Système de surveillance de la zone vadose 

L a contamination des eaux souterraines d’origine anthropique est le résultat des activités développées à la la surface terrestre et sur la couche superficielle terrestre. Les contaminants sont transportés à travers la zone vadose (ou zone non saturée – ZNS qui est la partie du sol ou du sous-sol située à l’interface entre atmosphère-pédosphère et la nappe phréatique) jusqu’aux eaux souterraines en dessous, imposant de de graves menaces pour la qualité des ressources en eau connexes telles que les rivières et les lacs, soutenant parfois des écosystèmes dépendants des eaux souterraines. Un décalage de de plusieurs années à plusieurs décennies existe entre les processus se produisant dans la zone racinaire et leur empreinte finale sur la qualité des eaux souterraines . Cela empêche une prise de décision appropriée sur l’utilisation des terres et la gestion des ressources en eaux souterraines. Une solution clé est la surveillance de la zone vadose (ou zone non saturée).

L’étude présentée dans cette fiche a mis en œuvre un système innovant, le Vadose-zone Monitoring System™ (VMS) de Sensoil, qui permet une surveillance continue et la collecte d’échantillons d’eau directement à partir de la zone vadose, fournissant un suivi continu et en temps réel de la percolation de l’eau et du transport des contaminants à travers la zone vadose, depuis la terre surface vers les eaux souterraines. Une fois installé, le VMS forme une station de surveillance accessible (ou un réseau de stations) de la zone vadose.

Entité responsable

Sensoil Innovations Ltd. (Fig. 1) est une entreprise développant et mettant en œuvre des technologies et des solutions intelligentes de détection du sol, pour la protection des eaux souterraines et de l’environnement.

Fig. 1 – Logo de Sensoil

Fondée en 2013 pour commercialiser les technologies souterraines développées à l’Université Ben Gourion du Néguev en Israël, et notamment la technologie brevetée Vadose-zone Monitoring™ (VMS) de Sensoil.

Les deux principales entités liées à cette étude sont (Fig. 2) l’Université Ben Gourion du Néguev (Sde Boker Campus, Negev 84990, Israël) et The Volcani Center, Agricultural Research Organization (P.O. Box 6, Bet Dagan 50250, Israël) .

Fig. 2 – Logo des entités

Explication détaillée

La protection des ressources en eaux souterraines contre la contamination est vitale pour la protection et l’utilisation durable de cette importante source d’eau. 

Dans la plupart des situations, la qualité des eaux souterraines est évaluée et échantillonnée à partir de puits et, par conséquent, la concentration de contaminants peut déjà être à des niveaux qui conduiront à la disqualification de l’aquifère en tant que source d’eau potable, débit de base pour les rivières ou support de l’écosystème (cf. Fig. 4).

Fig. 4 – Illustration de la lixiviation de la contamination à travers la zone vadose jusqu’à atteindre les eaux souterraines 

(https://sensoils.com/technology/)

On a estimé que le temps de transfert des contaminants dans la zone vadose profonde prend des semaines à des décennies, selon le régime hydrique, l’épaisseur de la zone vadose et les caractéristiques lithologiques du sous-sol (Spalding et al., 2001; Scanlon et al., 2010 ). Le devenir et le transport des contaminants sous la zone racinaire dépendent de questions telles que la recharge, la variabilité spatiale du sol, la chimie et la biologie du sol. Par conséquent, les estimations des flux dans la zone vadose ont montré des différences significatives entre la période et les concentrations. De plus, l’effet cumulatif des contaminants s’échappant de la zone racinaire à travers la zone non saturée, sur les niveaux de contaminants dans les eaux souterraines, est brouillé par le mélange et la dilution dans l’eau de l’aquifère.

La connaissance du décalage temporel, entre le début d’un processus de contamination dans la zone vadose et son effet final sur la qualité de l’aquifère, est fondamentale pour donner aux décideurs la possibilité de mettre en œuvre des mesures et pour leur donner plus de temps pour planifier d’éventuels programme alternatifs d’approvisionnement en eau.

Le système de surveillance de la zone vadose Sensoil est un outil récemment développé qui permet de surveiller en continu les propriétés hydrologiques et chimiques de l’eau de percolation dans la zone vadose profonde en milieu agricole (Turkeltaub et al., 2014, 2015) et d’autres milieux hydrologiques (p. Dahan et al., 2009 ; Baram et al., 2013) (Fig. 5).

Fig. 5 – Illustration schématique du système de surveillance de la zone vadose, non à l’échelle. (a) Vue latérale et zoom avant des unités de surveillance : ports d’échantillonnage d’eau interstitielle de la zone vadose (VSP) et réflectomètres flexibles dans le domaine temporel (FTDR). (b) Toutes les données sur la teneur en eau sont enregistrées et les échantillons d’eau sont collectés via un panneau de contrôle unique. (c) Vue de dessus, huit parcelles surveillées. Les parcelles sont numérotées et colorées selon les schémas de traitements référencés dans Weissman et al., 2019

(https://doi.org/10.1002/vzj2.20041)

Les données collectées par le système comprennent des mesures directes des flux de percolation de l’eau et de l’évolution chimique de l’eau de percolation sur l’ensemble de la zone vadose.

Le « Vadose-zone Monitoring System » (VMS) (Fig. 6) est composé de manchons souples (1) mis en place dans des forages non tubés et inclinés. Les manchons souples accueillent plusieurs unités de surveillance, réparties sur sa longueur. Chaque unité de surveillance comprend : des capteurs de teneur en eau, des ports d’échantillonnage de la zone vadose et des ports d’échantillonnage de gaz pour un échantillonnage fréquent de la zone vadose. La collecte des données VMS et l’échantillonnage de l’eau sont gérés via le panneau de contrôle unique de Sensoil, installé sur site (2). L’accès complet aux données en temps réel est disponible de n’importe où, via le cloud (3). L’accès aux données est dédié et personnalisé à chaque client (4).

Le manchon VMS est constitué d’une fine doublure flexible résistante aux produits chimiques, avec des unités de surveillance intégrées sur toute sa longueur. Toutes les unités de surveillance sont connectées à un panneau de contrôle installé à la surface du sol. Il est adapté pour une installation dans un trou de forage de 6″ de diamètre foré à 35º (à la verticale), 55º (à l’horizon). Les sondes de réflectométrie flexible dans le domaine temporel (FTDR) pour la surveillance des sédiments permettent une mesure continue de la teneur en eau et de la température des sédiments. Chaque capteur FTDR est testé pour sa qualité et ses performances et pré-étalonné pour la mesure de la permittivité dans un milieu de test aux propriétés diélectriques connues.

Fig. 6 – « Vadose-zone Monitoring System » (VMS)  de Sensoil

(https://sensoils.com/technology/)

Le prélèvement de l’eau interstitielle de la zone vadose par le VSP (Vadose Sampling Port) est similaire aux tensiomètres et ventouses standards, la continuité hydraulique est réalisée via un milieu poreux souple fin. Le VSP fonctionne à travers un ensemble de tuyaux d’accès de petit diamètre et de vannes de régulation. Le VSP est installé sur le manchon VMS avec le FTDR (flexible time-domain reflectometer). La sonde de prélèvement de gaz (GSP) permet de prélever la phase gazeuse à proximité du VSP. Ainsi, la comparaison de la teneur en contaminant dans les phases aqueuse et gazeuse peut être réalisée sur l’ensemble de la zone vadose.

Le panneau de commande est enfermé dans un placard standard protégé contre les intempéries. Un ensemble de vannes de collecteurs de pression et de manomètres dans le panneau de commande permet un accès direct à chacune des unités de surveillance pour un échantillonnage fréquent et un entretien régulier.

Un enregistreur de données est utilisé pour collecter des données sur la teneur en eau, les mesures de température et de pression. Il fournit alors des données continues en temps réel et des avertissements avancés pour les solutions d’aide à la décision. Le logiciel est capable de recevoir, de stocker, d’enregistrer des données, de traiter, de produire des chartes graphiques, d’envoyer et d’accéder aux données brutes et traitées. L’accès est dédié et personnalisé par client. Toutes les données sont protégées par des normes de sécurité de haut niveau et conformément à la politique de confidentialité requise.

La figure 7 montre un exemple des résultats qui peuvent être obtenus en utilisant le système Sensoil. L’objectif de cette étude était de démontrer l’écoulement de l’eau et le transport des nitrates à travers la zone vadose profonde sous-jacente au champ de culture, en relation avec les régimes de pluie ainsi que la configuration agricole et de fertilisation.

Il est possible de voir la migration des nitrates plus profondément dans la zone vadose pour différentes profondeurs et l’effet des hivers pluvieux (par exemple 2012/13), avec des percées substantielles de nitrates perceptibles dans la majeure partie de la section transversale de la zone vadose (marquée par des flèches sur la Fig. sept).

Fig. 7 –Série chronologique des concentrations de nitrates (NO3-) observées dans la zone vadose et des précipitations quotidiennes pendant six années consécutives  (https://sensoils.com/technology/)

La série chronologique de concentration de nitrate, qui comprenait des variations de nitrate dans le temps et à plusieurs profondeurs, a révélé, en temps réel, une importante impulsion de masse de nitrate se propageant à travers la zone vadose vers la nappe phréatique. Ces résultats indiquent que les flux de nitrates dans la zone non saturée sous-jacente aux utilisations des terres agricoles étaient associés à des taux d’application d’azote élevés et à des sols à texture grossière. En outre, les événements de pollution qui proviennent de l’utilisation des terres agricoles peuvent être surveillés à leurs débuts, bien avant que la pollution ne s’accumule dans l’eau de l’aquifère.