Datering av grunnvann

Den datering av grunnvann er en vannressurs styringsverktøy for samfunn og design kontorer.

Beskrivelse

Det er til anbefalingen av god økologisk status for vann i 2015 pålagt av EU rammedirektivet, at dateringen av grunnvann kan bidra til å svare ved å gjøre det mulig å estimere reaksjonstiden av akvifer til noen endring.

Analysen av CFC- konsentrasjoner har også en annen betydelig fordel i forvaltningen av vannskille. Det er et utmerket sporstoff etter nylig vann fordi det er spesifikt for vann infiltrert etter 1950-tallet. Deres tilstedeværelse i et "gammelt" vannbord eller deres gradvise utseende under en langsiktig pumpetest er tegn på akviferforbindelser. Utnyttet med overflatevann og derfor en potensiell sårbarhet av ressursen.

Dateringen av grunnvann gjør det mulig å gi svar på de viktigste spørsmålene om vannforvaltning:

Historisk

Bestemmelsen av grunnvannets oppholdstid utføres ofte indirekte fra oppløsningen av Darcys ligninger eller Ficks lov . Men denne metoden krever omfattende kunnskap om det underjordiske miljøet og dets hydrauliske egenskaper for å begrense usikkerheten i tidene. Den direkte tilnærmingen ved bruk av et sporstoff gir en mer objektiv observasjon av oppholdstid i akviferen, i vannskalaen.

Det finnes forskjellige typer sporstoffer tilpasset de forskjellige størrelsesordene som kan oppstå i underjordiske omgivelser. Den mest kjente er utvilsomt Carbon 14 brukt til oppholdstid fra noen få hundre år til 50 000 år. Generelt sett er disse akviferer med svært lav fornyelseshastighet (noen ganger uriktig kvalifisert som fossile akviferer) ganske godt identifisert i dag fordi de ofte er relativt produktive og mye brukt akviferer.

Et annet sporstoff som er mye brukt i hydrogeologi er tritium , hvis atmosfæriske konsentrasjon nådde sin topp i begynnelsen av 1960-årene, etter atmosfæriske kjernefysiske tester. Konsentrasjonene er nå mye lavere og målingene har blitt mye vanskeligere å tolke.

De klorfluorkarboner (KFK) er de karakteristiske av nyere vann infiltrert i de siste 50 årene. De er derfor moderne sporere av intensivering av menneskelige aktiviteter, både på landbruks- og teknologisk nivå.

CFC eller klorfluorkarboner er bedre kjent under handelsnavnet: freon . Deres produksjon av disse gassene begynte på 1950-tallet som et første skritt for å erstatte de vanlige, ganske farlige og giftige kjølemediumgassene ( ammoniakk , isobutan etc.). De har siden hatt mange andre anvendelser som drivgass for aerosoler, løsningsmidler, råmateriale i syntesen av syntetiske forbindelser skumblåsemiddel.

KFK på grunn av ufarlighet for den menneskelige befolkningen (ikke-brannfarlig, giftfri eller kreftfremkallende) har blitt brukt mye. Følgelig økte de atmosfæriske konsentrasjonene av disse gassene veldig sterkt i atmosfæren fra 1960-tallet. Men allerede i 1974 viste vitenskapelige studier at Cl-radikalen som følge av fotolyse av disse forbindelsene kunne ha en destruktiv effekt på ozonlaget , jordens naturlig bolverk mot sol-UV-stråler . Fra 1978 lanserte NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration) et program for å overvåke halogenerte forbindelser (inkludert CFC) i atmosfæren. Siden 1985 har produksjonen av disse forbindelsene blitt regulert gjennom Montreal-protokollen. Slutten på CFC ble kunngjort på 1990-tallet da de ble klassifisert som klimagasser. De er også underlagt Kyoto-protokollen som ble ratifisert i 1997.

Den sterke industrielle manen for disse "mirakelgassene" og oppdagelsen av deres skadelige eiendom (r) for miljøet har ført til en karakteristisk endring i atmosfæriske konsentrasjoner av disse forbindelsene (figur 1): en eksponentiell vekst mellom 1950 og 1990, før et platå fra 1990-tallet til 2000-tallet etterfulgt av en liten nedgang fra 2000-tallet.

Utvikling av atmosfæriske konsentrasjoner av CFC-12, CFC-11 og CFC-113 mellom 1940 og 2005. Konsentrasjonene uttrykkes i pptv (del per billion volum) eller 0.0001 µL / L. Data fra Walker et al, 2000.

CFC ble først brukt til datering og overvåking av havmasser på 1970-tallet. De første hydrogeologiske studiene stammer fra slutten av 1970-tallet, og deres mer regelmessige bruk er samtidig med publiseringen av en prosedyre. Samling av USGS.

Datering av vann av CFC ble muliggjort av kunnskapen om:

I tillegg er konsentrasjonen av CFC i luft og vann stor nok til å bli kvantifisert. Til slutt er de forbindelser som er relativt stabile i forhold til atmosfæriske fysikkjemiske og biogeokjemiske forhold i underjordiske miljøer.

Hva er alderen på grunnvannet?

Innenfor akviferer, alderen på grunnvannet, det vil si overføringstiden fra infiltrasjonspunktet til det naturlige utløpet eller ikke (nedslagsfeltet) kan variere fra dag til million (er).) År avhengig av lokal geologisk og hydrogeologisk sammenheng . For hydrogeologer er dette "den" essensielle parameteren som gjør det mulig å kalibrere fornyelsestid, overføringstid og vannhastighet:

Dermed kan kunnskap om vannets alder gi svar på problemene med diffus eller punktforurensning og kunnskap om ressursen.

Datering av grunnvann er derfor et verktøy som gjør at vi bedre kan forstå grunnvannets funksjon. Det gir en bedre forståelse av endringer i de kjemiske egenskapene til grunnvann og elver forbundet med det. Vitenskapelig validert, er det nå et innovativt beslutningsstøtteverktøy for bærekraftig forvaltning av vannressurser som er tilgjengelig for alle interessenter i vern av vannressurser.

Prinsippet om dating

I teorien er prinsippet om datering av atmosfæriske sporstoffer som CFC ganske enkelt: vannet som infiltrerer undergrunnen kommer i likevekt med atmosfæren, så det har en kjemisk signatur direkte knyttet til sammensetningen av atmosfæren.

I det underjordiske miljøet er det vanlig å akseptere (i det minste i ladingssoner) og for enkelhets skyld at sirkulasjonen av grunnvann er av typen "stempeleffekt sirkulasjon": i denne typen sirkulasjon er det bare lite blanding mellom vannmassene. infiltrert under forskjellige regner, og enda mer i løpet av forskjellige år. På en veldig billedlig måte kan vi assimilere sirkulasjonen av grunnvann til et halskjede av perler der hvert nye infiltrerte regn (perle) skyver det som tidligere var på plass, og resulterer i enden av kjeden i frigjøring av en vannmasse på nivået til utløpet. Hele poenget med datering av vann ligger i å vite hvor mange "perler" som er i "halskjedet" som representerer sirkulasjonen av grunnvann. For mer komplekse situasjoner kan en vannprøve representere de sammensatte bidragene til flere bidragssoner som hver har sin oppholdstid. I dette tilfellet er fordelingen av oppholdstid i akviferen et ganske viktig tiltak, selv om det ikke lenger representerer oppholdstid, men en tilsynelatende alder.

For å følge en vannmasse er det tilstrekkelig å "merke" det ved hjelp av sporstoffer (figur 2). Vannmassen som infiltrerer, vil beholde sin “atmosfæriske signatur” gjennom sin underjordiske reise til dens naturlige (kilde, elv) eller kunstige ( oppsamling , boring ) utløp .

Flere atmosfæriske gasser utgjør denne "atmosfæriske signaturen" av vann, men det er tilrådelig å bruke en (eller flere) forbindelser som ikke er veldig følsomme for nedbrytning og adsorpsjon i det naturlige miljøet og hvis konsentrasjoner år etter år er kjent varierer tilstrekkelig til å skille seg ut. Klorfluorkarboner har blitt identifisert siden 1970-tallet i oceanografi og tidlig på 1980-tallet i hydrogeologi , som oppfyller disse begrensningene og representerer derfor tilstrekkelige sporstoffer av vannmasser.

Suksessen med å datere grunnvann fra CFC-analysen er basert på fire hovedbetingelser:

CFC-analyse

Atmosfæriske konsentrasjoner av CFC er lave, i størrelsesorden µL per 1000 L luft. På grunn av lovene om gassløselighet mellom vann og luft, er CFC-konsentrasjoner i grunnvann 100 til 1000 ganger lavere: i størrelsesorden picomol per liter (10-12 mol / L). Analysen av CFC krever derfor moderne analytiske verktøy. Ved hjelp av et pre-konsentrasjonssystem, kalt purge-and-trap, som gjør det mulig å konsentrere i et lite volum (noen få milliliter) alle gassene i prøven (30 ml vann), er en ekstremt høy deteksjonsgrense nådd. lav.

Noen eksempler på studier

I 2006 kunne rundt tjue studier av datering av grunnvann ved bruk av CFC telles på rundt femten steder (studier relatert til metodenes gyldighet og innflytelse av visse parametere er ikke inkludert her). Mens de fleste studiene foregår i USA, har noen få blitt gjort i Europa eller Australia. De fleste studiene er utviklet av (eller involverte) forfattere E. Busenberg og N. Plummer (USGS, Reston) eller P. Cook (CSIRO, Australia).

I Frankrike har det siden 2007 blitt utført rundt tretti studier om datering av grunnvann ved bruk av CFC for statlige organer, vannforeninger, termisk vann og flaskevann.

Merknader og referanser

  1. Metcalfe et al. 1998
  2. Höhener et al., 2003
  3. Lovelock et al, 1973.; Bullister og Weiss, 1983
  4. Randall og Schultz, 1976; Thompson og Hayes, 1979
  5. Busenberg og Plummer, 1992
  6. Plummer og Friedman, 1999
  7. Bauer et al., 2001
  8. Warner og Weiss, 1985; Bu og Warner, 1995
  9. Metcalfe et al., 1998
  10. Oster et al., 1996; Beyerle et al., 1999; Corcho Alvarado et al., 2005
  11. Cook og Simmons, 2000


Se også

Interne lenker

Bibliografi

Eksterne linker