Mode d'emploi
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1. Plusieurs programmes de recherche coordonn e sur ces th mes ont t men s bien Rappelons celui sur la mod lisation du transport des isotopes dans les syst mes hydrog ologiques et celui sur l laboration et l valua tion de techniques nucl aires pour les tudes sur le trans port des polluants ce dernier avec la participation d quipes scientifiques d Allemagne d Australie du Br sil du Danemark des Etats Unis de Finlande de France du Mexique de Tch coslovaquie et d URSS L Agence assiste galement plusieurs projets de coop ration technique r gionale dans les domaines de l hydrologie et de l hydrog ologie en Am rique latine au Moyen Orient en Afrique et en Asie Elle organise aussi r guli rement des cours pour enseigner des groupes internationaux de sp cialistes les principes et la pratique des techniques isotopiques en insistant plus sp cialement sur les applications les plus utiles pour r soudre les probl mes de protection des ressources d eau En mars 1991 AIEA r unira un colloque inter national sur l hydrologie isotopique qui examinera notamment la contribution des techniques isotopiques l tude de la pollution et de la protection des eaux sou terraines Ce sera le huiti me colloque sur ce sujet depuis 1963 212. Perspectives Techniques nucl aires et migration des polluants dans les eaux souterraines Quelques exemples de leur application pratique la protection des ressources d eau contre la pollution par V T Dubinchuk A Plata Bedmar et K Froehlich L a protection des eaux souterraines contre la pollution est une priorit depuis quelques ann es Ces eaux sont g n ralement plus pures et plus saines que les eaux superficielles car elles sont naturellement prot g es par le syst me filtrant tr s efficace que consti tuent le sol les argiles et les particules rocheuses qui ont la propri t de retenir certaines substances solubles les particules en suspension les bact ries et dans une large mesure aussi les virus Cela dit si ce complexe filtrant est satur ou contourn la nappe aquif re elle m me risque d tre contamin e Les polluants des eaux superficielles ordures m nag res et d chets industriels infiltrations provenant des fosses septiques drainage des mines remblayages sanitaires et produits agrochimiques ont un effet encore plus marqu et de plus longue dur e lorsqu ils atteignent les eaux souterraines La pollution qui p n tre dans une couche aquif re peut y tre retenue pendant des p riodes qui vont de quelques si cles des dizaines de mill naires compromettant ainsi les res sources d eau des g n rations futures Dans certaines r gions les eaux souterraines sont moins exp
3. Il existe une grande vari t d isotopes si bien que l on peut tudier pratiquement toutes les sortes de pollution Ils sont parfois irrempla ables car ils pr sentent de grands avantages par rapport d autres indicateurs La technique isotopique peut s appliquer soit aux mol cules d eau soit aux particules de pol luants ou aux deux la fois L tude de la migra tion peut se faire aux niveaux microscopique et macroscopique sur le plan local ou r gional et m me l chelle mondiale Il est possible de marquer l eau et les polluants sans perturber les conditions dans lesquelles se d roulent les processus tudi s et cela ventuellement dans des conditions extr mes de dilution de min rali sation de turbidit de turbulence de temp rature qui interdisent l utilisation d autres indicateurs Par ailleurs il existe dans la g osph re et dans l hydrosph re une grande vari t d isotopes naturels qui peuvent renseigner sur les processus de transport dans l environnement Les techniques isotopiques pr sentent gale ment le grand avantage de permettre une valua tion qualitative et quantitative de ce que l on appelle les param tres de retardement des milieux g ologiques qui interviennent dans le mouvement des polluants s agit en l occurrence essentiellement de l effet de retardement que subit le transport des polluants par rapport au mouve ment de l eau c est un ph nom ne extr mement complexe qui
4. aux souterraines profondes Etant donn l informa tion que peuvent fournir les isotopes toute intrusion ventuelle d eau pollu e du lac Managua due un changement des conditions hydrodynamiques serait d tect e bien longtemps l avance Utilisation des eaux us es Un projet a t mis en uvre en Tunisie pour tudier la possibilit d alimenter artificiellement en eau us e la couche aquif re alluviale c ti re de Nabeul Hammamed La nappe est inutilisable car elle est pratiquement puis e cause d un pompage intensif et de sa salinit accrue L eau d alimentation a t marqu e Figure 3 Etude isotopique de l intrusion de polluants au Nicaragua LAC MANAGUA a RSS ST ST 4 89 7 31 LAC NEJAPA Note Les valeurs indiqu es concernent l oxyg ne 18 elles expriment la d viation en milli mes par rapport la norme SMOW de Vienne 20 au tritium afin de d terminer si la nappe tait capable de s purer avec le temps 14 mois et d tudier les processus de m lange des eaux anciennes et r centes L op ration a consist marquer 32 000 m tres cubes d eau us e par l injection continue pendant plus de 42 jours de l indicateur une concentration de 1 2 kilo becquerel par litre kBq L La distribution spatiale de l eau marqu e 394 jours apr s le d but de l exp rience montre une volution dynamique de la nappe figure 4 L information ainsi obtenue permettra de bien pr parer un
5. colonnes sans que l chantillon de sol ou de roche soit d truit Sur le terrain on peut proc der des tests galement non destructifs par marquage gamma et radiocarottage Ces m thodes isotopiques ont aussi leurs incon v nients et leurs limites C est pourquoi pour l tude de la migration des polluants en particulier les sp cialistes se pr occupent d sormais moins de la mise au point et du perfectionnement de telle ou telle m thode que des modalit s complexes de leur application en combinaison avec des m thodes traditionnelles ce qui est le cas lors qu il s agit d obtenir l information n cessaire pour pronostiquer et proposer des mesures correctives Le d veloppement des techniques nucl aires dans ce domaine devrait viser plus sp cialement laborer des algorythmes permettant de transformer les donn es obtenues en laboratoire et sur le terrain en syst mes environnementaux Il faut mettre au point des mod les d interpr tation et de pronostic mieux adapt s et constituer des bases de donn es sur les caract ristiques propres de la migration des polluants dans les conditions g ologiques et thermodynamiques habituelles On entend dire souvent que l inconv nient des tech niques radio isotopiques en g n ral est la n cessit pour celui qui demande l autorisation de s en servir de pr senter un expos de leurs effets sur l environnement Cette condition peut donner lieu des malentendus dans l opinion p
6. e op ration future de grande envergure visant r cup rer les eaux us es pour l irrigation La r gion produit surtout des agrumes du riz et des primeurs et l on a conclu que pour pouvoir irriguer ces cultures il fallait m langer l eau us e avec une eau moins min ralis e Avantages et inconv nients des m thodes isotopiques Le marquage par des indicateurs isotopiques permet de savoir ce qu il advient des polluants ou de tout autre constituant de l eau lorsqu ils entrent en contact avec Figure 4 Etude isotopique d alimentation avec des eaux us es en Tunisie courbes d isoconcentration du tritium Ponts d in chon de l eau Points d injection de l indicateur Note Les valeurs sont exprim es en uCi m AIEA BULLETIN 4 1990 Perspectives les sols les roches ou les mati res d pos es ou en sus pension Il peut intervenir n importe quel stade du mouvement de la transformation et de l interaction du polluant dans le milieu g ologique consid r De plus il est possible d utiliser les indicateurs iso topiques des concentrations chimiques extr mement faibles qui ne perturbent pas l tat physico chimique et thermodynamique du syst me l tude mais qu il est impossible de d tecter avec les moyens habituels Enfin ces indicateurs peuvent tre utilis s de fa on non destructive Par exemple les ph nom nes de diffu sion et de sorption peuvent tre observ s en laboratoire sur des
7. hlore 36 tous deux radioactifs En revanche proximit d une couche non satur e tr s paisse des exp riences analogues ont montr que le sel filtrait vers le bas L tude a permis d obtenir des renseignements tr s utiles sur le transport de l eau in situ et sur le comportement des ions de sodium et de chlore qui permettent de mieux comprendre les m canismes et la dynamique de la salinisation du sol ce qui est par ticuli rement important en l occurrence du point de vue agricole Ces deux tudes ont t faites l Institut f d ral de recherche en hydrog ologie et en g nie g ologique de Moscou par M V T Dubinchuk M Yu A Tsapenko M A V Borodin t M A V Gladkov AIEA BULLETIN 4 1990 Perspectives Figure 1 M thode du triple indicateur appliqu e en Crim e Tritium Lt D i D S E p 3 D us a Mouvement de l eau et du sel Sodium 22 09 85 Chlore 36 20 30 40 50 60 Prolondeur centim tres Dans la r gion de Tchernobyl un double traceur solution d eau triti e et de chlolure de c sium marqu au c sium 137 a t inject diverses profondeurs en vue d tablir un pronostic figure 2 Les r sultats ont montr clairement que la dispersion du c sium tait retard e par rapport celle de l eau ce qui permet d valuer avec plus de pr cision le risque de contamina tion de l eau souterraine par ce radionucl ide Figure 2 M thode du do
8. implique des processus de sorption d sorption diffusion dispersion solution pr cipita tion et bien d autres encore Plusieurs isotopes diff rents peuvent tre uti lis s ensemble cette fin Dans la technique du double indicateur le tritium isotope radioactif de l hydrog ne peut servir d indicateur du mouve ment de l eau tandis qu un autre isotope judi cieusement choisi peut servir d indicateur du polluant particulaire Cette m thode permet de recueillir des renseignements pr cieux pour l valuation des effets du retardement Les meilleurs r sultats sont obtenus lorsque l on combine des tudes en laboratoire sur des quantit s finies des colonnes ou des radio graphies avec des op rations de marquage in situ utilisant aussi bien des isotopes artificiels que des isotopes du milieu Sur une quantit finie on observe la redistribution de compos s marqu s entre une solution de r f rence et un chantillon de sol ou de roche dans des conditions hydrau liques statiques Cela permet d tudier les isothermes de sorption d sorption la distribution des coefficients de sorption et leur rapport avec l hydrog ochimie et les propri t s du polluant et du sol noter que la plupart des donn es sur la sorption des radionucl ides et des ions m tal liques ont t r cemment obtenues par cette m thode La m thode de la colonne consiste mesurer la distribution dans l espace et dans le temps de compos s
9. lement aliment s e Etude et pr vision du mouvement et du comportement du sel et des produits agrochi miques dans les sols et les eaux souterraines Figure 5 M thodologie de l tude de la pollution l aide d indicateurs MESURE ET OU OBSERVATION DE L INDICATEUR ISOTOPIQUE VITESSE DE L EAU VITESSE DU POLLUANT DIFFUSION DISPERSION EFFETS DU POLLUANT SCENARIO OBSERVE OU SUPPOSE DONNEES SORPTION TRANS kema DESORPTION FORMATION ot TENEUR EN RADIO CAROTTAGE SOLROCHE ARGILE FACTEUR DE RETARDEMENT RETENTION DU POLLUANT PAR LES MILIEUX GEOLOGIQUES MODELE MATHEMATIQUE DU DU COMPORTEMENT DU POLLUANT SYSTEME DANS LE SYSTEME MESURES PREVENTIVES ET OU CORRECTIVES PERFECTIONNEMENT DES METHODES ET DES MODELES UTILISES PLANIFICATION D ETUDES COMPLEMENTAIRES DU TRANSPORT DES POLLUANTS AIEA BULLETIN 4 1990 Perspectives l eau du lac Managua et l eau souterraine On a gale ment observ que l eau pomp e du lac Asososca ne contenait pas de quantit s mesurables de tritium et qu elle tait donc relativement ancienne le tritium provenant des essais nucl aires atmosph riques qui ont eu lieu entre 1952 et 1962 peut servir dater les masses d eau et d terminer si elles ont t r cemment alimen t es par des infiltrations d eau de pluie L eau du lac Asososca a aussi la m me composition isotopique que les e
10. lement des eaux souterraines et d terminer leurs caract ristiques tude qui comporte l analyse d isotopes du milieu tritium deut rium et oxyg ne 18 la d termination de la composition chimique de l eau et des exp riences avec des indi cateurs artificiels Ces travaux ont permis de conclure qu il n y avait pas d intrusion d tectable d eau pollu e mais on a constat une grande diff rence de composition isotopique entre 17 Perspectives Les techniques nucl aires et isotopiques Diverses techniques nucl aires et isotopiques peuvent aider r pondre aux questions pr cises que l on se pose propos de l coulement des eaux souterraines et de la migration des polluants Parmi ces techniques le radiocarottage joue un r le pr pond rant II consiste utiliser un rayonne ment gamma neutronique etc pour d finir les propri t s physico chimiques des sols et des roches in situ Cette technique permet par exemple de mesurer le rayonnement gamma naturel des sols et de d terminer ensuite leur teneur en argile et en carbonates ainsi que leur perm abilit Le radiocarottage gamma gamma consiste mesurer le rayonnement diffus provenant d une source gamma artificielle le long de la paroi d un trou de sonde pour conna tre la densit apparente du sol travers Le radiocarottage neutronique renseigne sur la teneur du sol en eau La combinaison des deux techniques permet de d terminer plusieurs ca
11. marqu s s coulant travers une colonne de sol ou de roche On peut ainsi d ter miner simultan ment le transport par l eau et les param tres de sorption d sorption et de diffusion dispersion dans des conditions hydrauliques dyna miques Les donn es ainsi obtenues sont plus proches de la r alit des syst mes naturels que celles que l on obtient sur une masse finie Les travaux sur le terrain sont de loin pr f rables Pour d terminer les param tres de retarde ment dans les conditions du milieu naturel on a g n ralement recours aux indicateurs multiples AIEA BULLETIN 4 1990 Perspectives Le tritium artificiel sert marquer l eau tandis que les solut s r actifs les polluants sont marqu s par un autre isotope En g n ral les concentrations de tritium n cessaires ces op rations sont de l ordre de plusieurs dizaines de becquerels par litre Bq L Le marquage aux isotopes artificiels est utilis le plus souvent pour faciliter la solution de divers probl mes locaux Protection de zones d termin es d o l eau est pomp e pour l approvisionnement de la popu lation L tude a pour objet de d terminer la dur e probable du mouvement du polluant depuis la source de la nappe aquif re e Analyse et pr vision de la contamination des eaux souterraines au voisinage des d p ts d ordures et des grands complexes industriels e D termination de la dynamique de l eau dans les syst mes artificiel
12. os es la contamination que dans d autres lorsque les conditions g ologiques et hydrochimiques limitent le risque On appelle vuln rabilit la sensi bilit de la qualit des eaux souterraines aux activit s humaines responsables de la pollution Divers processus ainsi que les propri t s du sol et de la couche aquif re sont des facteurs d terminants de cette vuln rabilit Pour mod liser et pr voir la migration des pol luants dans les r seaux hydrologiques souterrains il est indispensable de d finir les param tres qui caract risent ces processus Les principaux objectifs sont la pr ven tion de la pollution et de la d t rioration des ressources d eaux souterraines ou si la contamination s est d j install e la d termination de son origine afin de proposer des solutions pour y rem dier L AIEA s occupe tout sp cialement des applications pratiques des techniques nucl aires et isotopiques qui peuvent contribuer directement ou indirectement la solution des probl mes que pose la pollution des eaux souterraines Nous allons voir comment certaines de ces techniques ont t mises en pratique M Dubinchuk M Plata Bedmar et M Froehlich sont membres de la Division des sciences physiques et chimiques de l AIEA 16 Migration des polluants La mince couche g ologique que traversent les pol luants quand ils migrent de la surface vers les nappes d eaux souterraines peu profondes est une zone non satu
13. r e La vitesse laquelle les eaux et les polluants se d placent dans le sol se mesure avec des appareils sp ciaux Plusieurs tudes ont t faites ou sont en cours l aide de ces instruments et d indicateurs isoto piques dans le cadre de divers programmes nationaux et internationaux dont ceux patronn s par l AIEA En Crim e par exemple la salinisation des eaux souterraines a t tudi e en 1985 1986 et dans la r gion de Tchernobyl on cherche d terminer la migra tion des radionucl ides rejet s par la centrale nucl aire accident e en 1986 Dans les deux cas plusieurs sites ont t am nag s en vue des op rations complexes mener l aide des traceurs isotopiques Il s agissait en particulier d injecter de l eau triti e dans le sol pour tudier sa redistribution dans l espace et le temps afin de d terminer la vitesse de d placement de l eau dans la Zone non satur e ainsi que le temps de s jour et le renouvellement des eaux sou terraines des nappes peu profondes Parall lement des polluants marqu s l aide d isotopes ont t inject s et leurs mouvements ont t observ s Toujours en Crim e on a constat pr s de Djankoy des remont es de sel dues l vapotranspiration et la faible profondeur de la surface pi zom trique figure 1 Dans ce cas un indicateur triple a t utilis solution dans de l eau triti e de chlorure de sodium marqu au sodium 22 et au c
14. ract ristiques dont la porosit dans un sol satur la densit du sol matrice ainsi que la vitesse et la diffusibilit de l eau dans un sol non satur Parfois l valuation des fractures dans les roches consolid es est galement facilit e Quand les isotopes sont utilis s comme indicateurs ils peuvent tre introduits dans un syst me hydrologique donn soit par un pro cessus naturel soit par un exp rimentateur et permettent de suivre le mouvement de l eau et de ses composants Le recours aux indicateurs a une longue histoire Parmi les plus simples les feuilles les clats de bois et les brins de paille servaient observer la direction et la vitesse d coulement des eaux de surface ainsi que leurs interconnections Par la suite diff rents pigments et teintures naturels et artificiels les ont remplac s et sont encore employ s de nos jours La technique des indicateurs a fait un bond en avant au d but du si cle gr ce l invention de la conductim trie et de la colorim trie techniques qui ont permis de mesurer l aide d instruments les sels et colorants m lang s l eau in situ pour servir d indicateurs Les hydrologues de cette g n ration ont utilis ces indicateurs pour l tude hydrologique de la r gion Rhin Danube en Crim e et dans le Karst de Dinara Mais le grand saut dans ce domaine a t fait lorsqu on a d couvert les isotopes et con u les instruments permettant de les mesurer
15. uble indicateur appliqu e pr s de Tchernobyl Tritium C sium 137 Totium w o a 5 8 Lun Q p Lis aa 250 Profondeur centim tres AIEA BULLETIN 4 1990 Intrusion d eau pollu e Un probl me classique de la gestion des eaux est celui de l intrusion dans les eaux souterraines d eau pollu e provenant de lacs de cours d eau ou autres masses d eaux naturelles ou artificielles Au Nicaragua pr s de Managua ce ph nom ne est l tude dans le cadre d un projet de coop ration tech nique de l AIEA l aide d une m thode combinant les isotopes naturels tant radioactifs que stables et des indicateurs artificiels Cette tude porte sur le lac Asososca o se trouve une des quatre principales stations de pompage qui fournit 60 de l eau destin e la population locale Il s est form dans le crat re d un ancien volcan profond de quelque 90 m tres il mesure environ 1 km de diam tre Il est aliment par des eaux souterraines qui pourraient tre recharg es par le lac Managua fortement pollu Aux quatre points de pompage la surface pi zom trique se situe un niveau inf rieur celui du lac Managua cause de l extraction intensive de ces derni res d cennies ce qui implique le risque d une intrusion d eau pollu e du lac Managua dans les eaux souterraines et dans le lac Asososca figure 3 C est pourquoi une tude a t entreprise pour mesurer la vitesse d cou
16. ublique et m me au niveau des autorit s responsables Dans la plupart des cas les isotopes artificiels utilis s en hydrologie et en hydrog ologie ne sont administr s qu de faibles concentrations qui ne pr sentent aucun danger pour les travailleurs le public ou l environnement lorsque toutes les pr cautions n ces saires sont prises en pleine connaissance de cause Quant aux radio isotopes naturels du milieu leur emploi ne pr sente aucun risque particulier AIEA BULLETIN 4 1990 D ailleurs l Agence pr pare actuellement linten tion des chercheurs et des services comp tents nationaux un manuel sur le mode d emploi des indicateurs radioactifs artificiels en hydrologie Autres activit s de l AIEA Dans le cadre des tudes sur la migration des pol luants AIEA s occupe de plusieurs projets touchant l hydrologie et la g ochimie des eaux superficielles et des eaux souterraines En outre plusieurs groupes consultatifs d experts ont t r unis pour d terminer l utilit la fiabilit et les possibilit s d application des techniques nucl aires l valuation des ressources d eaux souterraines parmi les sujets privil gi s citons les techniques de marquage isotopique en hydrologie la vuln rabilit des nappes aquif res le recours aux isotopes des gaz nobles pour tudier les processus qui se d roulent dans l atmosph re et dans l hydrosph re et la mod lisation informatique en hydrologie isotopique
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