Ce travail vise à étudier les mécanismes hydrologiques et biogéochimiques de la recharge des nappes à surface libre. La recharge des nappes à surface libre est un maillon essentiel dans le cycle hydrochimique des bassins versants sur socle. Avant d'être transférés de la nappe vers le réseau hydrographique, les solutés transitent dans la zone non saturée constituée de sol et d'altérite. Nous nous intéressons aux solutés anioniques et plus particulièrement aux nitrates compte tenu des enjeux environnementaux que revêt la pollution diffuse azotée. <br /><br />Les mécanismes hydrologiques et biogéochimiques de la recharge des nappes ont été caractérisés et étudiés en conditions naturelles sur le bassin versant de Kerbernez sur l'ensemble du continuum zone non saturé / zone de fluctuation de nappe / zone saturée en permanence, par modélisation numérique sur un versant théorique et par traçage sur une colonne d'arène granitique. L'activité bactérienne dans la zone non saturée profonde a été quantifiée par expérimentations en batch.<br /><br />Les observations faites dans la nappe à Kerbernez montrent que si les concentrations sont très stables en profondeur, elles présentent de fortes variations en surface à l'échelle de l'année hydrologique, particulièrement dans la zone de fluctuation de nappe. La zone de fluctuation de nappe est une zone active de mélange entre des eaux d'origine et d'âge différents, et où des transferts latéraux rapides peuvent avoir lieu. <br />L'inaptitude des modèles classiques de transfert (Convection-Dispersion et Mobile-Immobile) à reproduire les traits caractéristiques des variations chimiques dans la zone de fluctuation de nappe a été montrée, confirmant la nécessité de prendre en compte l'hétérogénéité des écoulements.<br />Ainsi, nous proposons une représentation du milieu sous forme de deux compartiments de porosité mobile, un lent et un rapide, expliquant l'origine des fortes variations chimiques intra-annuelles dans la zone de fluctuation de nappe. <br />Les courbes d'élution en sortie de colonne au laboratoire montrent que la dispersion des solutés augmente en régime de fluctuation de nappe par rapport aux régimes d'écoulement stationnaire. Ces fortes dispersions seraient le résultat de l'activation alternée de chacun des deux compartiments de porosité mobile, activation contrôlée par le degré de saturation du milieu. <br />Les variations inter-annuelles des concentrations en conditions naturelles dans la zone non saturée nous ont conduit à définir un troisième compartiment de porosité immobile échangeant par diffusion avec les autres compartiments de porosité. Nous avons par ailleurs montré à partir de l'analyse des concentrations mesurées sur le terrain et dans les incubations au laboratoire que de la dénitrification hétérotrophe se produisait dans la zone non saturée profonde. Le compartiment immobile de la porosité serait le lieu de cette dénitrification.

Ce travail a pour objectif d'identifier et de modéliser les mécanismes physico-chimiques régissant les écoulements d'eau et les transferts de solutés dans un milieu poreux consolidé fissuré.<br />Un dispositif expérimental original a été mis en place, où un milieu fissuré modèle est reproduit en empilant des cubes poreux consolidés de 5 cm de côté : le « cube ». En parallèle, des études sont menées sur des colonnes du milieu poreux consolidé homogène. La même technique de traçage anionique est utilisée dans les deux cas. Selon une approche de dynamique des systèmes, on sollicite le dispositif avec des créneaux de concentration en traceur, pour obtenir des courbes de percée. Après avoir identifié bilan de masse et temps de séjour, nous avons calé les modèles CD et MIM sur les données expérimentales. <br />Le modèle MIM permet de reproduire les courbes expérimentales sur le milieu poreux consolidé homogène de façon plus satisfaisante que le modèle CD. On obtient une fraction d'eau mobile en cohérence avec la géométrie du milieu poreux. L'étude de l'influence de la vitesse de l'écoulement met en évidence un régime de dispersion d'interférence. L'influence de la longueur d'observation n'a pas pu être mise en évidence dans ce cas.<br />Nous avons par contre mis en évidence un effet de l'échelle d'observation sur le milieu poreux et fissuré en comparant les résultats obtenus sur un petit « cube » et un grand « cube ». Le modèle CD n'est pas satisfaisant dans ce cas. Si le modèle MIM permet de reproduire les courbes de percée expérimentales, il n'a pas été possible de caler des paramètres uniques pour toutes les expériences.