L’eau’gique #12 : Quand l’exploitation excessive des eaux souterraines fait émerger des risques de contamination à l’arsenic…

Lettuce Field in Coachella Valley, California, United States.

Aujourd’hui, je vais vous parler d’une région du monde où l’extraction d’eau souterraine a causé une baisse de 60 mètres du niveau de la nappe en un siècle, accompagné d’un affaissement du sol de 20 cm/an du fait de la compression de l’aquifère exploité. Je vous emmène dans cette région semi-aride où la ressource en eau du sous-sol est synonyme de développement économique, notamment grâce à l’agriculture intensive et irriguée. Il s’agit d’une région où l’on prélève 20% de la totalité des eaux souterraines sur l’ensemble du territoire d’un des plus grands pays du globe. Je vous embarque dans ce bout du monde où, à force de pomper à outrance dans la nappe, un mécanisme physico-chimique relarguant de l’arsenic dans l’eau semble avoir été déclenché…

Bienvenue dans la Central Valley, dans l’état de Californie, aux États-Unis d’Amérique. Dans ce numéro de « L’eau’gique #12 », je souhaitais vous montrer comment une action physique opérée par l’Homme sur un hydrosystème peut influencer l’évolution chimique de l’eau prélevée dans le milieu, à travers un exemple tiré du travail de Smith et collaborateurs (Stanford) intitulé « Le surpompage fait peser la menace de l’arsenic sur les eaux souterraines de la Californie », publié dans Nature Communications en 2018.

Rappelons ici que l’arsenic est un élément chimique présent naturellement dans les milieux géologiques. Lorsqu’il se retrouve dans l’eau de boisson à une concentration trop élevée, il peut être toxique et favorise l’émergence de maladies et pathologies souvent graves : cancers, lésions du foie, maladies cardio-vasculaires, diabète… L’Organisation Mondiale pour la Santé (OMS) recommande le respect d’un seuil à seulement 10 microgramme par litre d’eau. Quelle surprise donc, pour les californiens, de voir que 10% de leurs puits exploités ont dépassé ce seuil dans la dernière décennie, alors que pendant longtemps, tout semblait aller pour le mieux malgré l’exploitation intensive de la nappe !

Alors comment cela est-il possible ?

Tout d’abord, il faut savoir que l’aquifère de la Central Valley est composé d’un épais millefeuille de sédiments qui mêle sables, graviers, galets et argiles. Schématiquement, il y a l’aquifère inférieur, très perméable, formé principalement de matériaux à grosse granulométrie, et entrecoupé çà et là de couches argileuses très peu perméables. Puis il y a l’aquitard supérieur qui le recouvre, formé de l’épaisse couche d’argile dite de « Corcoran ». L’ensemble du système aquifère est donc dit « confiné », et il a la propriété d’être extraordinairement productif, mais aussi très sensible à l’affaissement face à une baisse de la charge hydraulique. Quant à l’arsenic, on le trouve « collé » aux minéraux d’argile (on dit plutôt adsorbé en langage technique) pour lesquels il a une grande affinité dans des conditions oxydantes, ce qui lui a permis d’être transporté par les cours d’eau depuis les montagnes vers les plaines de la Central Valley au cours des temps géologiques. Cependant, les lentilles argileuses enfouies profondément (plus de 60 m) se retrouvent dans des conditions réductrices et l’arsenic a tendance à redevenir soluble et donc mobile. Étant donné la très faible perméabilité de l’argile, l’élément pourrait rester piégé très longtemps, ou bien libéré lentement, sans grande conséquences pour les captages d’eau.

Mais c’est sans compter sur l’effet du pompage intensif sur l’état mécanique du système : en extrayant de l’eau du milieu, la pression de pore chute inexorablement, ce qui augmente ce qu’on appelle « la contrainte effective ». Autrement dit, le pompage fait naître une pression compressive sur le réservoir poreux, qui se contracte, un peu comme une éponge qui sèche (l’image de l’éponge, bien qu’utile, a toutefois ses limites pour représenter plus finement les processus mécaniques véritablement à l’œuvre…). Ainsi, la contraction affecte également le matériel argileux, et l’eau interstitielle chargée d’arsenic s’en retrouve expulsée vers le milieu plus perméable qui concentre les principaux flux drainés par les puits exploités.

Bien que ce mécanisme fut proposé auparavant pour expliquer la détection d’arsenic dans certains puits, le travail de Smith et al. prouve pour la première fois qu’il existe un fort lien entre affaissement et apparition inopinée de l’arsenic dans les captages. Ils utilisent l’analyse de jeux de données massifs grâce à des techniques d’apprentissage machine sur lesquels je ne vais pas m’appesantir (une dizaine de variables sur 800 puits analysée, ce qui n’est pas rien dans notre domaine). Leurs résultats suggèrent qu’il existe 4 variables principales décrivant la concentration d’arsenic, parmi tous les autres ayant été inclus dans l’exploration statistique (ce sont donc de bons « prédicteurs », même si ce mot est un anglicisme ) : 1) l’épaisseur de la couche d’argile de Corcoran ; 2) l’altitude du terrain au droit du puits, négativement corrélé à la concentration d’arsenic ; 3) la concentration de manganèse, dont la présence révèle des conditions physico-chimiques réductrices (bonnes pour le transport en solution de l’arsenic…) ; 4) l’amplitude de l’affaissement du terrain au droit du puits.

Les auteurs ont également mis en évidence la possibilité d’utiliser l’imagerie satellite (interférométrie radar) mesurant les déformations des aquifères pour évaluer et suivre les risques de contamination à l’arsenic. Ainsi, ils indiquent qu’à partir d’un taux de 8 cm/an d’affaissement, la probabilité de dépasser le seuil de concentration en arsenic recommandé par l’OMS augmente drastiquement dans la Central Valley.

Qui l’eut cru ? Prédire les risques de contamination des eaux souterraines depuis l’espace !

Référence

Smith, R., Knight, R., Fendorf, S., 2018. Overpumping leads to California groundwater arsenic threat. Nature Communications, 9, 1–6. https://doi.org/10.1038/s41467-018-04475-3

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