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Prévention des Risques

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Annexe 5 : incidence des gravières sur le complexe rivières / nappes alluviales

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1er juin 2010

1. Introduction

L’ouverture d’une gravière dans une nappe alluviale est susceptible d’entraîner des répercussions sur la nappe elle-même, mais également sur la rivière qui lui est liée. En effet, même si un cours d’eau et sa nappe alluviale en régime normal ne présentent pas toujours des échanges d’eau importants en volume, ils font partie d’un seul et même système qui doit être considéré dans son ensemble. C’est d’ailleurs ainsi que le veut la loi du 03 janvier 1992.
Les répercussions principales sont les suivantes :

  • la disparition irréversible d’espaces qui participent au fonctionnement du système aquatique : mortes, zones humides, chenaux d’écoulements, prairies ou forêts alluviales, etc…,
  • la découverte de la nappe aquifère, mise directement au contact de l’air et des eaux superficielles, et ainsi rendue particulièrement vulnérable à la pollution,
    la modification locale de la piézométrie de la nappe en créant un rabattement du niveau en amont de la gravière et une surélévation du niveau en aval de celle-ci (figure 1a),
  • la mise en suspension de fines argileuses dans l’eau, ce qui provoque le colmatage du fond et des berges de la gravière et limite ainsi les échanges avec la nappe. En cas de colmatage important, on peut aboutir à une surélévation générale du niveau de la nappe dans la gravière, avec risque de débordement à l’aval (figure 1b).
    Au-delà de ces conséquences directes, des répercussions indirectes qui peuvent en résulter, telles que la modification des conditions d’écoulement et du régime des crues, la déstabilisation des berges, l’aggravation des inondations ou le déplacement du lit du cours d’eau, sont suffisamment importantes pour qu’on y prête attention. La création de milieux sans valeur et dépourvus de potentiel, qu’il soit biologique, ludique ou économique, est également une perspective à éviter.
    Il importe donc de connaître les impacts possibles, afin de les prévenir et de maîtriser sur le long terme l’évolution des milieux nouvellement créés.
    On constate à ce propos que les effets, qui peuvent apparaître longtemps après la création de l’excavation et parfois à distance de celle-ci, sont toujours durables, et coûteux à corriger a posteriori. Il est de surcroît difficile de les prévoir avec une grande précision. D’une part, le vieillissement des gravières est mal connu au-delà de deux ou trois décennies. D’autre part, un grand nombre de facteurs variables d’un site à l’autre et interdépendants rend impossible une systématisation des conclusions, et impose des études particulières pour chaque cas.
    Cependant, en ce qui concerne l’impact des carrières en eau sur les eaux souterraines en milieu alluvial, diverses études permettent de les préciser (cf. annexe 1).

2. Incidence hydrodynamique

L’ouverture d’une gravière dans un aquifère doit s’effectuer sans modification importante des écoulements et de la qualité des eaux.
Cette double contrainte n’est cependant pas symétrique. En effet, dans une nappe transmissive et bien alimentée (cas le plus fréquent), les perturbations d’écoulement engendrées par un plan d’eau sont limitées et restent proportionnelles au débit d’échange.
Le problème fondamental est celui de la vulnérabilité de la nappe vis à vis des modifications physico-chimiques importantes des eaux de la gravière, imputables à une pollution accidentelle. Sous cet aspect, l’incidence hydrodynamique d’une gravière sur la nappe est liée à l’importance des débits échangés qui dépendent, d’une part, de l’anisotropie et du colmatage du matériau alluvionnaire, d’autre part, de la géométrie et de la pénétration de l’excavation dans la nappe.

2.1. Rôle de l’anisotropie et du colmatage du matériau alluvionnaire
L’anisotropie d’un dépôt alluvionnaire aquifère étant définie par le rapport de la perméabilité horizontale à la perméabilité verticale, on constate que :

  • pour un colmatage faible ou nul de la gravière, les débits échangés décroissent quand l’anisotropie augmente,
  • pour un colmatage important, les débits croissent avec l’anisotropie.
    L’épaisseur de la frange colmatée peut atteindre 1,5 m avec des perméabilités comprises entre
    10-8 et 10-5 cm/s.
    Le colmatage affecte d’abord le fond de la gravière par sédimentation des particules fines perdues lors de l’extraction et, parfois, des résidus de lavage des matériaux.
    Les échanges hydrauliques se font essentiellement par les berges notamment en Franche-Comté où les gisements alluvionnaires, relativement peu épais, sont exploités jusqu’au substratum constitué souvent par des terrains très peu perméables, argileux ou marneux.
    Il existe une valeur critique du colmatage, fonction des dimensions de l’excavation, pour laquelle les écoulements ne sont pratiquement pas perturbés. En deçà de cette valeur, la gravière se comporte comme un "aimant" hydraulique vis à vis des lignes de courant ; au-delà de la valeur critique, c’est un effet de barrage hydraulique qui est observé (cf. figure 1a).

2.2. Rôle de la géométrie de la carrière et de sa pénétration dans la nappe
Les débits échangés entre la gravière et la nappe croissent avec :

  • les dimensions, en plan, de la gravière,
  • le coefficient de pénétration dans la nappe (rapport de la profondeur d’exploitation à la puissance de la nappe et ce, d’autant plus que ce coefficient se rapproche de 1, cas le plus fréquent en Franche-Comté).
    Il en résulte une influence notable du mode d’extraction des alluvions et on constate que le débit échangé croît :
  • d’une part, plus rapidement avec la profondeur qu’avec les dimensions horizontales de l’excavation, ce qui conduit à privilégier une exploitation par mode mixte, c’est à dire par tranches horizontales avec enfoncement progressif (pour les gisements les plus épais),
  • d’autre part, pour une surface donnée, avec le nombre de gravières, ce qui conduit à privilégier une grande gravière à plusieurs petites unités dispersées.

Par ailleurs, on notera que les carrières en nappes alluviales peuvent présenter des aspects positifs tels que le drainage, l’augmentation du volume des réserves, l’aptitude à écrêter les crues (pour les exploitations de grande taille).

3. Incidence sur la qualité des eaux

3.1. Différenciation entre eaux des gravières et celles des nappes d’accompagnement
Des études comparatives effectuées sur des gravières et sur des eaux de nappes prélevées dans des ouvrages implantés au voisinage ont permis de faire un certain nombre de constatations.
Les eaux des gravières et celles des nappes alluviales dans lesquelles elles sont implantées sont peu distinctes si on les compare dans le cadre de la nomenclature de classification des eaux. Dans le détail, plusieurs paramètres permettent toutefois de les distinguer.
En effet, après la mise à nu de la nappe, l’eau drainée dans la gravière subit une certaine évolution caractérisée par :

  • Une régression de la minéralisation globale liée à la mise en contact de l’eau et de l’air, ce qui provoque une modification de la pression partielle en CO2 dans l’eau, entraînant principalement la décroissance des bicarbonates de calcium dans celle-ci.

Lorsque les eaux sont de type bicarbonaté calcique, ce qui est généralement le cas en Franche-Comté, les principaux paramètres en diminution sont : HCO3, Ca++, résidu sec à 110°C, CO2 libre, NO3-. On constate également une diminution des teneurs en Fe et Mn, sauf lorsque les terres de découverte sont déversées dans le plan d’eau car ces matériaux, constitués de limons et d’argiles, sont généralement chargés en Fer et en Manganèse.
Corrélativement, ce phénomène se traduit par une augmentation du pH et de l’Oxygène dissous, et, dans une moindre mesure, Mg++ et SO4—. Toutefois, en ce qui concerne SO4—, on constate que la teneur des eaux de la nappe est inférieure à celle des gravières récentes et supérieure à celle relevée dans les gravières anciennes ou abandonnées.
Les teneurs en Na+, K+, Cl-, PO4---, SiO2 restent à peu près stables.

  • Une augmentation des mélanges avec la matière organique, animale et végétale se traduisant par :
    • l’augmentation des paramètres "Oxygène cédé par KMnO4" (qui est en rapport avec le taux de matières organiques dans l’eau), Carbone organique total, écart (RS 110 - RS 500),
    • le développement des germes bactériologiques et des valeurs des paramètres liés au phytoplancton (ex : chlorophylles, phéopigments),
    • la production d’azote avec légère croissance de NO2- et NH4+.
  • Une variation des valeurs de certains paramètres, au rythme des saisons et des années. En période estivale, on constate l’augmentation dans les eaux des gravières de la température, de la matière organique, de N, NH4+, NO2-, Fe++, SO4— alors qu’à cette même époque, les teneurs en Ca++, HCO3- et NO3- fléchissent nettement.
  • Par ailleurs, il a été montre que les eaux des gravières peu profondes (n’excédant pas 10 m), acquièrent la majorité de leurs caractéristiques dans un temps très court (n’excédant pas un an), après la mise à nu de la nappe .

Cette évolution de la qualité de l’eau dans la gravière par rapport à celle de la nappe s’explique en partie par le phénomène de photosynthèse mis en oeuvre par les organismes végétaux.
La synthèse des glucides est effectuée avec absorption d’acide carbonique et dégagement d’oxygène. La diminution de la pression partielle de CO2 entraîne la précipitation des carbonates de calcium et de magnésium, l’augmentation du pH et la transformation des bicarbonates en carbonates. L’augmentation du pH de l’eau provoque la formation d’hydroxyde de fer Fe (OH)3 qui précipite, d’où une diminution des teneurs en fer.
Les variations saisonnières de HCO3 peuvent être rattachées à des variations d’intensité du phénomène de photosynthèse.
La présence de niveaux organiques (tourbeux par exemple) dans les dépôts alluvionnaires peut entraîner une mise en solution des sulfates qui se fait d’autant mieux que les eaux sont riches en oxygène, ce qui est le cas des gravières en exploitation.
La diminution des sulfates avec l’âge de la gravière peut être attribuée à l’activité de micro-organismes réduisant les sulfates, avec formation de sulfures et d’hydrogène sulfuré.
Les mécanismes qui viennent d’être décrits contribuent au colmatage de la gravière. Ce phénomène qui dépend de la composition des eaux de la nappe est généralement lent. Il est accéléré par le dépôt des éléments fins perdus en cours d’extraction et, éventuellement par le rejet des résidus de lavage.

3.2. Impact qualitatif des eaux de gravières sur celles de la nappe
L’impact qualitatif des eaux des gravières sur les eaux des nappes d’accompagnement résulte de trois phénomènes :

  • la différenciation des eaux des gravières vis-à-vis de celles de nappes dont elles sont issues (cf. paragraphe 3.1.),
  • la modification des caractéristiques des aquifères localisés en aval hydraulique immédiat des plans d’eau,
  • la dilution des eaux en provenance des gravières avec celles des nappes (réceptacles), fonction de la perméabilité et du coefficient d’emmagasinement des aquifères.

Toutes les études ont montré que les modifications de la composition des eaux de nappes localisées en aval hydraulique des gravières sont peu importantes :

  • Les teneurs en bicarbonate de calcium ne sont pas significatives. Le plus souvent elles sont en diminution, ce qui confirme la déminéralisation des eaux des gravières ; mais parfois on constate une augmentation dont l’origine peut être rapportée à la présence des matières organiques en suspension ; parfois aussi, les concentrations en bicarbonates de calcium ne sont pas modifiées de façon notable.
  • On constate généralement une diminution de NO3, Fe, Mn sauf lorsque les terres de découverte argilo-limoneuses sont déversées dans le plan d’eau, ce qui a pour effet d’augmenter les concentrations en Fe et Mn dans la nappe, en aval hydraulique de celui-ci.
  • Les autres paramètres sont peu modifiés : pH, matière organique (faible augmentation), Na, K, Cl, SO4 (faible augmentation), PO4, SiO2.
  • L’impact thermique apparaît comme le paramètre le plus sensible mais les modifications de la température des eaux souterraines entraîne peu de nuisances.
  • Le nombre de germes-tests est en faible augmentation. En effet, la comparaison du nombre de germes-tests dans les gravières et en aval de celles-ci montre un très fort abattement de ceux-ci, dès qu’ils transitent dans le sous-sol (filtration naturelle).

3.3. Extension de l’impact qualitatif des gravières en eau
Les études ont montré que l’impact thermique (paramètre le plus sensible) des gravières sur les nappes alluviales atteint un maximum de 250 m en aval. En fait, à cette distance, l’impact physico-chimique et bactériologique n’est plus perceptible en raison essentiellement des effets de dilution.
Par ailleurs, l’impact des gravières sur les nappes est souvent limité en aval par la présence de barrières hydrauliques constituées par les cours d’eau qui les drainent. Là encore, les faibles débits des eaux souterraines (quelques litres/heure/ha) n’apportent pas de modifications notables à celles des rivières.
Pour les gravières peu profondes, cas général en Franche-Comté, il n’a pas été possible de relier l’impact sur les eaux des nappes ni à l’un des paramètres suivants, ni à plusieurs de ceux-ci pris en compte simultanément :

  • ancienneté, superficie et profondeur de l’exploitation,
    pourcentage des berges recouvertes de vase (berges dont la pente est inférieure à 20°),
  • épaisseur moyenne des boues (ou vases) sur les fonds,
  • gradient hydraulique plan d’eau-nappe et présence ou non d’un exutoire en rivière.

En fait, les résultats semblent confirmer que les transferts des plans d’eau vers les nappes sont surtout effectifs au début de l’exploitation. Les modifications saisonnières mises en évidence dans les eaux des nappes, en aval, sont de peu d’importance.
Il n’en reste pas moins vrai que, comme les calculs hydrauliques le montrent, l’étendue de l’alimentation des nappes par les eaux des gravières est fonction de la superficie et de la profondeur des excavations, de la présence ou non d’un exutoire en rivière et surtout de la position hydraulique des plans d’eau. Exemples :

  • amont d’une rivière drainante,
  • forme allongée du plan d’eau dans le sens d’écoulement de la nappe,
  • forme allongée perpendiculairement au sens d’écoulement de la nappe.

3.4. Conclusion
D’une manière générale, les impacts qualitatifs des gravières sur les eaux souterraines sont peu importants et n’ont pas, à proprement parler, d’aspect négatif si ce n’est de rendre ces dernières plus vulnérables aux pollutions en les exposant directement à l’air après décapage de la couverture argilo-limoneuse protectrice.
Certains aspects positifs comme la diminution des teneurs en nitrates (cf. figure 2) et localement en fer et manganèse dans les carrières en eau peuvent même être mis à profit pour améliorer la qualité des eaux captées pour l’alimentation en eau potable des collectivités. Exemples :

  • gravières de la vallée de la Garonne (abaissement des concentrations en nitrates),
  • bassin créé dans les alluvions de l’Ognon, en amont de l’un des puits alimentant le Syndicat d’Auxon - Chatillon-le-Duc, au Nord de Besançon, pour réduire les teneurs en fer et manganèse des eaux captées.

4. Conclusion et recommandations

L’étude de l’influence du creusement de gravières en eau sur les systèmes rivières/nappes d’accompagnement, met en évidence que les risques de dégradation des espaces sont parfois considérablement augmentés. Cependant, les plans d’eau peuvent jouer un rôle mineur sur l’écoulement et la qualité des eaux souterraines, à condition toutefois de respecter un certain nombre de précautions :

  • D’une manière générale :
    • les prescriptions édictées par le SDAGE du bassin Rhône-Méditerranée-Corse, développées dans la note technique spécifique et reprises partiellement dans le présent schéma (cf. paragraphe 5.4.2.).
  • Dans les zones dépourvues de puits de captages :
    • pour limiter le débit d’échange gravière-nappe, concentrer l’exploitation sur de grosses unités et procéder par tranches horizontales avec enfoncement progressif,
    • pour limiter le colmatage, faire progresser l’exploitation de l’amont vers l’aval (par rapport à la direction d’écoulement de la nappe) ; adopter un système de lavage en circuit fermé avec des bassins spécifiques pour la récupération des fines ; éviter de réinjecter directement des eaux très chargées dans le futur bassin.
  • Dans les zones où il existe des captages en exploitation ou en projet, ou dans les zones de fort intérêt pour l’alimentation en eau potable (ressource potentielle élevée) :
    • le colmatage de la berge aval (par rapport à la direction d’écoulement de la nappe) peut limiter les flux polluants de la gravière vers la nappe, et renforcer le rôle de filtre à l’égard d’une contamination. Ce colmatage peut se faire, soit par remblaiement par des matériaux appropriés inertes (proscrire tous matériaux susceptibles de larguer des produits indésirables), soit par profilage de la berge en pente douce, de façon à favoriser le développement d’une ceinture végétale.

Voir l’histogrammes de distribution des teneurs de nitrates dans les eaux

Cependant, le colmatage de la berge peut entraîner des inconvénients :

  • risque de débordement à l’aval,
  • risque d’eutrophisation de l’eau, par entrave du cycle de minéralisation de la matière organique, entraînant un dépôt de vase et une dégradation de la qualité de l’eau du bassin.

Dans ces conditions, l’implantation d’une gravière nécessite une étude hydrogéologique détaillée, tenant compte de la position des captages, de l’écoulement de la nappe défini par des mesures piézométriques et du cône d’influence des captages, fonction des caractéristiques hydrodynamiques (transmissivité, coefficient d’emmagasinement, limites étanches ou d’alimentation).

  • En cours d’exploitation, on interdira les rejets dans le plan d’eau. Afin de réduire les risques de pollution accidentelle par les hydrocarbures, le stockage et la manutention de ceux-ci ainsi que l’entretien des véhicules et engins se feront à l’écart de la plaine alluviale ou, à défaut, sur des aires imperméables avec bacs de rétention.

On contrôlera la qualité des eaux de la nappe sur des piézomètres à installer à la périphérie de la gravière. Si nécessaire, on établira des systèmes de captation de pollutions ayant gagné la nappe entre les bassins et les captages.

  • En fin d’exploitation, on protégera la gravière contre les risques de pollution accidentelle. On peut envisager :
    • soit, pour les carrières modestes, un remblaiement avec des matériaux strictement inertes et perméables (afin de ne pas trop perturber les conditions d’écoulement de la nappe),
    • soit, pour les carrières plus importantes, un aménagement réservé à des activités de loisirs non polluantes (réserve écologique, baignade, pêche, voile…).

D’une façon générale, l’aménagement "naturel" des gravières sans apport de remblais ne pose pas de problèmes réels quant à la qualité de la nappe localisée en aval hydraulique. Le colmatage des berges est plus ou moins rapide. L’évolution de la qualité de l’eau des gravières vers une eutrophisation est faible si les échanges avec la nappe restent élevés. Le "vieillissement" des gravières n’induit pas d’impact décelable sur les eaux à l’aval. Il est à remarquer que la pêche et la baignade pratiquées modérément sur les plans d’eau n’engendrent pas de dégradation de la qualité générale de l’eau.

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Impact de l’exploitation des graviers sur les nappes d’eau souterraines, car beaucoup de ces nappes souterraines dépendent des dépôts de graviers depuis des temps immémoriaux dans différentes vallées telles que celles de la Tamise et de la Trent.

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1979 - VALENTIN, GRAILLAT
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SGR ALS, in bull. BRGM, sec. III, n° 1, 1979, P. 19-26.
1981 - ARQUIE G., PELLECUER P.
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PIREN, Projet (caduque) présenté à Strasbourg en février 1983.
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1985 - EBERENTZ P.
Impact thermique des ballastières sur les eaux superficielles et souterraines.
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1985 - HOUERT-CAMUS L.
Contribution à la connaissance de l’impact chimique des ballastières en eau sur la qualité des nappes phréatiques de Basse Normandie.
M.S.T. Env. U. de Rouen, BRGM SGR de Haute-Normandie £. Rap. de stage 24 p. + annexes

Présente une comparaison statistique d’analyses chimiques d’eaux (type I et II) de 39 captages en aval hydraulique de ballastières (d < 5 km, dont 17 < 500 m) avec celles des autres captages de la région, la période d’investigation fut de 5 ans, et mille analyses furent traitées. Aucune variation notable de la qualité des eaux imputables aux carrières est mise en évidence. Seules des augmentations de concentration sembleraient se produire pour les nitrates et les sulfates, mais pour les sulfates une étude complémentaire est souhaitée afin d’infirmer ou de confirmer l’impact des gravières qui, de toutes façons, est faible ; pour les nitrates leur grande variabilité spaciale n’autorise à aucune conclusion.

1985 - SINOQUET C.
Qualité physico-chimique des eaux de gravière et impact sur le milieu environnant - Analyse globale et approche particulière.
E.N.I.T.R.T.S. et Un. L. Pasteur I.M.F. de Strasbourg, Mém. DEA de Méc., opt. sc. et techn. de l’eau, 86 p., 76 fig., 40 ann., 1985.

L’impact thermique est lié à la profondeur de la gravière : faible, elle réchauffe l’eau souterraine en été et la refroidit en hiver ; forte, elle peut, du fait de la stratification thermique, rafraîchir l’eau de la nappe en été. En Alsace, sur la Wantzenau, la température et les chlorures permettent de localiser les zones d’échange avec la nappe. Plus généralement, une dilution est constatée à l’aval immédiat. Ce schéma reste valable dans le cas d’une contamination uniforme de la gravière avec cette nuance que, selon la masse volumique du polluant, la contamination affectera les zones superficielles ou profondes de l’aquifère. Une solution réside dans son colmatage artificiel lorsqu’une gravière constitue une source de pollution potentielle chimique pour l’aval.

1986 - DONVILLE B.
Evolution des teneurs en nitrates des lacs de gravières. Effets sur les eaux souterraines dans le département de la Haute Garonne.
Conseil Gén. de la Haute Garonne, Lab. Géol. Géochrono, U. Paul Sabatier £., 17 p. + annexes.
1986 - DURBEC A.
Sectorisation des berges des ballastières en eaux - application à l’étude des échanges hydrodynamiques avec la nappe phréatique d’Alsace au Nord de Strasbourg.
200 p. + fig. Inst. de méca. des fluides UA CNRS 854, MIN. de l’AGR. E.N.I.T.R.T.S. £, thèse d’université, U. Louis Pasteur de Strasbourg.

Ce travail propose une méthodologie d’étude des sites alluviaux graviérables. Les trois premières parties présentent les concepts fondamentaux impliqués et les moyens d’investigation qui se rapportent aux domaines hydrogéologique, hydrodynamique et hydro-écologique. L’observation in situ, les carottages en plongée sous-marine, la télédétection infra-rouge et les mesures de conductivités hydrauliques et des paramètres chimiques en laboratoire sont exposés dans deux parties d’expérimentation originale sur le colmatage des gravières. Une méthode de diagnose hydroécologique du colmatage est proposée. Dans la sixième partie, une synthèse des résultats obtenus permet de présenter une modélisation mathématique des échanges hydrodynamiques entre la nappe phréatique, les gravières et les rivières de la Wantzenau, au Nord de Strasbourg.

1986 - DURBEC A.
La thermographie aérienne appliquée au suivi des échanges hydrodynamiques souterrains en site alluvial graviérable.
Comm. séminaire G.S.T.S., Strasbourg 16 janvier 1986.
1986 - DURBEC A., MUNTZER P., ZILLIOX L.
Visualisation par thermographie aérienne des échanges hydrodynamiques entre la nappe phréatique, les cours d’eau et les gravières.
In Revue de la Société Française de Photographie et de Télédétection, n° 102.
1986 - DURBEC A., MUNTZER P., ZILLIOX L.
La télédétection en Alsace, un nouvel outil pour la connaissance des échanges hydrodynamiques en site graviérable.
In Hydrogéologie n° 1, p. 61-63.

Le procédé de thermographie aérienne est utilisé sur un système d’échanges hydrodynamiques complexes au Nord de Strasbourg, qui comprend la nappe phréatique, les gravières en eau, des fossés et des cours d’eau. Les clichés "infrarouge" pris en période de dégel permettent de visualiser le sens des échanges en basses eaux entre les différents éléments du système. Ainsi, la sectorisation des berges de trois principales gravières fut mise en évidence.

1986 - EBERENTZ P.
Connaissance de l’impact qualitatif des gravières en eau sur les nappes souterraines (EG 116).
Rap. d’avancement, NT 86 RHA 059, 7 p. + 2 annexes.
1986 - MARGAT J., ROUX J.C.
Interactions des impacts des aménagements et des exploitations sur les eaux de surface et les nappes souterraines.
Note tech. 86 ENV 003, 11 p., comm. 19ème jour. de l’Hydraulique de la Société Hydrotech. de Fce.
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Impact qualitatif des ballastières sur les nappes souterraines. Analyse des paramètres floristiques.
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Connaissance de l’impact qualitatif des gravières en eau sur les nappes souterraines.
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1987 - EBERENTZ P., RINCK G.
Impact qualitatif des carrières en eau sur les nappes souterraines - Rapport de synthèse.
Rap. BRGM 87 SGN 567 HNO-ALS, 25 p., 7 fig., 2 annexes.

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