Seawater intrusion processes, investigation and management: Recent advances and future challenges

Pour citer cet article : Werner, A. D., Bakker, M., Post, V. E., Vandenbohede, A., Lu, C., Ataie-Ashtiani, B., ... & Barry, D. A. (2013). Seawater intrusion processes, investigation and management: Recent advances and future challenges. Advances in water resources, 51, 3-26.

La gestion des ressources en eau douce constitue un enjeu croissant pour les gestionnaires des milieux naturels. Les aquifères côtiers sont particulièrement vulnérables en raison de leur proximité avec la mer et des fortes pressions liées à la densité de population élevée dans les zones littorales.

L’intrusion d’eau de mer (IEM), définie comme la progression de l’eau marine vers l’intérieur des terres dans le sous-sol, résulte de modifications prolongées — ou parfois brutales — des niveaux piézométriques côtiers, dues notamment au pompage, aux changements d’usage des sols, aux variations climatiques ou aux fluctuations du niveau marin.

Les principaux effets néfastes de l'IEM sont la réduction du volume d’eau douce disponible et la contamination des forages de production : une teneur en eau de mer <1 % (environ 250 mg/l de chlorures) suffit à rendre l’eau impropre à la consommation. L’ampleur mondiale de cette problématique est bien documentée.

Si l’intrusion concerne ici le mouvement souterrain de l’eau salée, les eaux de surface côtières peuvent également être affectées de manière comparable. Les aquifères côtiers sont des systèmes complexes caractérisés par des niveaux d’eau transitoires, des distributions variables de salinité et de densité, ainsi que des propriétés hydrauliques hétérogènes.
Les variations climatiques, le pompage et les fluctuations du niveau marin génèrent des conditions hydrologiques dynamiques, étroitement liées aux relations densité–salinité. Ces processus interviennent à des échelles spatiales et temporelles très diverses, et l’accumulation de phénomènes locaux peut produire des effets à grande échelle sur l’hydrologie côtière et l’intrusion saline.

L’hydrogéologie côtière englobe l’intrusion saline, les décharges d’eaux souterraines sous-marines, l’hydrologie de plage, l’hydrogéologie sous-marine et les études à l’échelle géologique liées à la morphologie littorale. Malgré ces avancées, la dynamique des aquifères côtiers et l'IEM demeurent difficiles à mesurer et à quantifier ; les modèles et données de terrain sont souvent difficiles à concilier, et les prévisions du fonctionnement futur des aquifères restent incertaines à différentes échelles.

Processus d'intrusion d'eau de mer

L'intrusion d’eau de mer est un processus multifactoriel et interconnecté.  Il n’existe pas de mécanisme unique dominant universel. Elle résulte de l’interaction entre : 

→ le mélange dispersif (i.e. dispersion mécanique, c’est-à-dire à l’étalement d’un soluté provoqué par les variations locales de vitesse d’écoulement dans un milieu poreux et qui donne une zone de mélange, dite de transition), 
→ la géologie/sédimentologie du milieu, 
→ les contrastes de densité entre les eaux douces et salées, 
→ le sens d'écoulement de l’eau douce (et son intensité), 
→ les marées, 
→ les actions anthropiques (pompage), 
→ les processus géochimiques,
→ les événements extrêmes.

Tous ces paramètres entrant en jeu, il est particulièrement difficile de prévoir l'intrusion d'eau de mer dans des aquifères côtiers.

Dans tout système d’intrusion saline interviennent des forces de flottabilité (contrastes de densité eau douce / eau salée), des forces advectives (écoulement d’eau douce vers la mer), de la dispersion et de la diffusion, l'ensemble contraint par les limites hydrauliques et géométriques (épaisseur, extension, confinement, sources et exutoires).
⇒ L’intrusion saline est un équilibre dynamique entre ces forces.

Dans le cas théorique idéal, la stratification est stable, l'eau douce est au-dessus de l'eau salée. Lorsque l'eau salée se trouve au-dessus de l'eau douce se produit de la convection gravitaire, ce qui donne des instabilités complexes. 

L'intrusion saline est  un phénomène dépendant de la densité, transitoire, fortement influencé par la géométrie et l’hétérogénéité du milieu. Elle est également contrôlée par l’équilibre entre advection, dispersion et flottabilité. 
⇒ C’est cette combinaison dynamique qui rend le phénomène difficile à prévoir et à gérer.

Zone de mélange dans les aquifères côtiers

 La zone de mélange eau douce–eau salée est un élément structurant des aquifères côtiers. Elle correspond à une transition progressive de salinité et de densité, et non à une interface nette. Sa position et son épaisseur sont cruciales pour la gestion des ressources en eau.

Elle est contrôlée principalement par la dispersion mécanique (longitudinale et transversale), la diffusion moléculaire, les contrastes de densité et le débit d’eau douce.
En régime homogène et stationnaire, l'épaisseur de la zone de mélange dépend de la moyenne géométrique des dispersivités longitudinale et transversale. Les deux types de dispersion jouent un rôle comparable. 

En conditions contrôlées (laboratoire), la zone de mélange est étroite. En revanche, dans le milieu naturel, elle peut s'étendre sur plusieurs kilomètres. L'élargissement de cette zone de mélanges peut s'expliquer par plusieurs forçages transitoires : 

• l'hétérogénéité géologique du milieu, 
• l'existence de transfert de masse entre les zones mobiles et immobiles, 
• l'influence des marées : elles augmentent la dispersion et l'épaisseur de cette zone de mélange, bien que le déplacement net reste faible, 
• les fluctuations saisonnières qui modifient la dynamique côtière, 
• le pompage par puits de forage : en période de pompage actif, la dispersion longitudinale est dominante, tandis qu'en phase stabilisée, la dispersion transversale domine.

Systèmes hétérogènes en contexte d'intrusion saline

Les variations spatiales des propriétés hydrauliques (conductivité, perméabilité) modifient fortement les écoulements, le transport du sel et la géométrie du biseau salé. Elle influence directement la position de l’interface et l’épaisseur de la zone de mélange.

L’échelle des hétérogénéités est déterminante. À petite échelle, au niveau des variations locales aléatoires, l'effet est limité sur l’épaisseur, bien qu'il puisse augmenter la macrodispersion. À grande échelle, celle de la stratification, des discontinuités, des karsts, de la géométrie, l'effet est majeur, avec la création de chemins préférentiels, un transport rapide du sel et une déformation du front salé.

Les grandes structures contrôlent la dynamique globale.

Variations de niveau marin et intrusions salines

Deux grands types de forçages vont jouer sur les intrusions salines : 

• Les forçages réguliers : la marée.
• Les forçages irréguliers, extrêmes : tempêtes, surcotes, tsunamis, transgressions.

L'impact de ces deux types de forçages dépend des propriétés hydrauliques, de la géométrie de l’aquifère, de la morphologie du littoral, des caractéristiques du forçage océanique.

Dans le cas des événements extrêmes avec submersion, la salinisation se fait par infiltration verticale. Quatre mécanismes entrent alors en jeu : l'advection, la dispersion, la diffusion et la convection gravitaire. 

Dans ce cas, l'impact se fait ressentir rapidement sur les lentilles d'eau douce, notamment insulaires. Le temps de récupération pour ces aquifères contaminés est de l'ordre de quelques années. Les tempêtes peuvent donc avoir un effet plus durable que les marées. Ce mécanisme diffère fondamentalement de l’intrusion latérale classique

Dans le cas des effets de marée des sans submersion, les déplacements horizontaux de l’interface sont généralement limités. L'effet principal est l'élargissement et reconfiguration de la zone de mélange. L'effet vertical est souvent plus marqué. Lors des marées de grande amplitude, des mouvements sont effectivement possibles. Les marées modifient surtout la structure interne de l’interface. 
Les marées peuvent élever le niveau piézométrique moyen côtier. Cette surélévation doit être intégrée dans les modèles de gestion.

La houle va rapidement s'atténuer et les surcotes auront un impact spatial plus large. 

La morphologie et l'hétérogénéité du littoral a une importance également. Selon l'importance de la pente de la plage ou la composition des sédiments qui la constitue, le comportement du biseau salé ne sera pas le même. 

Les variations du niveau marin agissent par des mécanismes multiples (vertical, latéral, dispersif), modifient à la fois la dynamique instantanée et les conditions moyennes, ont un impact fortement dépendant du contexte géologique et hydraulique.

Processus hydrochimiques

L’eau de mer a une composition relativement constante tandis que celle de l’eau souterraine côtière varie selon la géologie.
Leur mélange déclenche des réactions eau–roche qui modifient la qualité chimique de l’eau, parfois les propriétés hydrauliques (porosité, perméabilité).

Cas des aquifères carbonatés : le mélange eau douce–eau salée peut dissoudre les carbonates. Cela peut se produire même si chaque eau est initialement à l’équilibre. Ce phénomène est dû à la redistribution chimique et aux effets non linéaires liés à la force ionique. Cela entraine une augmentation de la porosité, le développement de cavités, et cela a donc une influence sur la morphologie côtière.

Des échanges cationiques se produisent entre l'eau de mer et l'eau douce. 
En effet, l'eau de mer a une dominante de Na?, Mg²? tandis que l'eau douce a plus souvent une dominante Ca²?.
Les argiles et la matière organique adsorbent les cations et le déplacement de l’interface entre les eaux douces et les eaux salées perturbe l’équilibre des échanges, ce qui modifie les concentrations dissoutes.
Cela permet notamment d’identifier chimiquement des phases de salinisation ou de dessalement.

Les analyses font ressortir une diminution fréquente du sulfate dans l’eau intrudée. En cause : la précipitation de gypse et la réduction bactérienne des sulfates (matière organique), ce qui peut induire la  précipitation de dolomite ou calcite magnésienne.
L'intensité de ces échanges dépend des conditions hydrodynamiques : en cas d'advection, les réactions sont plus rapides. En cas de diffusion, les réactions sont limitées.

Processus d’oxydoréduction et cycles biogéochimiques : les zones de mélange subissent de fortes transformations redox qui impactent les cycles de l’azote et du phosphore.
Ce point est important dans le contexte des décharges sous-marines.

Effets liés aux variations du trait de côte : l'exposition à l’air de sédiments sulfatés entraine la formation de sols sulfatés acides. L'oxydation des sulfures entraine une acidification et la mobilisation de métaux.
À l’inverse, les phases de submersion marine permettent une neutralisation des sols.

En clair, l’intrusion saline modifie la chimie de l’eau, peut transformer la structure du milieu, influence les cycles biogéochimiques côtiers, interagit avec la morphologie et l’évolution du littoral.

 Remontées coniques (upcoming)

Le pompage dans les aquifères côtiers peut provoquer la remontée verticale de l’eau salée et une réduction de la zone d’eau douce sous les puits de pompage, un processus appelé remontée conique (upconing). Dans certaines conditions, un équilibre peut s’établir, dans lequel un cône stable se développe à une certaine profondeur sous la base de la crépine du puits, de sorte que les forces ascendantes induites par le puits sont compensées par les forces descendantes liées aux effets de densité.

La vitesse et l’ampleur de la remontée conique d’eau salée dépendent de plusieurs facteurs, notamment des propriétés hydrauliques des systèmes aquifères, du débit et de la durée du pompage, de la position initiale de l’interface, du contraste de densité entre l’eau douce et l’eau salée, ainsi que d’autres paramètres tels que les effets de dispersion et de sorption, la recharge des eaux souterraines, le débit régional d’écoulement, et la géométrie du puits et de l’aquifère.

L’upconing est un risque direct pour les captages. Il peut entraîner une dégradation rapide de la qualité de l’eau et est fortement dépendant des conditions locales.

méthodes géophysiques appliquées à l’intrusion saline

Les méthodes géophysiques sont particulièrement adaptées au suivi de l’intrusion saline car il existe un fort contraste de résistivité entre l’eau de mer (très conductrice, ~0,2 Ω·m) et l’eau douce (plus résistive, > ~5 Ω·m). Ce contraste permet de cartographier indirectement la distribution de salinité dans les aquifères côtiers.

Les deux familles de techniques les plus utilisées sont la résistivité en courant continu (DC-resistivity) et les méthodes électromagnétiques (EM).

Résistivité en courant continu

Historiquement, la résistivité a été appliquée dès les premières études en milieu côtier (ex. détection de la profondeur de l’interface à Hawaï), mais les acquisitions étaient alors surtout 1D.
À partir des années 1980, l’apparition des systèmes multi-électrodes et des algorithmes d’inversion a permis des levés 2D et 3D, donnant naissance à l’ERT (Electrical Resistivity Tomography), qui est devenue une méthode courante en hydrogéologie côtière. Les études citées montrent que l’ERT permet d’identifier des zones de mélange et des structures hydrogéologiques contrôlant la salinité, mais que l’interprétation des images électriques nécessite souvent un calage par données de forage (lithologie, salinité, etc.).
En contexte littoral dynamique, la variabilité temporelle du niveau marin peut affecter la résolution et la profondeur d’investigation.

Les applications offshore des méthodes DC sont plus difficiles que sur terre, mais des levés tractés (multi-électrodes remorquées) ont permis de mettre en évidence des extensions sous-marines d’eau douce sur des distances pouvant dépasser le kilomètre, confirmées par forage.
Des profils multi-électrodes sous-marins ont aussi été utilisés pour localiser la décharge d’eaux souterraines sous-marines (SGD), notamment lorsque celle-ci est contrôlée par des hétérogénéités de petite échelle. Le développement de l’imagerie time-lapse (ERT répétée dans le temps) via des réseaux d’électrodes permanents s’est fortement accru.
Des dispositifs en surface et en forage permettent de suivre la dynamique temporelle de la salinité et de relier les variations de résistivité à des forçages environnementaux (pluie, niveau de canaux, marées) à différentes profondeurs et échelles de temps.

La faisabilité démontrée de ces approches a conduit à l’installation de systèmes de suivi permanents et télémétriques dans certains sites pour analyser l’effet du climat et des changements d’usage des sols.

méthodes électromagnétiques

Les méthodes électromagnétiques (EM) sont également très performantes pour cartographier des variations de salinité, avec des approches en domaine fréquentiel (anciennes) et en domaine temporel (plus récentes).
Elles sont souvent utilisées en complément de la résistivité : soit comme outil de reconnaissance rapide pour cibler des zones à investiguer ensuite en ERT, soit via des stratégies d’inversion conjointe visant à réduire la non-unicité des interprétations.

Un avantage majeur des méthodes EM est l’absence de contact requis avec le sol, ce qui a permis le développement de systèmes aéroportés (hélicoptère/avion) capables de cartographier la résistivité sur de vastes zones et dans des secteurs difficiles d’accès. Ces levés peuvent atteindre des profondeurs de l’ordre de centaines de mètres et montrent souvent une forte corrélation entre salinité et hétérogénéité géologique, mais ils doivent être contraints et validés par des mesures au sol et en forage.

Les mesures en forage (diagraphies géophysiques, sondes EM, paires d’électrodes fixes) permettent de caractériser la formation autour d’un puits et parfois de suivre des variations temporelles. Toutefois, la présence de tubages métalliques peut empêcher certaines mesures, et des artefacts durables liés aux fluides de forage (piégés dans des niveaux peu perméables et les scellements) peuvent limiter la résolution et biaiser l’interprétation. Enfin, deux sources majeures d’erreur sont soulignées : le modèle reliant le signal mesuré à la salinité reste approximatif ; le signal géophysique peut varier pour d’autres raisons que la salinité, notamment la lithologie (ex. couches argileuses conductrices).

Ainsi, les cartes de salinité déduites de la géophysique doivent être considérées comme des estimations indirectes, à interpréter avec des données hydrogéologiques et géochimiques complémentaires.

 Traceurs environnementaux

Les traceurs environnementaux constituent un outil essentiel pour identifier l’origine des sels dissous dans les aquifères côtiers.

Bien que l’intrusion d’eau de mer soit souvent la cause la plus évidente d’une augmentation de la salinité, d’autres sources peuvent contribuer : dissolution de sels évaporitiques, eaux salines piégées (connates), remontées de saumures profondes, retours d’irrigation ou apports anthropiques.

Une approche multi-traceurs, combinant données hydrochimiques et isotopiques, permet de distinguer ces différentes origines. Les rapports ioniques (par exemple Cl/Br ou Br/Cl) et les isotopes stables de l’eau (δ¹?O, δ²H), du bore (δ¹¹B), du soufre (δ³?S) ou du strontium (??Sr/??Sr), ainsi que les isotopes radioactifs comme le tritium (³H) et le carbone 14 (¹?C), sont largement utilisés.

Plusieurs études montrent que la salinité observée n’est pas toujours liée à une intrusion marine actuelle.
Dans certains cas, la dissolution d’halite ou de gypse, des saumures anciennes ou des retours d’irrigation expliquent une part importante de la salinité.

Les isotopes du bore permettent de différencier l’eau de mer d’effluents industriels. Le rapport ??Sr/??Sr, fortement influencé par la signature isotopique de l’aquifère, permet d’identifier des mélanges avec des eaux profondes ou de distinguer intrusion moderne et salinité relictuelle.

Les isotopes ³H et ¹?C sont particulièrement utiles pour dater les eaux salées et déterminer si l’intrusion est récente ou héritée de phases marines anciennes, notamment liées aux variations holocènes du niveau marin.

Les analyses statistiques multivariées (analyse factorielle, ACP) complètent ces approches en aidant à distinguer les types d’eau et à regrouper les échantillons selon leur signature chimique.

En résumé, les traceurs environnementaux permettent de différencier intrusion saline moderne, salinité relictuelle et apports anthropiques, et constituent un complément indispensable aux approches hydrodynamiques et géophysiques pour comprendre l’évolution des aquifères côtiers.

Intrusion saline, changement climatique et élévation du niveau marin

Le changement climatique et l’élévation du niveau marin constituent des facteurs majeurs susceptibles d’aggraver l’intrusion saline dans les aquifères côtiers. Les pressions hydrologiques futures — modification des régimes de recharge, augmentation de l’évapotranspiration, élévation du niveau marin — peuvent agir directement sur la position de l’interface eau douce–eau salée ou indirectement via des effets secondaires (augmentation des pompages en climat sec, submersions marines plus fréquentes, salinisation des eaux de surface).

Les études de cas montrent une grande variabilité des réponses selon le contexte hydrogéologique.

Pour une élévation du niveau marin de l’ordre de 50 cm, les avancées de l’interface peuvent aller de quelques centaines de mètres à plusieurs kilomètres. Dans certains aquifères confinés, l’impact est faible, tandis que dans des aquifères peu profonds et non confinés, la salinisation peut être significative.

Un facteur déterminant est la condition à la limite continentale : dans les systèmes contrôlés par les flux (où la décharge d’eau douce vers la mer se maintient), l’intrusion liée à la montée du niveau marin reste limitée (de l’ordre de dizaines de mètres). Dans les systèmes contrôlés par les charges hydrauliques (où la remontée de la nappe est contrainte par des lacs, rivières, zones humides ou dispositifs de drainage), l’intrusion peut atteindre plusieurs kilomètres.

Une conclusion générale est que la gestion des aquifères côtiers doit permettre à la surface piézométrique de s’élever en cohérence avec la montée du niveau marin afin de limiter la progression de l’intrusion.
Les interactions entre élévation du niveau marin et variations de recharge sont complexes. Dans de nombreux cas, une diminution de la recharge liée au changement climatique pourrait avoir un impact plus important sur la disponibilité en eau douce que la seule élévation du niveau marin.

Toutefois, dans certains systèmes à contrôle par charge hydraulique, la montée du niveau marin peut devenir le facteur dominant.
Les analyses analytiques ont permis d’identifier des conditions critiques de vulnérabilité, notamment un débit minimal de décharge d’eau douce vers la mer nécessaire pour éviter une intrusion active.

Cependant, ces approches supposent souvent des conditions stationnaires. Les études numériques transitoires montrent que la réponse des aquifères à la montée du niveau marin peut s’étaler sur des décennies à des siècles, avec parfois un phénomène de « dépassement transitoire » (overshoot), où l’interface progresse temporairement plus loin à l’intérieur des terres que sa position d’équilibre final.

Les délais et l’ampleur de la réponse dépendent notamment de la conductivité hydraulique, de la recharge et de la porosité efficace.

En résumé, l’impact du changement climatique sur l’intrusion saline dépend fortement des caractéristiques hydrogéologiques locales et des conditions aux limites. Si la montée du niveau marin constitue un facteur important, les variations de recharge et les conditions de gestion des aquifères peuvent jouer un rôle tout aussi déterminant, voire supérieur dans certains contextes.