Isotopes de l’environnement dans le cycle hydrologique VERSION/Isotopes dans... · le troisième…

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    06-Dec-2018

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<ul><li><p>C O L L E C T I O N C O U R S D E F O R M AT I O N 31</p><p>Isotopes delenvironnement dansle cycle hydrologique</p><p>V I E N N E , 2 0 0 8</p><p>Volume III</p></li><li><p>Isotopes de lenvironnement dans le cycle hydrologique</p><p>international atomic energy agency, vienna 2008</p><p>training course series no. 31</p></li><li><p>Cette traduction na pas t faite par lAgence internationale de lnergie atomique. La version authentique est la version anglaise distribue par lAIEA, ou en son nom par des personnes dment autorises. LAIEA ne donne aucune garantie et nassume aucune </p><p>responsabilit en ce qui concerne la prcision, la qualit, lauthenticit ou lexcution de la traduction et de sa publication et naccepte aucune responsabilit pour toute </p><p>perte ou tout dommage, conscutif ou autre, dcoulant directement ou indirectement de lutilisation de cette traduction.</p></li><li><p>note</p><p>le prsent ouvrage a t plubli par l'aiea et l'unesco en anglais (en six volumes) en 2001, dans le cadre du Programme PHi-v de l'unesco (documents techniques en hydrologie, n39). il parat maintenant, avec une nouvelle prsentation, en franais (en un volume) dans la collection cours </p><p>de formation de l'aiea.</p></li><li><p>VOLUME III</p><p>EAU dE sUrfAcE</p><p>He</p><p>He</p><p>C</p><p>C</p><p>H</p><p>Ar</p><p>KrC</p><p>Ar</p><p>H</p><p>ruissellement</p><p>prc ipi tat ion</p><p>inf i ltrati</p><p>on</p><p>rech</p><p>arge</p><p>dcharge</p><p>vaporation</p><p>IsotopesEnvironnementaux</p><p>dans leCycle Hydrologique</p><p>transpiration</p><p>Kazimierz rasKi</p><p>Univ. of Minig and Metallurgy, Krakw</p><p>KlAUs froEhlich</p><p>previously iAEA, Vienna</p><p>WillEM G. MooK</p><p>Groningen Univ., The Netherlands</p><p>contribution de</p><p>W. stichler, Gsf-institute of hydrology, Neuherberg, Germany</p></li><li><p>243</p><p>le troisime volume de cette srie de manuels sur les isotopes environnementaux dans le cycle hydrologique concerne les eaux de surface. dun point de vue humain, cest sans doute la partie la plus visible et la plus accessible du cycle hydro-logique global. En effet, le dveloppement de la civilisation humaine sur le dernier millnaire a t intimement li la disponibilit de leau, les civi-lisations se dveloppant disparaissant au rythme des cycles climatiques qui contrlent la disponi-bilit et labondance de leau douce dans de nom-breuses parties du monde.</p><p>le monde industriel a apport de nouvelles di-mensions dans le lien indissoluble entre lhom-me et leau. En particulier, ce sicle a vu lim-pact dramatique des activits humaines sur les systmes deau de surface sous la forme de leur pollution massive et tendue avec de nombreux polluants de natures varies: composs organi-ques, mtaux lourds, produits ptroliers, agrochi-miques, etc. dans de nombreux cas, la capacit naturelle dpuration de ces systmes a t dpas-se avec pour consquence une transformation de plusieurs rivires et lacs en rservoirs et chenaux deaux uses, biologiquement morts. Malgr un intrt grandissant, dans de nombreuses parties du monde, pour contrler graduellement cet impact, la pollution des systmes de surface reste encore </p><p>un des problmes majeurs de la gestion des res-sources en eau globale.</p><p>cette srie de 6 volumes est conue pour tre le premier manuel dont lusage pourrait aider les jeunes appliquer les mthodes des isotopes envi-ronnementaux pour rsoudre des problmes prati-ques varis en liaison avec le cycle hydrologique. Une approche pratique a t adopte tout au long de ce volume iii. les trois chapitres principaux (chapitres 2, 3 et 4) traitent respectivement des rivires, estuaires et systmes lacustres. Une pr-sentation systmatique des possibilits offertes par les diffrents traceurs isotopiques dans la r-solution des questions lies la dynamique des systmes deau de surface, de leurs interactions avec les eaux souterraines et de leur vulnrabilit vis--vis de la pollution est donne tout au long de ces deux chapitres. des ides et suggestions pra-tiques sont fournies pour mener bien des tudes sur les isotopes environnementaux. le volume se termine par un aperu sur le futur des systmes de surface la lumire dun rchauffement global anticip, induit par les gaz effet de serre.</p><p>cracovie, Vienne, Groningen,</p><p>K. raski, K. Froehlich</p><p>W. G. Mook</p><p>PREFACE AU VOLUME III</p></li><li><p>TABLE DES MATIRES DU VOLUME III</p><p>1. coNcEpTs dE bAsE ET ModElEs ..................................................................................... 2471.1. introduction ..................................................................................................................... 2471.2. Effets isotopiques levaporation ................................................................................... 2481.3. signal isotopique dentre vers les systmes eau de surface........................................... 2511.4. Temps de transit moyen, relations de mlange ................................................................ 252</p><p>2. lEs riVirEs ........................................................................................................................... 2552.1. Aspects hydrologiques .................................................................................................... 255</p><p>2.1.1. le cycle hydrologique global ........................................................................... 2552.1.2. Variations temporelles du dbit des cours deau .............................................. 257</p><p>2.2. Aspects hydrochimiques ................................................................................................. 2582.2.1. Matire dissoute ................................................................................................ 2582.2.2. Matire particulaire ........................................................................................... 259</p><p>2.3. les isotopes dans les rivires .......................................................................................... 2603.2.1. Aspects gnraux .............................................................................................. 2602.3.2. isotopes stables de lhydrogne et de loxygne .............................................. 262</p><p>2.3.2.1. Variations de 2h et 18o dans les grands cours deau ...................... 2622.3.2.2. 18O dans les rivires et les fleuves: dcomposition </p><p>de lhydrogramme .......................................................................... 2662.3.3. 3h dans les cours deau .................................................................................... 2682.3.4. 13c dans les cours deau ................................................................................... 2732.3.5. isotopes du sr dans les cours deau ................................................................. 277</p><p>3. lEs EsTUAirEs ET lA MEr ................................................................................................. 2793.1. les isotopes dans leau de mer ........................................................................................ 279</p><p>3.1.1. 18o et 2h dans leau de mer .............................................................................. 2793.1.2. 13c dans leau de mer ....................................................................................... 280</p><p>3.2. les isotopes dans les estuaires ........................................................................................ 2803.2.1. 18o et 2h dans les estuaires ................................................................................ 2803.2.2. 13c dans les estuaires ......................................................................................... 280</p><p>3.3. dtails relatifs aux estuaires ............................................................................................ 2813.3.1. lintrt de 13(HCO 3 ) versus 13(CT) ............................................................... 2813.3.2. Temps de rsidence prolong de leau ............................................................. 282</p><p>3.3.2.1. Echange isotopique avec latmosphre............................................... 2823.3.2.2. Evaporation au cours de lcoulement ........................................... 283</p><p>4. lAcs ET rsErVoirs ........................................................................................................... 2854.1. introduction .................................................................................................................... 285</p><p>4.1.1. Classification et distribution des lacs ................................................................ 2854.1.2. processus de mlange dans les lacs................................................................... 286</p><p>4.2. bilan des lacs approche par traage ........................................................................... 287</p></li><li><p>4.2.1. isotopes de loxygne et de lhydrogne ........................................................... 2884.2.1.1. stratgie dchantillonnage collecte des informations </p><p>ncessaires ...................................................................................... 2894.2.1.1.1. prcipitation (p, p) ...................................................... 2894.2.1.1.2. flux de surface, entres et sorties (is, is, os, os) ...... 2904.2.1.1.3. Composition isotopique de leau des lacs (l) ............ 2904.2.1.1.4. composition isotopique de lapport en eau </p><p>souterraine (iG) ........................................................... 2904.2.1.1.5. Flux dvaporation (e, E) ........................................... 2904.2.1.1.6. approche simplifie ................................................... 2934.2.1.1.7. choix du traceur: 18o ou 2h ......................................... 294</p><p>4.2.1.2. incertitudes de lapproche par le bilan de masse isotopique ......... 2944.2.1.3 cas particuliers .............................................................................. 295</p><p>4.2.1.3.1. systmes en rgime non permanent ........................... 2954.2.1.3.2. Lacs stratifis .............................................................. 2974.2.1.3.3. lacs interconnects .................................................... 2974.2.1.3.4. Grands lacs ................................................................. 2984.2.1.3.5. lacs sals ................................................................... 299</p><p>4.2.2. Autres traceurs pour ltude du bilan des lacs .................................................. 3004.2.2.1. isotopes radioactifs ......................................................................... 3004.2.2.2. sels dissous .................................................................................... 301</p><p>4.3. Traage du deplacement de leau et des polluants dans les lacs et les rservoirs ........... 3014.3.1. Quantification des taux de repartition dans les lacs profonds .......................... 3024.3.2. Mise en evidence des fuites sur les barrages et les reservoirs de surface ......... 3034.3.3. Quantification des interactions eau du lac eau souterraine ............................ 304</p><p>5. rEpoNsE dEs sysTEMEs hydroloGiqUEs AUx chANGEMENTs cliMATiqUEs .......................................................................................................................... 3075.1. impact des changements climatiques sur la composition isotopique des precipitations . 3075.2. changements climatiques de la fonction entre ............................................................. 3075.3. changements climatiques enregistrs dans les sediments lacustres ................................ 308</p><p>rEfErENcEs .....................................................................................................................................311</p></li><li><p>247</p><p>1. COnCEPTS DE BASE ET MODELES</p><p>1.1. InTRODUCTIOn</p><p>ce volume iii de la srie concerne lutilisation des isotopes de lenvironnement en hydrologie (eaux de surface). le terme environnemental in-dique que lobjectif de ces ouvrages et du volume iii se limite aux isotopes, stables ou radioactifs, qui se trouvent naturellement prsents dans len-vironnement, soit la suite de processus naturels, soit introduits suite des activits anthropiques. Les isotopes artificiels et/ou les substances chimi-ques, qui sont introduits volontairement pour ob-tenir des informations sur le systme tudi, se-ront voqus de manire accessoire. </p><p>Gnralement les isotopes sont utiliss en hy-drologie soit comme traceurs, soit comme indicateurs dage. Un traceur idal se dfinit comme une substance qui se comporte dans le systme tudi exactement comme le corps que lon doit tracer, pour autant que les param-tres recherchs soient concerns, mais qui a au moins une proprit qui le distingue de ce corps [1].</p><p>lorsquon utilise les isotopes stables comme tra-ceur, cette proprit est la diffrence de masse molculaire entre la substance et son traceur. la dcroissance radioactive des radio-isotopes per-met aussi de dterminer le temps de rsidence de leau dans un systme, que lon peut aussi appe-ler sous certaines conditions lage ou le temps de transit (voir aussi la partie 1.4).</p><p>dans le volume i les caractristiques et lexisten-ce naturelle des isotopes a t discute en dtail. Nous prsentons ici un bref rsum. </p><p>dans la nature, on observe deux isotopes stables pour lhydrogne (1h protium et 2h deu-trium) et trois isotopes stables pour loxygne (16o, 17o, 18o). parmi neuf molcules deau iso-topiquement diffrentes, seulement trois existent dans la nature sous des concentrations facilement dcelables: h216o, h218o et 1h2h16o. la concen-tration isotopique ou les rapports dabondance se rfrent gnralement ceux dun standard de r-frence. le standard internationalement reconnu </p><p>pour lhydrogne et loxygne est le Vienna standard Mean ocean Water , V-sMoW [2]. les valeurs absolues des rapports 2H/1h et 18O/16o du V-sMoW ont t values 2H/1h = (155,95 0,08) 10-6 [3]18O/16o = (2005,20 0,45) 10-6 [4]</p><p>ces valeurs sont voisines de la composition iso-topique moyenne de leau ocanique donne par [5, 6]. dans la mesure ou locan reprsente environ 97% de leau prsente sur la terre et ou les variations observes de 2H/1h et 18O/16o dans le cycle de leau sont relativement faibles, la concentration isotopique dun chantillon deau est habituellement exprime en delta () dfini comme lcart relatif par rapport une valeur standard correspondant a la composition isotopi-que moyenne de locan: </p><p>Chapitre 1 </p><p> 2</p><p>Ces valeurs sont voisines de la composition isotopique moyenne de leau ocanique donne par Craig (1961a; b). Dans la mesure ou locan reprsente environ 97% de leau prsente sur la terre et ou les variations observes de 2H/1H et 18O/16O dans le cycle de leau sont relativement faibles, la concentration isotopique dun chantillon deau est habituellement exprime en delta () dfini comme lcart relatif par rapport une valeur standard correspondant a la composition isotopique moyenne de locan: </p><p> 1Rfrence</p><p>chant.S/R = R</p><p>R (1.1) </p><p>ou Rchant. et RRfrence reprsentent respectivement le rapport isotopique (2R = 2H/1H et 18R = 18O/16O) de lchantillon et du matriel de rfrence (standard). </p><p>Nous utiliserons les symboles suivants, en utilisant les exposants comme pour 2H, 18O et 13C: 2 ( 2H D) = 2RS/2RR 1 18 ( 18O) = 18RS/18RR 1 13 ( 13C) = 13RS/13RR 1 </p><p>Comme les valeurs ainsi exprimes sont faibles, on les donne en (pour mille). On doit cependant souligner que les valeurs de reste...</p></li></ul>