initial (i.e. avant dénitrification). C : concentration de I'azote nitrique mesuré. Co : concentration initiale de I'azote nitrique. E : coefficient d'enrichissement isotopique.

L'étude des compositions isotopiques en azote ne met pas en évidence d'indice de la présence de dénitrification naturelle, excepté pour le piézomètre PZ3 qui possède un 6"~trop élevé (615~supérieur à 40 %O) par rapport à la gamme totale mesurée sur I'ensemble des sources de pollution, et qui de plus présente une concentration en nitrates très faibles (8 mg.1").

Les résultats illustrés sur la Figure 32 montrent que l'ensemble des prélèvements semble se scinder en deux groupes distincts suivant la période du cycle hydrologique. Si la dispersion des points lors de la période de basses eaux semble aléatoire, celle de la période des hautes eaux semble en revanche suivre une relation linéaire assez nettement définie. Comme décrit précédemment (équation l),dans ce type de diagramme une relation linéaire est synonyme de dénitrification naturelle. Ceci ne peut être le cas ici du fait d'une valeur positive de la pente de la droite. La théorie montre que la dénitrification naturelle enrichit le nitrate résiduel en I5N (i.e. sa composition isotopique augmente), ce qui se traduit par une pente négative dans ce type de diagramme. La droite de régression observée sur les prélèvements de hautes eaux est donc indicatrice d'un phénomène de mélange entre deux composants. Les résultats de la Figure 32 confortent donc les conclusions précédentes quant à la présence du phénomène de dénitrification naturelle sur le site d'étude : seul PZ3 est influencé par ce processus (et par extension PZ1 et PZ2, proches de la Boire et dont les concentrations en NO3 sont aussi très faibles, et même inférieures au seuil de détection).

Afin d'appréhender les processus de mélange entre deux composants, il est plus aisé de travailler dans un diagramme 615~en fonction de l'inverse de la concentration en NO3, diagramme dans lequel les relations de mélange se caractérisent par des droites. Les échantillons sont ainsi reportés à la Figure 33. Sur le même diagramme sont reportés les domaines correspondant aux différentes sources de pollution. Comme le suggéraient les résultats de la Figure 32, les échantillons s'alignent sur une droite de mélange, excepté PZ6 en hautes eaux. L'intercept de cette droite de mélange nous donne une estimation de la composition isotopique en azote de la source de pollution. La valeur correspondante du 615~est donc de 6.2 I 0.5 Yw, valeur qui est assez fortement contrainte au vue de son incertitude. Si nous comparons cette valeur à celles mesurées sur l'ensemble des sources de pollution en NO3, il apparaît que deux types de sources ont des gammes de 615~correspondant à cette valeur : les fumiers et les eaux usées. Or les résultats de la Figure 30 montrent que l'influence des fumiers Étude isotopique de la nappe de l'île Chambon (Allier)

est négligeable. II apparaît donc que les eaux usées sont le vecteur principal de nitrates sur la zone d'étude. II est important de comprendre que cette valeur de Fq5Nde 6.2 %O est une valeur moyenne du pôle de pollution, mais que les points de prélèvement pris séparément n'identifieront pas obligatoirement cette source. La valeur moyenne de 6.2 %O représente alors un mélange des différentes sources de pollution mises en jeu. Cette remarque est soutenue par le fait que le coefficient de corrélation de la droite de régression est de 0.8 environ. Le fait, par contre, que l'erreur sur le Fi5~de la source de pollution soit assez faible (0.5 %) montre que, comme les échantillons couvrent un cycle hydrologique complet, les proportions de mélange entre les différentes sources de poli~tionest relativement constant au cours du temps.

Figure 33. Variations de tI5Nen fonction de l'inverse de la concentration en N03. Étude isotopique de la nappe de l'île Chambon (Allier)

L'étude des isotopes de I'azote semble donc indiquer que les eaux usées sont la principale source de nitrates sur la zone d'étude. II apparaît alors anormal que les analyses des effluents de stations d'épuration ne montrent pas une présence importante de NO3 (17.4 mg.1-' pour S' Rémy et en dessous du seuil de détection pour Vendat. En principe le traitement des eaux usées dans une station d'épuration vise, entre autre, à élimer I'azote afin de rejeter une eau "saine" dans l'environnement. D'une manière générale la méthode consiste à transformer I'azote en nitrates eux-mêmes transformés en azote gazeux selon un schéma identique au cycle de I'azote dans la nature (Figure

source carbonée 2 N03- - N02- -+ N2

/ NOrganique nitrification dénitrification eau brute oxydation de l'azote réduction des nitrates ammoniacal en en azote gazeux qui retourne assimilation nitrite puis en ainsi sous sa forme primitive azote partant nitrate dans l'atmosphère dans les boues en excès (synthèse bactérienne)

Figure 34 :Cycle de I'azote dans une station d'épuration

Ce processus est réalisé par des bactéries dénitrifiantes de type Bacillus, Paracoccus et Pseudomonas. Cependant, pour que le processus de dénitrification soit le plus efficace possible, il faut des bonnes conditions de vie pour ces bactéries, c'est à dire un pH, une température, une quantité d'oxygène dissous, etc. favorables aux bactéries. Un mauvais fonctionnement de la station, qu'il soit ponctuel, saisonnier ou en relation avec de fortes précipitations, peut donc induire un rejet d'azote sous une forme ou une autre en fonction de l'avancement du processus de traitement. II est ainsi possible que I'azote en sortie de station d'épuration se trouve sous forme d'ammonium (NH4),qui est ensuite réoxydé en NO3 dans le milieu. II ne faut pas non plus éliminer l'hypothèse de fuites des collecteurs en amont des stations d'épuration.

En partant de l'hypothèse que lors du processus de dépollution les eaux usées arrivant à la station d'épuration sont dénitrifiées, il est possible, à partir de nos données, de recalculer la composition isotopique en azote initiale des eaux usées. Les résultats de la Figure 30 ont permis de montrer que la concentration initiale du pôle STEP était de 70 rng.1-' de NOa. Si la STEP est la source majoritaire de pollution sur la zone d'étude alors son couple [NO3] - doit suivre la droite de régression calculée à la Figure 33 suivant [F'~N= (82 / NO3) + 6.2 %O]. Pour cette équation une concentration en NO3 de 70 mg.1-' donne un 615~de 7.4 %O.

Nous connaissons donc les caractéristiques de concentration en NO3 et en 615~du pôle STEP à la fois avant et après dénitrification. A partir de l'équation 1, il est alors possible de calculer le facteur d'enrichissement isotopique (E) lors du processus de dénitrification. Le résultat donne un E de - 6 %O, cohérent avec les valeurs observées dans la littérature et surtout indicateur d'une dénitrification rapide. Étude isotopique de la nappe de I'île Chambon (Allier)

La synthèse de ces données est reportée à la Figure 35. Sont reportées les caractéristiques du pôle STEP, ainsi que la courbe de dénitrification théorique. La figure est séparée en deux, correspondant aux deux principaux groupes de points identifiés par leurs concentrations en nitrates et chlorures (Tableau 10).

Figure 35. Modélisation du pôle initial de la STEP de S' Rémy.

Les concentrations en chlorures et nitrates avaient montré que les groupes nol étaient expliqués par un apport majoritaire d'un pôle de pollution de type STEP. Les résultats de la Figure 35 sont cohérents avec cette conclusion. Les points s'alignent sur une droite dont l'un des pôles est la signature de la STEP avant dénitrification. Pour les groupes n02, la situation est plus délicate, dans le sens où la droite est moins contrainte du fait d'une plus grande homogénéité des concentrations en NO3. D'autre part, 3 points (PZ12 et les Puits 2 et 4) sont distincts des autres et montrent clairement l'influence d'une source qui n'est pas la STEP, ce qui est en accord avec les conclusions obtenues par le diagramme CI - NO3 (i.e. identification des ammonitrates comme source de pollution).

5.3.2 Les isotopes du bore

Afin de renforcer les contraintes sur le traçage des sources de nitrates du bassin apportées par les isotopes stables de l'azote, une étude conjointe des isotopes stables du bore a été réalisée.

Le choix du bore a été motivé par le fait que c'est un élément conservatif, c'est à dire qu'il est peu sensible aux processus biologiques (Le. ils n'ont aucune influence sur sa composition isotopique), et notamment à celui de la dénitrification (Bernard et al., 1996). C'est de plus une systématique ayant déjà été utilisée avec succès dans le domaine du traçage de sources de nitrates dans l'eau (Widory et al., 2003). Sa composition isotopique peut néanmoins être modifiée par des interactions avec l'encaissant (dissolution, précipitation, adsorption, désorption) qui doivent être prises en compte dans l'interprétation des données. Étude isotopique de la nappe de l'île Chambon (Allier)

Les compositions isotopiques en bore (6"~)sont reportées en fonction de l'inverse de la concentration en B dans la Figure 36. Sur le même diagramme sont aussi reportées les valeurs mesurées sur les sources de pollution locales, ainsi que les gammes de valeurs issues de la littérature.

Les résultats montrent tout d'abord qu'il existe une différence entre la campagne basses eaux et celle des hautes eaux :

En basses eaux : les données se scindent en 2 groupes distincts : Le premier (Puits 1 et 4, PZI, 2, 3, 4, 5, 6, 7 et 10) montrent de manière non équivoque que la source majoritaire de pollution a une signature de type STEP, en accord avec les conclusions obtenues à la fois sur la chimie et les 615~. Le second groupe (Puits 2 et 3, PZ 8, 12 et 13) ne se place par sur l'alignement précédent. En hautes eaux : la tendance linéaire qui apparaissait clairement lors de la campagne de basses eaux, ne semble plus aussi évidente. Les points se scindent toujours en 2 groupes distincts, correspondant dans leur majorité à ceux précédemment observés (à l'exception notable de PZ8 et Pz 13). Pz 13 présente une signature identique à celle de l'Assainissement de St Rémy, en accord avec les isotopes du Sr qui montre une influence claire d'eau en provenance des coteaux Pour l'Allier la différence entre les 2 campagnes de prélèvement se traduit simplement par une dilution au moment des hautes eaux (Le. les 6"~ne varient pas, seule la concentration en bore diminue). Étude isotopique de la nappe de i'île Chambon (Allier)

I O 0.005 0.01 O 015 0.02 0.025 0005 001 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 I IIB (l.pgl) 1IB (I.pgEl') Fumkr blo r ------

. St Remy

P Alller amont Dilutlon ce ~llier$val amont

Figure 36. Variations des concentrations en bore et FE. Étude isotopique de la nappe de l'île Chambon (Allier)

Conclusions & Perspectives

Cette étude avait pour but d'identifier les sources polluantes à l'origine des teneurs importantes en nitrates dans les eaux du champ captant de I'lle du Chambon.

L'hydrogéologie et les circulation des eaux de de I'lle du Chambon sont fortement contraintes par l'étude des isotopes du strontium qui, dans le cas présent, ne sont pas marqués par I'influence anthropique. Cette systématique permet de mettre en évidence 2 circulations principales sur la zone d'étude. Une première correspond à la nappe des coteaux qui s'écoule vers la nappe alluviale perpendiculairement à l'Allier. On note clairement une intrusion des eaux de I'Allier dans la nappe alluviale en amont de la zone d'étude via la boire plate, et au niveau des puits AEP exploités. Une circulation dans la nappe alluviale par le biais de paléo-chenaux avec une trajectoire parallèle au fleuve n'est pas à exclure. Ces circulations sont constantes au cours du cycle hydrologique. Les rapports 87 ~r/%r montrent d'autre part qu'il n'existe pas de circulation profonde identifiable depuis les coteaux en connexion avec l'Allier.

Les indices, aussi bien chimiques qu'isotopiques, mettent en évidence une dénitrification naturelle pour les points d'eau se situant au niveau de la Boire Plate (i.e. PZ 1, 2 8 3). Pour l'ensemble des autres points de prélevement il n'existe pas de dénitrification naturelle. Les concentrations en NO3 mesurées reflètent réellement les contraintes des apports anthropiques, il est donc possible de s'appuyer sur ces concentrations. Un diagramme chlorures-nitrates montre alors que, parmi I'ensemble des sources potentielles de pollution, seules 2 semblent avoir une influence sur les eaux souterraines : les nitrates issus d'une source ayant une signature de type eaux usées, et dans une moindre mesure les engrais chimiques. Parmi les engrais les épandages d'ammonitrates semblent être le vecteur principal de pollution. II apparaît aussi que l'influence des autres types d'engrais, ainsi que de l'épandage de fumier est minime dans le cas présent.

Pour les stations d'épuration, une difficulté apparaît puisque l'analyse de leurs effluents montre peu (17 mg.1-' pour St Rémy) ou pas de NO3 (Vendat). Trois hypothèses sont alors envisageables :

1. Les concentrations en NO3 sont très variables au cours du temps dans les effluents. Les concentrations sont faibles et ont été diluées lors de la période de prélèvement (i.e. hautes eaux, pas de prélevement effectué en basses eaux). 2. 11 existe une fuite importante du réseau en amont de la station d'épuration. On ne mesure pas de NO3 en aval étant donné qu'ils sont éliminés lors de la dépollution des eaux. 3. L'azote dissous au niveau de la station d'épuration ne se trouve pas sous forme de nitrates (NO3), mais sous forme d'ammonium (NH,). Ce dernier est ensuite réoxydé en aval de la station pour donner du NOs. II est difficile de pouvoir vérifier cette hypothèse avec les données présentes dans cette étude, l'étude de l'ammonium serait un pré-requis pour vérifier cette hypothèse .

Les analyses isotopiques de l'azote et du bore démontrent et confirment les résultats précédents. Les S"N dans leur majorité peuvent très bien s'expliquer par des apports de type eaux usées. Le calcul des caractéristiques chimiques et isotopiques initiales de ce pôle de Étude isotopique de la nappe de l'île Chambon (Allier)

pollution, avant sa probable dénitrification, montre qu'il est cohérent avec les hypothèses émises. Les compositions isotopiques confirment de plus le processus de dénitrification naturelle au niveau des points d'eau le long de la Boire Plate. Comme pour les isotopes de l'azote, ceux du bore (uniquement influencés par les phénomènes de pollution, Le. mélange) corroborent la prépondérance d'un apport issu de rejet d'eaux usées.

L'ensemble de la chimie et des systématiques isotopiques semble donc désigner les rejets d'eaux usées comme source principale de pollution sur I'lle du Chambon, ainsi qu'une contribution moindre mais non négligeable des engrais de type ammonitrates.

Une meilleure compréhension de l'impact de ces sources de pollution, et notamment des variations de leurs contributions au cours du temps, passera par un suivi plus régulier des eaux ainsi que des sources de pollution potentielles, et plus particulièrement des effluents de stations d'épuration. Ce dernier point permettra de lever l'incertitude quant aux faibles teneurs en nitrates dans les effluents.

Dans la mesure où il serait possible d'échantillonner une eau non contaminée sur le site (ou tout du moins à proximité de celui-ci), cela permettrait d'obtenir les caractéristiques chimiques et multi-isotopique d'un pôle « non-pollué ». A partir de ce dernier, de simples lois de mélanges, nous permettraient de raisonner non plus en terme de tendance globale, mais de chercher à déterminer, en chaque point, sa (ses) source(s) de pollution propre(s). Étude isotopique de la nappe de l'île Chambon (Allier)

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