Pourquoi la plupart des explications sur les nappes phréatiques commencent-elles une fois l'eau déjà arrivée dans l'aquifère, en sautant le trajet qui l'y mène ? Entre la surface et le sommet de la nappe, il existe pourtant une couche à part entière, ni sèche ni saturée, où se joue une bonne partie du sort d'un polluant avant même qu'il n'atteigne l'eau souterraine : la zone vadose.
Selon la définition officielle du Sandre, reprise à l'identique sur les portails Eaufrance et Géorisques, la zone vadose (ou zone non saturée) désigne la « zone du sous-sol non complètement saturée en eau, où coexistent l'eau et l'air dans les interstices de la roche, au-dessus de la surface d'une nappe libre et où les écoulements se font de manière verticale ». Concrètement, cela signifie que l'eau n'y circule pas comme dans un aquifère : elle s'y infiltre, goutte par goutte, à travers un espace partagé avec l'air.
Une épaisseur très variable, une seule donnée vraiment confirmée#
Plusieurs points sont à retenir sur son épaisseur. Le SIGES Seine-Normandie, service d'information du BRGM, l'établit clairement : la zone non saturée « peut atteindre, à certains endroits, une centaine de mètres d'épaisseur ». C'est le seul chiffre que je considère comme solide, confirmé par une source institutionnelle française.
Pour la fourchette complète, la nuance est importante ici : une seule source, l'article anglophone de Wikipedia consacré à la « vadose zone », donne l'amplitude complète : la couche est absente là où se trouvent lacs et marais, et atteint plusieurs centaines de mètres en climat aride. Aucune publication BRGM ou INRAE consultée ne reprend cette fourchette entière, je la mentionne donc avec ce bémol.
Les vitesses retenues par le BRGM en Picardie#
Prenons un exemple parlant, et chiffré. Dans son rapport RP-63714-FR de décembre 2014 sur le transfert des nitrates en aire d'alimentation de captage, le BRGM a travaillé sur une parcelle à Morgny-en-Thierache, dans l'Aisne. Pour les limons de ce site, la vitesse de transfert des nitrates retenue dans les calculs a été de 0,40 m/an, valeur choisie comme cohérente avec les données de la littérature existante. Sur une parcelle témoin en jachère du même site, la vitesse minimale estimée est descendue à 0,18 m/an.
Deux précisions à noter. Ce sont des valeurs de calcul, pas des mesures directes de vitesse. Et ce sont, à ma connaissance, les seules vitesses de transfert dans la zone vadose documentées par une source primaire française lue directement : elles ne valent que pour ce sol limoneux et cette étude régionale, rien ne permet de les généraliser à un autre type de sol, et aucune autre étude ne vient les recouper pour l'instant.
Le facteur qui change tout : la nature du sous-sol#
C'est là que la lithologie de la zone vadose devient déterminante, bien plus que son épaisseur seule. Un rapport annexe du Sénat sur la qualité de l'eau et l'assainissement en France donne, pour un même polluant, des ordres de grandeur radicalement différents selon le terrain traversé.
| Type de sous-sol | Temps de transfert d'un polluant vers la nappe |
|---|---|
| Sols karstiques | de l'ordre de 1 jour à 1 an |
| Plaines alluviales | de l'ordre de 1 mois à 5 ans |
| Craie et socle granitique | de l'ordre de 1 an à 1000 ans |
L'écart entre un sol karstique et un socle granitique se compte en ordres de grandeur, pas en nuances. J'ai voulu recouper ce tableau via un cours universitaire qui semblait citer les mêmes chiffres, sans succès, page inaccessible. Je le laisse donc reposer sur la seule source lue, ce rapport du Sénat.
Pourquoi cette couche compte autant#
Selon l'USGS, la recharge des aquifères s'effectue généralement, à partir des précipitations, en traversant la zone non saturée. C'est aussi dans cette même couche que se joue, d'après Wikipedia, si, où et à quelle vitesse un contaminant atteint une nappe : les vitesses d'écoulement et les réactions chimiques qui s'y produisent conditionnent le résultat. Autrement dit, la zone vadose n'est pas un simple tuyau entre la pluie et la nappe phréatique : c'est le principal filtre naturel, ou le principal point de fuite, selon la nature du sol.
J'avoue avoir mis du temps, en école d'ingénieur, à comprendre pourquoi cette zone comptait plus que la nappe elle-même dans un cours d'hydrogéologie. C'est en croisant les vitesses du BRGM avec le tableau du Sénat que la logique m'est apparue : protéger une nappe commence des dizaines de mètres au-dessus d'elle. Le karst, avec ses temps de transfert d'un jour à un an, illustre bien pourquoi une pollution de surface peut y devenir un problème d'eau potable en quelques jours.
La zone vadose ne protège pas non plus contre l'intrusion saline, qui agit par un autre mécanisme, latéral et non vertical. Et la fraction d'un polluant qui traverse effectivement cette couche ne dit encore rien de sa dangerosité une fois dans l'organisme exposé : c'est tout l'objet de la biodisponibilité. Sur le contrôle réel de ces transferts en aire agricole, le bilan de la Cour des comptes sur la police de l'eau donne une idée de l'écart entre la théorie hydrogéologique et son application sur le terrain.
Questions fréquentes#
Quelle est la différence entre la zone vadose et une nappe phréatique ?#
La zone vadose est la couche de sous-sol située au-dessus d'une nappe libre, où l'eau et l'air coexistent dans les interstices de la roche et où les écoulements se font de manière verticale. Dans la nappe, à l'inverse, tous les interstices sont saturés en eau : il n'y a plus d'air.
Quelle épaisseur peut atteindre la zone vadose ?#
Une seule donnée est confirmée par une source institutionnelle française, le SIGES Seine-Normandie : la couche peut atteindre une centaine de mètres à certains endroits. Une source encyclopédique anglophone évoque une fourchette plus large, de l'absence totale près des lacs et marais à plusieurs centaines de mètres en climat aride, mais aucune publication du BRGM ou de l'INRAE consultée ne reprend cette fourchette entière.
L'eau circule-t-elle à 0,40 mètre par an dans la zone vadose ?#
Non : ce chiffre du BRGM n'est pas une vitesse mesurée sur le terrain, mais une valeur de calcul retenue pour les limons d'une parcelle précise à Morgny-en-Thiérache, dans l'Aisne, cohérente avec les données de la littérature existante. Elle ne vaut que pour ce sol et cette étude régionale, rien ne permet de la généraliser.
La nature du sous-sol change-t-elle le temps de transfert d'un polluant ?#
Oui, radicalement, selon un rapport annexe du Sénat. Dans un sol karstique, un polluant peut atteindre la nappe en un jour à un an. Dans une plaine alluviale, il faut compter un mois à cinq ans. Dans la craie ou un socle granitique, le transfert s'étale sur un an à mille ans.
Pourquoi la zone vadose est-elle importante pour protéger les nappes ?#
Selon l'USGS, c'est en traversant cette couche que les précipitations rechargent généralement les aquifères. C'est aussi là, d'après Wikipedia, que les vitesses d'écoulement et les réactions chimiques déterminent si, où et à quelle vitesse un contaminant atteint une nappe : elle joue le rôle de principal filtre naturel, ou de principal point de fuite selon le sol.
