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Article technique
04. décembre 2020

Interview avec Pierre-Yves Jeannin

Les régions karstiques représentent une ressource en eau alternative

L’Institut suisse de spéléologie et de karstologie (ISSKA) a été fondé il y a plus de 20 ans pour offrir une compétence scientifique spécifique dans le domaine du karst. L’ISSKA modélise et développe des méthodes pour mieux comprendre et représenter le sous-sol en termes de géologie et d’hydrologie. Sur cette base, il est possible de proposer des solutions pour la recherche, l’exploitation, la gestion et la protection des eaux souterraines en milieu calcaire. Dans l’interview, Pierre-Yves Jeannin, directeur de l’ISSKA, décrit le travail de l’Institut et souligne l’importance des eaux souterraines karstiques en Suisse aujourd’hui et ce qu’elles pourraient signifier à l’avenir.
Margarete  Bucheli 
Quelle est l’importance des zones karstiques et des ressources en eaux souterraines karstiques en Suisse aujourd’hui?

Les zones karstiques affleurantes représentent un peu moins de 20% de la surface de notre pays, mais plus de 45% de la ressource en eau souterraine, car la quantité d’eau infiltrée dans le karst est largement supérieure à celle infiltrée dans les autres types d’aquifères.

«Les zones karstiques affleurantes représentent un peu moins de 20% de la surface de notre pays, mais plus de 45% de la ressource en eau souterraine.»

Dans quelle mesure ces ressources en eaux souterraines karstiques et leurs bassins d’alimentation sont-ils connus et caractérisés?

Jusqu’à récemment, à l’exception de quelques régions, les nappes d’eau souterraine karstiques n’étaient pas délimitées et les systèmes d’écoulement qui s’y développent – bassins d’alimentation et cheminement des eaux souterraines – n’étaient que très rarement décrits. En 2008 l’Office fédéral de l’environnement OFEV nous a demandé d’évaluer le volume d’eau souterraine compris dans les aquifères carbonatés de notre pays, ce qui nous a incité à formuler une approche basée sur la combinaison de facteurs géologiques et hydrologiques, et à l’appliquer grossièrement à l’échelle du pays. Parallèlement, nous appliquions cette idée pour écrire un chapitre de synthèse sur l’hydrogéologie de la région du Nord-vaudois pour la publication d’un inventaire spéléologique. Cet exemple prouvait l’applicabilité de notre approche.

Dans le cadre du projet SWISSKARST, un projet du programme de recherche PNR 61, l’approche KARSYS a été développée. En quoi consiste cette approche et quel était son objectif?

Cette approche vise à répondre à trois questions:

  • D’où provient l’eau d’une source karstique, en d’autres termes, quel est son bassin d’alimentation?
  • Quel est le cheminement des eaux souterraines?
  • Quel est l’extension et le volume des nappes d’eau souterraine karstiques (zones noyées)?

L’approche implique quatre étapes:

  • Hydrostratigraphie: Il faut en premier définir sur la base des connaissances géologiques, géomorphologiques et hydrologiques régionales quelles sont les roches karstifiées (les roches perméables qui constituent l’aquifère), respectivement aquicludes (imperméables).
  • Modèle géologique 3D: On crée alors un modèle géologique en 3D qui représente les unités hydrostratigraphiques dans l’espace afin de caractériser la géométrie des roches aquifères.
  • Zones noyées: On introduit ici la position exacte des sources karstiques dans cette géométrie 3D. Depuis les sources on estime un gradient hydraulique (généralement presque horizontal). Le volume de la couche situé sous la nappe est noyé, le volume situé au-dessus est non-saturé.
  • Systèmes d’écoulements: À partir de la vue 3D de la nappe et des roches karstifiées, il est relativement facile d’esquisser les principaux axes d’écoulement et donc de délimiter le bassin d’alimentation de la source.
Quels sont les résultats du projet SWISSKARST et de l’application de l’approche KARSYS?

Le projet SWISSKARST nous a permis de formaliser l’approche KARSYS (Karst System Characterization) et de l’ajuster en l’appliquant sur quelques dizaines de systèmes karstiques, principalement dans le Jura bernois et le canton de Vaud. L’approche a très vite intéressé les gestionnaires de l’eau (cantons, distributeurs) car le résultat est très concret (image 3D des écoulements souterrains). Le milieu académique a aussi vite vu l’intérêt de cette approche structurée et systématique, et plusieurs chercheurs de Slovénie, Espagne, France, Irlande, Chine sont venus chez nous pendant au-moins deux mois pour apprendre l’approche.

Où se trouve KARSYS aujourd’hui?

Devoir venir à l’ISSKA pour appliquer KARSYS était une limite très importante, c’est pourquoi nous avons proposé à l’OFEV de soutenir le développement d’une application Web qui permet à n’importe qui d’appliquer KARSYS depuis chez lui. Le projet Visual KARSYS a donc vu le jour en 2016 et, à partir de 2018, il est désormais possible de créer des modèles hydrogéologiques conceptuels et explicites en ligne. Grâce à un soutien complémentaire de l’OFEV, nous travaillons actuellement à améliorer cet outil qui est tout à fait fonctionnel maintenant. Nous donnons des cours en ligne toutes les 6 à 8 semaines, avec des participants du monde entier. Nous comptons plus de 300 utilisateurs qui nous poussent progressivement à élargir le champ d’application largement au-delà de l’hydrogéologie karstique (aquifères volcaniques, fissurés, problèmes de génie civil, etc.).
Un immense intérêt de Visual KARSYS est de pouvoir montrer explicitement en 3D les résultats d’une interprétation hydrogéologique. Une interface a donc été développée pour l’utilisateur final (p. ex. un employé chez un distributeur d’eau ou dans une administration). Il peut créer et sauvegarder ses propres cartes ou vues 3D à partir du modèle construit par le modélisateur. Cet outil web se révèle très utile pour communiquer et faire comprendre l’hydrogéologie à des non-spécialistes.

«Un immense intérêt de Visual KARSYS est de pouvoir montrer explicitement en 3D le résultat d’une analyse hydrogéologique.»

Comment KARSYS peut-il être appliqué dans la pratique? Pouvez-vous donner des exemples d’application?

L’approche a maintenant été appliquée à plus de 400 systèmes karstiques en Suisse pour répondre à des questions très diverses tels que l’évaluation des ressources en eau, l’établissement de règles pour l’implantation de sondes géothermiques, la délimitation de zones de protection, l’évaluation du potentiel de production hydroélectrique, l’évaluation des dangers de crue ou encore l’évaluation de l’impact de construction, de travaux d’assainissements de décharges, etc. Nous l’utilisons également comme base pour l’évaluation du karst lors du percement de tunnels.
On peut citer les exemples récents d’application aux cantons de Soleure et du Valais où, grâce à KARSYS, l’hydrogéologue cantonal a pu acquérir une vision très concrète des nappes et systèmes karstiques de son canton. Une telle représentation était particulièrement difficile dans ces régions où l'on trouve fréquemment superposés et plissés deux aquifères karstiques voire davantage. Avec Visual KARSYS, le travail est devenu très efficace et nous pouvons appliquer l’approche en quelques jours. Pour les cas simples, une journée peut parfois suffire.

Les modèles sont un outil important pour décrire le sous-sol karstique invisible. En comparant les résultats des simulations avec les mesures de terrain, les modèles conceptuels peuvent être améliorés. Quelles nouvelles connaissances sur les ressources karstiques souterraines et de surface avez-vous pu acquérir grâce à cette approche?

Il est tout d’abord important de rappeler que le résultat n’est qu’un modèle basé sur des données existantes. Ce n’est pas la réalité! Avec KARSYS les données utilisées apparaissent explicitement, ce qui permet à l’utilisateur d’évaluer l’incertitude. Pour le modélisateur, la construction même du modèle l’incite souvent à remettre en question ses idées ou même les données, et à identifier les lacunes. Il n’est donc par rare que l’on propose de compléter les données par des investigations ciblées sur une zone particulière qui parait importante et mal documentée. Le couplage de la géologie et de l’hydrologie dans KARSYS nous amène aussi souvent à remettre en question une hypothèse géologique (p. ex. le dessin d’un profil) car elle est contredite par des données hydrologiques (p. ex. un essai de traçage qui démontre une connexion évidente qui devrait selon le profil traverser une couche très imperméable). Le travail est donc itératif. Avec Visual KARSYS, le modèle géologique et l’interprétation hydrogéologique peuvent être ajustés en tout temps car toutes les données (géologiques et hydrologiques) sont intégrées dans une seule base de données et sont reprises automatiquement dans les étapes respectives de la modélisation.

Quels sont les impacts du changement climatique observés dans les systèmes karstiques souterrains suisses?

La température de l’eau augmente progressivement (plus ou moins parallèlement à celle de climat). La minéralisation de l’eau augmente également, car les sols sont actifs plus long-
temps au cours d’une année, produisant plus de CO2 qui permet de dissoudre plus de calcaire. La dissolution du calcaire ralentit d’ailleurs l’augmentation du CO2 dans l’atmosphère en fonctionnant comme un puits de carbone.
La quantité globale d’eau souterraine n’a jusqu’ici pas diminué et ne devrait d’ailleurs par vraiment diminuer dans le siècle à venir. Cependant, particulièrement dans le Jura et au Tessin, l’intensité des sécheresses et des crues devraient augmenter. Dans les Alpes, c’est plutôt l’inverse qui devrait se passer, avec un raccourcissement de la sécheresse hivernale liée au gel et donc davantage d’eau liquide au cours de l’année.

Quelle est l’importance de ces changements pour l’utilisation future des ressources karstiques souterraines?

Pour rappel, une des conclusions du PNR 61 sur la gestion des eaux en Suisse était que l’effet des activités humaines directes (développement urbain, agriculture, aménagements divers) a été et sera nettement plus grand que celui du changement climatique! On le voit déjà, puisque d’assez nombreux captages dans les aquifères alluviaux de nos plaines sont abandonnés car trop problématiques par rapport au développement urbain et à l’agriculture (p. ex. Chlorothalonil). Les régions karstiques, où le développement est plus modéré, gagnent actuellement du terrain, car elles représentent une ressource alternative.

L’utilisation des eaux souterraines karstiques pour la production d’eau potable n’est pas facile. Que faut-il prendre en compte pour exploiter correctement ces eaux?

C’est juste! Elles présentent deux problèmes principaux: une qualité bactériologique variable et l’apparition de turbidité pendant les crues. Il convient donc soit de traiter l’eau, soit de gérer dynamiquement la ressource en stoppant le captage lorsque ces problèmes apparaissent. Ceci implique toutefois de disposer d’une ressource alternative et d’une certaine capacité de stockage.

Quelles sont les particularités à prendre en compte lors de la désignation de zones de protection pour les captages d’eaux souterraines karstiques?

Une méthode spécifique au karst, nommée EPIK, a été développée dans les années 1990. Elle tient compte des conditions d’infiltration des eaux (pertes, couverture et épikarst), ainsi que des caractéristiques du système karstique souterrain. L’application de la méthode aboutit souvent à des zones de protection très étendues, ce qui pose un problème pour appliquer les
restrictions imposées par la loi. La méthode est actuellement en révision avec pour objectif de mieux cibler les zones particulièrement sensibles.

Les bases de la détermination des zones de protection dans les zones karstiques ont été adaptées il y a quelque temps. Dans quelle mesure ces ajustements ont-ils été ou sont-ils déjà mis en œuvre dans la pratique et quelle est l’expérience acquise?

Effectivement, la nouvelle ordonnance fédérale sur la protection des eaux introduit une distinction entre les zones de protection des captages en milieu très hétérogène (karst et milieux fissurés) et les milieux continus. Des zones Sh (où la vulnérabilité de l’aquifère est élevée; h = haute) et Sm (où la vulnérabilité est moyenne; m = moyenne) doivent s’appliquer dans le karst. L’intérêt de ces zones est, pour le canton qui doit faire appliquer les restrictions, de pouvoir les cibler au cas par cas en fonction des problèmes spécifiques du karst et d’un bassin particulier. Parallèlement, la révision en cours de la méthode EPIK tient également compte de cette nouveauté.

Les ressources en eaux souterraines karstiques de la Suisse font actuellement l’objet d’une nouvelle attention. Pourquoi?

Les métabolites du chlorothalonil ont été réévalués par l’Office fédéral de la sécurité alimentaire et des affaires vétérinaires OSAV et tous ont été jugés pertinents. Cela signifie que depuis la fin de 2019, la valeur maximale pour les pesticides et leurs métabolites pertinents fixée dans l’Ordonnance du DFI sur l’eau potable et l’eau des installations de baignade et de douche accessibles au public (OPBD), qui est de 0,1 µg/l, s’applique à ces substances. Les analyses d’eau de nombreux captages du plateau suisse, très agricole, dépassent la nouvelle valeur légale et des ressources alternatives doivent donc impérativement être trouvées. Les eaux karstiques représentent alors tout-à-coup une alternative ou un complément intéressant, car ces eaux n’en contiennent généralement pas.

«Les eaux karstiques représentent tout-à-coup une alternative ou un complément intéressant, car ces eaux ne contiennent généralement pas de pesticides ni leurs métabolites.»

Quelles idées et solutions sont proposées pour résoudre le problème actuel des métabolites du chlorothalonil dans l’eau potable utilisant les eaux souterraines karstiques?

Comme les eaux souterraines karstiques sont nettement moins contaminées par les pesticides et leurs métabolites, elles peuvent éventuellement être utilisées directement en lieu et places des eaux des aquifères superficiels du plateau qui sont davantage contaminées. Toutefois, les problèmes propres aux eaux karstiques (bactéries et turbidité) demeurent. Il est par conséquent plus intéressant de mélanger les eaux karstiques à celles des captages existants. Le mélange peut intervenir dans l’aquifère pollué, par infiltration artificielle depuis la surface ou par une sous-alimentation depuis les calcaires sous-jacents. Elle peut aussi intervenir en aval du captage par simple mélange dans le réseau de distribution. D’autres scénarii sont probablement aussi imaginables et le choix dépendra des conditions propres à chaque site.

Un projet à cet égard est actuellement en cours de lancement. Quels sont les objectifs et quelle est l’approche envisagée?

L’idée est d’évaluer les ressources potentiellement disponibles dans les calcaires et éventuellement la molasse le long du pied du Jura. Différents scénarii de mélange, mais aussi de captage des eaux karstiques sont à l’étude actuellement dans le cadre de ce projet pilote mené par l’OFEV, les cantons Soleure et Berne ainsi que la SSIGE (projet FOWA).

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