Prévision de l’évolution de la salure de la nappe d’Alsace au droit et en aval du bassin potassique

11.08.2016
GEODERIS a sollicité le BRGM en 2014 pour réviser le modèle de prévision de l’évolution de la salure de la nappe d’Alsace dans le secteur des Mines de Potasse d'Alsace (MDPA).

Ce modèle, réalisé par le BRGM entre 2003 et 2006, avait pour but d’estimer l’évolution de la salure de la nappe à long terme et de tester différents scénarii de pompage d’interception des panaches de saumure. Les résultats de simulation prévoyaient pour 2014 un nettoyage des langues salées observées dans la couche aquifère supérieure, avec la possibilité d’arrêter tous les puits de fixation et de dépollution. Or les observations faites en 2013 puis en 2014 s’éloignent sensiblement des prévisions. Ainsi, à fin 2014, les concentrations en chlorures simulées diffèrent significativement des concentrations observées (par exemple, fortes concentrations en chlorures observées à proximité immédiate des terrils, non prévues par le modèle). L’analyse rétrospective du modèle maillé de 2006 a montré que la conceptualisation des sources de chlorures adoptée dans le modèle est assez éloignée de la complexité du phénomène réel, ce qui s’explique par le fait que certains phénomènes n’avaient pas été appréhendés à cette époque (variabilité temporelle des flux massiques de sel entrants, présence de sources secondaires piégées dans les niveaux moins perméables de l’aquifère, processus de rétrodiffusion à partir de ces sources).

Les chroniques de chlorures aux puits de pompage ont été ré-analysées en termes de processus de transport. Il apparaît qu’une majorité de puits présente de faibles pentes de décroissance des concentrations, typiques de sources à comportement diffusif et signe de dépollution incomplète et/ou de la présence de saumures piégées dans l’aquifère ou s’y déplaçant lentement. Les travaux effectués en 2014-15 amènent à repenser la migration des saumures dans l’aquifère. Différents modèles conceptuels ont été testés et validés par simulation numérique de transport hydrodispersif, avec prise en compte des effets densitaires induits par les fortes concentrations en sel. Ces travaux ont permis de vérifier la validité d’une interprétation analytique des évolutions de concentration en lois de puissance, et ils améliorent très significativement la compréhension du rôle joué par la stratification du milieu géologique sur les processus de transport hydrodispersif.

Au travers de cette approche théorique, les nombreux résultats de simulation obtenus permettent de proposer une meilleure interprétation de l’évolution de la salinité dans la nappe d’Alsace. Les compléments d’étude, en cours en 2016, fourniront des prévisions réalistes d’évolution de la salinité en aval de chacun des terrils.

Vue du Terril Anna en 2004 (Wittenheim, Alsace) © MDPA

Vue du Terril Anna en 2004 (Wittenheim, Alsace). © MDPA

Contexte

La salure de la nappe d’Alsace provient de terrils formés à partir de résidus d’extraction de la potasse entre 1930 et 2002. Sous l’effet des pluies et d’arrosages intentionnels destinés à dissoudre les terrils, des saumures denses se sont infiltrées dans l’aquifère. Les observations récentes divergeant des prévisions de dépollution préalablement retenues, GEODERIS a sollicité le BRGM en 2014 pour réviser le modèle de prévision de l’évolution de la salure de la nappe d’Alsace dans le secteur des Mines de Potasse d'Alsace (MDPA).

Objectif

L’objectif était, dans un premier temps, de déterminer les raisons et les mécanismes de cette pollution persistante, puis de développer une méthodologie d’interprétation permettant de prévoir l’évolution de la salure sur la base des observations actuelles.

Programme des travaux

L’étude s’est déroulée en trois phases. Lors de la première phase, une étude bibliographique a été menée sur les travaux réalisés depuis de nombreuses années sur le site : études géologiques, hydrogéologiques, géochimiques, géophysiques et modélisation hydrogéologique. L’objectif de cette phase était d’évaluer les possibilités de reconstitution de l’historique des terrils, qui constituent les sources de chlorures, et de collecter les données nécessaires à une modélisation numérique des écoulements. Une interprétation des données nouvellement acquises a permis de mettre en évidence un stockage de la salure dans des horizons argileux intercalaires et leur restitution différée dans l’aquifère par des processus à dominante diffusive.

La deuxième phase a consisté en une modélisation hydrodispersive densitaire avec le code de calcul du BRGM, MARTHE. Plusieurs modèles génériques ont été élaborés (géométries, sources de salure, etc.). Cette phase a permis de définir le cadre théorique nécessaire à l’analyse des chroniques de chlorures et de développer une méthodologie de réinterprétation.

Enfin, la troisième phase de l’étude (toujours en cours) a pour but d’évaluer les temps de pompage nécessaires à une dépollution avancée du site. Cette troisième phase comprend l’interprétation de plus de 200 chroniques de chlorures au niveau des puits de dépollution et des piézomètres de suivi sur une période allant de 1988 à 2015.

Résultats obtenus

La première phase d’interprétation des données disponibles a permis d’évaluer l’état des connaissances et leurs limites. Compte tenu des incertitudes sur les masses de saumure infiltrées dans l’aquifère, il a été décidé d’exploiter les chroniques de concentration en chlorures mesurées dans les puits pendant le suivi de la pollution, de 1988 à 2014.

L’assimilation des chroniques de chlorures au niveau des puits de pompage et des piézomètres de suivi à des essais de traçage et leur interprétation en tant que tel, a permis d’apporter de nouveaux éléments à la compréhension du système.
Ceci a notamment permis de différencier la composante advective du signal (s’écoulant directement avec l’eau de l’aquifère et dont le moteur est le gradient de charge hydraulique) de la composante diffusive (dont le moteur est le gradient de concentration) plus lente et liée au relargage des salures depuis les zones plus argileuses où elles sont piégées. Cette interprétation s’est basée sur des solutions analytiques pour les phases à dominante advective et sur le calage de lois de puissance sur les longues queues de restitution correspondant à la phase diffusive.

Des modélisations conduites sur des modèles théoriques simples ont permis de :

  • restituer les comportements en loi de puissance des panaches salés via le déstockage de saumures piégées dans des horizons peu perméables (phénomène de rétrodiffusion) ;
  • valider les interprétations des comportements diffusifs ;
  • expliquer la variabilité des pentes des lois de puissance par différentes configurations géométriques et  processus de stockage ;
  • évaluer l’impact des paramètres hydrodynamiques sur le comportement à long terme des panaches de salure ;
  • valider des phénomènes de stockage/déstockage de sel dans le milieu sur de larges échelles de temps ;
  • démontrer la vraisemblance d’un phénomène de stockage de sel dans des zones ou couches peu perméables, de type argileux, limitant de facto l’efficacité d’une dépollution par puits de fixation et allongeant les durées de pompage ;
  • montrer que la présence de sources secondaires naturelles, telles que des diapirs, n’est pas nécessaire pour expliquer les évolutions de salinité observées et la présence sur des temps très longs de concentrations importantes induisant les longues queues de restitution;
  • confirmer numériquement la propension d’un soluté dense à migrer verticalement par gravité plutôt qu’horizontalement en suivant le déplacement de la nappe (cas testés principalement dans des conditions isotropes) ;
  • quantifier numériquement, dans des conditions réalistes, la capacité d’un soluté dense à traverser des couches d’argile de plusieurs mètres d’épaisseur ;
  • montrer la capacité de modèles génériques simples, aux propriétés relativement homogènes, à représenter les évolutions de concentration observées aux puits ;
  • proposer, in fine une méthodologie opérationnelle pour interpréter les évolutions de concentration aux puits.

La dernière phase de cette étude, actuellement en cours, permettra de faire des prévisions réalistes de dépollution du site dans les conditions d’écoulement actuelles et de cartographier de manière précise l’évolution spatiale de la dépollution grâce à la quantité de données et au grand nombre de puits de suivi.

Partenaire

GEODERIS

 Cartographie de la pollution saline de l'aquifère inférieur de la nappe d'Alsace au niveau du bassin potassique (Corbel et al., 2015)

Illustration 1 : Cartographie de la pollution saline de l'aquifère inférieur de la nappe d'Alsace au niveau du bassin potassique (Corbel et al., 2015).

 Schémas conceptuels de stockage et de relargage de la salure

Illustration 2 : Schémas conceptuels de stockage et de relargage de la salure.

 Validation numérique aux temps longs des phénomènes de déstockage

Illustration 3 : Validation numérique aux temps longs des phénomènes de déstockage.

 Estimation des seuils de dépollution par loi de puissance

Illustration 4 : Estimation des seuils de dépollution par loi de puissance.