[PDF] Isotopes de lenvironnement dans le cycle hydrologique

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COLLECTION COURS DE FORMATION

31

Isotopes de

l'e nvironnement dans le cycle hydrologique

VIENNE

,2008

Volume I

Isotopes de

l'environnement dans le cycle hydrologique INTERNATIONAL ATOMIC ENERGY AGENCY, VIENNA 2008TRAINING COURSE SERIES No. 31 Cette traduction n'a pas été faite par l'Agence internationa le de l'énergie atomique. La version authentique est la version anglaise distribuée par l'AI

EA, ou en son nom par

des personnes dûment autorisées. L'AIEA ne donne aucune garantie et n'assume aucune responsabilité en ce qui concerne la précision, la qualité, l' authenticité ou l'exécution de la traduction et de sa publication et n'accepte aucune responsabilité pour toute perte ou tout dommage, consécutif ou autre, découlant directement ou indirectement de l'utilisation de cette traduction. NOTE L e présent ouvrage a été plublié par l'

AIEA et l'UNESCO en anglais

(en six volumes) en 2001, dans le cadre du Programme PH I V de l'

UNESCO

(documents techniques en hydrologie, n°39). I l paraît maintenant, avec une nouvelle présentation, en français (en un volume) dans la collec tion C ours de formation de l' AIEA La disponibilité de l'eau douce est un des grands problèmes auquel l'humanité doit faire face aujourd'hui - en un sens le plus important - parce que les problèmes qui y sont associés af fectent la vie de plusieurs millions de personnes. Cela a donc attiré l'attention a l'échelle internatio- nale des organismes des Nations Unies et des or- ganisations internationales et régionales gouver- nementales et non-gouvernementales concernées.

L'accroissement rapide de la population couplé

à l'augmentation régulière de la demande en eau pour le développement agricole et industriel ont imposé un stress sévère sur les ressources en eau douce disponibles à la fois en terme de quantité et de qualité, nécessitant une évaluation et une gestion constante et attentive desdites ressources pour un développement durable. De l'eau de meilleure qualité et en plus grande quantité ne peut être obtenue sans la poursuite et l'extension des recherches en hydrologie. Dans cette optique, le développement et la mise en pra et la gestion des ressources en eau font partie des priorités des programmes de l'AIEA dans le ca dre des applications nucléaires depuis les quatre dernières décennies. Les études isotopiques appli- quées à un large éventail de problèmes hydrolo giques liés aussi bien aux eaux de surface et aux eaux souterraines qu'aux études environnementa- les dans des systèmes hydro-écologiques, corres établie, souvent présentée sous le terme hydrolo gie isotopique. L'AIEA a contribué à ce dévelop pement au travers de supports à la recherche et à topiques au travers de projets de terrain conduits dans les Etats Membres.

Le programme de la Décennie mondiale de l'hy

drologie (1965-1974) suivi par le Programme hydrologique international à long terme de l'UNESCO ont constitué un support essentiel aux réseaux internationaux reconnus pour la recher- le domaine de l'hydrologie. L'Agence interna- tionale de l'énergie atomique et l'UNESCO ont

établi une coopération étroite au travers à la fois de l'ancien réseau IHD et de l'actuel réseau IHP

ces en eau et d'un intérêt mutuel dans le cadre des programmes des deux organisations. La première publication marquante en hydrologie isotopique, intitulée Manuel des techniques nu cléaires en hydrologie a été réalisée en 1983 à la suite des activités du groupe de travail conjoint

AIEA/UNESCO sur les techniques nucléaires,

dans le cadre de l'IHP, et a été largement utili- sée en tant que guide pratique dans ce domaine Du fait que les objectifs de l'IHP incluent une ap proche multidisciplinaire pour la recherche et la gestion rationnelle des ressources en eau qui prend en compte les avancées réalisées dans le domaine de l'hydrologie isotopique, l'AIEA et l'UNESCO ont initié une activité conjointe de préparation d'une série de six volumes, couvrant l'ensemble des domaines de l'application des isotopes natu rels en hydrologie (isotopes de l'environnement) jusqu'au domaine des ressources en eau et études environnementales associées. Le principal objectif de cette série est de donner une vision étendue des concepts et principes de base théorique des méthodes de l'hydrologie iso topique et de leurs applications pratiques avec quelques exemples choisis. Les volumes sont qués dans les recherches ou les applications prati ques de l'hydrologie isotopique en tant que partie le développement et la gestion des ressources en eau. De plus, il est aussi attendu qu'ils servent de matériel d'enseignement ou livres de base à uti liser dans les universités et institutions d'ensei de l'eau » en général dans le cursus des sciences de la terre. Additionnellement, le contenu peut remplir les besoins de connaissance de base dans d'autres disciplines des sciences de la terre trai- tant de l'eau en général.

PRÉFACE

Ces six volumes ont été préparés avec la contri- bution de nombreux auteurs impliqués dans ce me), sous l'égide et la coordination de l'éditeur, auteur/coordonnateur désigné pour chacun des volumes: W.G. Mook (Pays-Bas), J. Gat (Israël),

K. Rozanski (Pologne), W. Stichler (Allemagne),

M. Geyh (Allemagne), K.P. Seiler (Allemagne) et

Y. Yurtsever (AIEA, Vienne) ont participé en tant qu'éditeurs principaux auteurs/coordinateurs à la d'édition de tous les volumes dans le but d'ho de toute la série a été effectué par W.G. Mook (Pays-Bas).

M. Y. Yurtsever, membre permanent de la Section

de l'hydrologie isotopique de l'AIEA, et Mme A.

Aureli, responsable de programme à la Division des sciences de l'eau de l'UNESCO, ont été les

verses réunions et activités qui ont été organisées tout au long de la préparation de ces publications.

L'AIEA et l'UNESCO remercient tous ceux qui

ont contribué a la préparation de ces volumes et sont très reconnaissants des efforts et contri- butions des principaux auteurs et éditeurs co- ordinateurs. Nous espérons que ces six volumes contribueront à de plus amples applications des méthodologies isotopiques pour la connaissance et la gestion des ressources en eau, faciliteront l'incorporation de l'hydrologie isotopique dans le cursus d'ensei gnement et d'éducation des sciences de l'eau, et conduiront à des développements futurs dans ce Les six volumes sur l'hydrologie isotopique réa- lisés par un groupe de travail conjoint AIEA/

UNESCO constituent un outil de base pour les

développement et la gestion quantitative et/ou qualitative des ressources en eau. Cette série, coordonnée par W.G. Mook, a été conçue aussi bien pour les praticiens de l'étude et de la ges tion des hydro-systèmes que pour les enseignants chargés de la formation des étudiants et du recy clage des cadres techniques. L'utilisation de la langue anglaise est maintenant plus ou moins universellement adoptée dans le ticulier le cas en Europe et on peut se poser la question de l'utilité d'une version française. Plus de dix années d'expérience relative aux projets de développement, ou à la formation de stagiaires au laboratoire d'hydrogéologie d'Avignon, dans le cadre des programmes de coopération technique de l'AIEA, m'ont convaincu que l'absence de do cument en français était un frein au développe- ment des techniques isotopiques dans les pays du sud francophones. Par ailleurs, le français est une avec les encouragements et l'aide de C.B. Gaye, à la Section de l'hydrologie isotopique, l'accord bienveillant de P.K. Aggarwal, chef de cette même section, et le soutien du Département de la coopération technique de l'AIEA, nous avons en trepris ce travail de traduction. Ce fut une tâche longue et fastidieuse, les termes techniques n'ayant pas toujours leur équivalent d'une langue à l'autre, ou parfois des sens très lé gèrement différents. Pour éviter toute erreur d'in que possible au texte original, peut être parfois, un peu, au détriment du style. Nous nous sommes tations du texte original, même si elles n'avaient pas toujours notre assentiment. Elles restent donc, bien évidemment, de la responsabilité des auteurs de la version originale. Je dois remercier toutes les personnes, étudiants ou collègues, qui m'ont apporté leur aide par des traductions préliminaires de chapitres ou de pa ragraphes, et des corrections dans les domaines techniques qui m'étaient peu familiers. Je remer- cie en particulier E. Gibert et Tamrat Endale pour volumes devrait faire l'objet d'un résumé syn ce manuel, à l'usage des hydrologues et hydro géologues praticiens, souvent peu informés des conditions d'utilisation des méthodes isotopiques, devrait leur permettre d'appréhender, clairement, dans quels cas et avec quels objectifs ils peuvent faire appel à ces techniques pour résoudre leurs problèmes avec l'aide d'un spécialiste. La mise en page du document a été réalisée par

Mr. Ewaryst Izewski, tandis qu'une relecture et

des corrections ont été effectuées par Ms. Ravina

Brizmohun.

Avignon, août 2005

Yves Travi

PRÉFACE VERSION FRANÇAISE

TABLE DES MATIÈRES

VO LUM E I 1.

LE CYCLE GLOBAL DE L'EAU

..................1 2. SYSTEMATIQUE ATOMIQUE ET STRUCTURE NUCLEAIRE ..............................................21 3. ABONDANCE ET FRACTIONNEMENT DES ISOTOPES STABLES .....................................25 4.

VARIATIONS

DES ABONDANCES PAR LES PROCESSUS NATURELS ..............................37 5.

ECROISSANCE

ET PRODUCTION DES RADIONUCLEIDES ...............................................47 6. EQUATIONS DE DÉSINTÉGRATION ET CROISSANCE RADIOACTIVE ...........................53 7. ABONDANCES NATURELLES DES ISOTOPES STABLES DE C, O ET H ...........................59 8.

BONDANCES

NATURELLES

DES

ISOTOPES

RADIOACTIFS

DE C

ET H .........................81

9.

CHIMIE DE L'ACIDE CARBONIQUE DANS L'EAU ...............................................................93

10.

ECHANTILLONNAGE

DE L'EAU ET TRAITEMENT AU LABORATOIRE .......................107 11.

TECHNI

Q UES DE

MESURES

...........................115 12.

ISOTOPES

NATURELS

DES L MENTS AUTRES QUE H, C, O .......................................137 13.

ERREURS

MOYENNES

ET AJUSTEMENTS ......................................................................155 R

EFERENCES

VO LUM E II 1. L' ATMOSPHÈRE ........................................................................ 2. LA MÉTHODE ISOTOPIQUE ........................................................................ ...........................179 3. PROCESSUS CONCERNANT LES ISOTOPES STABLES DANS LE CYCLE DE L'EAU ........................................................................ 4.

EFFETS

ISOTOPI

Q UES

OBSERV

S DANS LES

PRECIPITATIONS

...................................203 5.

TRITIUM DANS L'ATMOSPHÈRE ........................................................................

..................215 6.

ISOTOPES DE CO

2 ET O 2 ATMOSPHERIQUES ......................................................................223 R

EFERENCES

VO LUM E III 1. CONCEPTS DE BASE ET MODELES ........................................................................ ..............247 2. LES RIVIÈRES ........................................................................ 3. LES ESTUAIRES ET LA MER ........................................................................ .........................279 4. LACS ET RÉSERVOIRS ........................................................................ ...................................285 5. REPONSE DES SYSTEMES HYDROLOGIQUES AUX CHANGEMENTS

CLIMATI

Q UES REFERENCES ........................................................................ VO LUM E IV 1. HYDROGEOLOGIE ET CARACTÉRISTIQUES DES AQUIFÈRES .....................................325 2. TRACEURS ET TRANSPORT ........................................................................ ...........................335 3. ASPECTS HYDRODYNAMIQUES ........................................................................ ..................341 4. INTERACTIONS EAU-ROCHE ........................................................................ ........................351 5. APPLICATIONS AUX SYSTÈMES BASSE-TEMPÉRATURE ...............................................357 6. APPLICATIONS AUX SYSTÈMES HAUTE TEMPÉRATURE ..............................................399 7. CONCEPTION ET INTERPRETATION DES ETUDES ISOTOPIQUES MULTIPLES .........421 R

EFERENCES

VO LUM E V 1. VULNERABILITÉ DES AQUIFÈRES ET EVALUATION DE LA POLLUTION ..................443 2. EXPLOITATION ET SUREXPLOITATION DES EAUX SOUTERRAINES ........................455 3. L'IRRIGATION ET SON IMPACT SUR LA QUALITÉ DE L'EAU SOUTERRAINE ......467 4. IMPACT DE L'URBANISATION SUR LES EAUX SOUTERRAINES ...................................475 5. IMPACT DE L'OCCUPATION DES SOLS SUR LA QUALITE DE L'EAU

SOUTERRAINE

6.

ECHANTILLONNAGE

DE L'EAU-QUANTITÉS, MÉTHODES, PRÉCAUTIONS ..............489 7.

PERSPECTIVES

POUR DE

FUTURES

APPLICATIONS ........................................................495 R

EFERENCES

VO LUM E VI 1.

INTRODUCTION À LA MODÉLISATION ........................................................................

......507 2. LES MODELES EMPIRIQUES ........................................................................ .........................509 R

EFERENCES

3. SIMULATION DES ECOULEMENTS SOUTERRAINES A PARTIR DE MODELES A COMPARTIMENTS ........................................................................ R

EFERENCES

4. UTILISATION DE MODÈLES NUMÉRIQUES POUR SIMULER LES PROCESSUS D COULEMENT ET DE TRANSPORT DANS LES EAUX SOUTERRAINES ...................557 R

EFERENCES

VOLUME I

INTROD

UCTION

TH

ORIE, M

T

HODES, REVUE

W ILLEM G. M OOK

Centre for Isotope Research,

Groningen

He HeC CH Ar Kr C Ar H ruissellement précipitation i nfiltration r echargedéchargeévaporation

Isotopes

Environnementaux

dans le Cycle

Hydrologiquetranspiration

Contribution de

J.J.de Vries, Free University, Amsterdam

Titre original en Anglais:

Environmental Isotopes in the hydrological cycle. Principles and applica tions IHP-V Technical Documents in Hydrology, Nº 39. UNESCO - IAEA 2001 Le premier volume de cette série de manuels sur les isotopes environnementaux dans le cycle hy drologique est issu d'une révision et pour partie d'une extension des notes que j'ai utilisées pen dant les années où j'enseignais aux étudiants de l'Université Libre d'Amsterdam, un cours an nuel sur l'hydrologie isotopique. Pendant ces an nées, mon collègue et ami, Joe Pearson, et moi- même avions décidé de publier nous-même les notes de cours, mais nous n'avons pas trouvé le temps d'accomplir cette tâche. Aujourd'hui, je réalise tout ce qu'il m'a appris et je lui en suis très reconnaissant. nitions et l'utilisation des symboles ne sera jamais assez soulignée. Dans ce volume d'introduction, j'ai insisté sur la cohérence et la précision mathé- matique et physique. Toutefois, il n'a pas été pos sible, pour des raisons historiques, de maintenir cette cohérence dans les volumes suivants. Le second point important de ce volume a été de ne présenter aucune équation traitant des isotopes sans l'associer aux dérivées correctes et compré hensibles. Après un chapitre introductif sur le cycle hydro logique, ce volume présente les principes de la radioactivité et des réactions isotopiques pour les isotopes stables. Les éléments hydrogène, car- bone et oxygène sont traités en détail, puisqu'ils dans le cycle de l'eau. La contribution des autres applications concrètes en hydrologie, ici présen -tées seulement de manière illustrative, sont déve- loppées beaucoup plus en détail par mes collègues dans les volumes suivants. Nous avons estimé qu'il était préférable que des sujets d'intérêt plus général pour les autres vo lumes, tels que la chimie aqueuse du carbone inorganique, le traitement des échantillons d'eau sur le terrain ou en laboratoire, les techniques d'analyses isotopiques, ou encore le traitement statistique des données, soient abordés dans le premier volume. Les 6 volumes de cette série sont conçus comme des manuels. Ceci conduit à des obligations dif férentes de celles des livres habituels. En particu- lier, dans ce volume d'introduction, je n'ai donné qu'un nombre limité de références bibliographi- ques, pour une lecture plus facile du texte.

Je dois une profonde reconnaissance aux plus

pour leur assistance dans la lecture du manuscrit, qui a permis de faire de multiples corrections, et de pointer les sujets qui faisaient défaut ainsi que les explications qui n'auraient pas été bien comprises. A mes collègues co-auteurs de cette série, je veux exprimer ma gratitude pour notre co-opération plaisante et hautement stimulante.

Groningen, 29 février 2000

Willem G Mook

P

REFACE

A

U VOLUME I

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