Eau souterraine

8/7/2019 Eau souterraine

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Eau souterrainebabylone

Aza masosotra fa ny fiainana efa mahatofoka

SOGOBA

28/04/2011



Eau souterraine Introduction

Les eaux souterraines participent d¶une manière déterminante au cycle de l¶eau. Ellesoffrent des propriétés de régularité, de qualité, et de protection différente de celle qicaractérisent les eaux de surface. Elle entretient le débit de base des rivières et la pérennité deszones humides. Parfois méconnues ou négligé elles jouent cependant un rôle économiqueconsidérable.

Les eaux souterraines sont toutes les eaux se trouvant sous la surface du sol, dans lazone de saturation et en contact direct avec le sol ou le sous-sol.

Les eaux souterraines constituent une provision d'eau potable inestimable pour

l'humanité. Dans plusieurs pays, c'est pratiquement la seule source d'approvisionnement.Les aquifères souterrains sont la réserve majeure (96%) de l'eau douce exploitable sur

les terres émergées. 65% des eaux qui y sont pompées sont utilisées et parfois gaspillées pour l¶irrigation. L'eau potable constitue 25% des prélèvements alors que l'industrie pompe le reste(10 %).

DEFINITION

Une fois dans le sol, l'eau s'infiltre et se déplace dans les matériaux qui composent le sous-sol. Près de la surface, on trouve différents types de roches, dont le granit, le schiste argileux,le grès et le calcaire. Dans bien des régions, le substrat rocheux est recouvert de dépôts desédiments, dont l'argile, le limon, le sable et le gravier. On appelle « formation » une coucherocheuse ou sédimentaire qui est constituée de types de matériaux géologiques en particulier (un ou plusieurs).

Les formations renferment des pores (de petits espaces vides). La « porosité » s'entend duvolume de l'espace poral total du sol contenu dans un volume donné de matériau (roches ousédiments). Elle s'exprime en pourcentage. Plus grande est la porosité d'une formation, plusgrand est le volume d'eau que cette formation est à même de retenir. La porosité deformations de sable et de gravier peut atteindre 25-50 %, tandis que celle de certains substrats

rocheux très denses peut être inférieure à 0,1 %.

Contrairement à la croyance souvent répandue que ces eaux sont stockées dans des sortesde rivières ou de grands lacs souterrains, les eaux souterraines sont contenues dans les poresdes sédiments ou des roches.



TYPES OU SORTES

Les formes de l'eau souterraine

L'eau de constitution

C'est l'eau qui rentre dans la structure cristalline des minéraux (exemple: gypse CaSO4,2H2O).

L'eau de rétention

L'eau d'adsorption (liée). Les molécules d'eau dipolaires sont attirées par des effets desurface sur des ensembles ionisés (comme les argiles) en couche fine. L'eau d'adsorption n'est

pas chassée par centrifugation.

L'eau d'adhésion (pelliculaire). L'eau est retenue à la surface des grains par uneattraction électrique moins forte que dans l'adsorption, elle peut se déplacer.

L'eau capillaire (Frange capillaire): elle se trouve dans les pores, c'est l'eaud'absorption (l'eau recherchée par les racines).

L'eau libre

C'est l'eau de gravité, l'eau disponible pour les nappes phréatiques et les aquifères, etqui est donc disponible et exploitable, par un forage ou un puits.

Type de nappe

Aquifères et aquitards :

Un aquifère est une formation perméable saturée (imprégnée d'eau) qui peut fournir des quantités utiles d'eau par pompage. Les aquifères les plus productifs, constitués de sable etde gravier, sont habituellement vastes et profonds et sont alimentés par les eaux de pluie quis'infiltrent dans le sol.

Les aquitards (ou couches encaissantes) sont constitués de matériaux peu perméables,notamment d'argile ou de schiste argileux, qui opposent une résistance au passage de l'eau.

Les grands types d'aquifères selon l¶emplacement

Les aquifères non confinés (à nappe libre) dont la surface correspond au niveau dela nappe phréatique.

Les aquifères confinés (à nappe captive), des formations perméables sous-jacentes àun aquitard ou « sandwichées » entre deux aquitards.





Les aquifères poreux, l'eau est contenue dans les pores ouverts de la roche et peut ycirculer librement (sables, craie, graviers, grès, scories volcaniques, etc.). La perméabilité estmatricielle.

Les aquifères fissurés, l'eau est contenue et circule dans les failles, fissures ou diaclasesde la roche (calcaires, granites, coulées volcaniques etc.). La perméabilité est fissurale.

Les aquifères k arstiques sont des systèmes complexes particuliers associant une zonesuperficielle plus ou moins fissurée et insaturée (en eau) servant de zone d'infiltration, et unezone inférieure fissurée, présentant également des conduits, grottes etc. Cette zone est saturéeen dessous d'un certain niveau et l'eau circule avec de grandes vitesses comparativement auxsystèmes poreux.

DYNAMIQUE

La vitesse à laquelle l'eau se déplace à l'intérieur d'une formation dépend de la porosité decette formation et, surtout, de la façon dont les pores communiquent entre eux. Ainsi, l'eau se

déplace rapidement dans des formations constituées de matériaux dont les pores sont gros,nombreux et interreliés, comme le gravier ou les roches très fracturées. Par contre, l'eau sedéplace lentement dans l'argile et d'autres formations constituées de matériaux possédant des

pores petits qui ne communiquent pas entre eux. Les formations qui laissent l'eau s'écouler facilement et rapidement, comme celles qui sont constituées de dépôts de sable et de gravier ou de grès sont « hautement perméables ». À l'inverse, les formations constituées d'argile, delimon et de granit non fracturé le sont beaucoup moins.

La nappe phréatique monte ou descend, au rythme des variations saisonnières des précipitations, de l'évapotranspiration et du pompage de l'eau des puits. Tous les puits tirentleur eau d'une profondeur située sous le niveau de la nappe phréatique.

Le pompage de l'eau d'un puits a pour effet de modifier le volume des eaux souterraines etla direction d'écoulement de l'eau sous la surface du sol.

L'eau souterraine peut progresser de quelques centimètres à quelques mètres par jour dansles aquifères de sable ou de gravier, et de dizaines de mètres par jour et même davantage dansdes aquifères constitués de roches très fracturées. Dans certains aquitards, il arrive que l'eaune progresse même pas de quelques millimètres par jour.

En général, l'eau souterraine se déplace depuis des zones de recharge vers des zonesd'évacuation, ces dernières étant les sources, cours d'eau, lacs, terres humides, etc. L'eau quis'infiltre dans des terres hautes ou en amont d'une rivière pénètre dans le sol jusqu'à l'aquifèresuperficiel, puis se déplace horizontalement à travers les différentes formations jusqu'au lit de

la rivière, d'où elle est évacuée

Le parcours exact de l'eau peut être complexe. En général, toutefois, l'eau emprunte latrajectoire qui lui offre le moins de résistance et circule à travers les formations les plus

perméables. Une partie de l'eau de recharge peut aussi descendre dans le sol, traverser desaquifères non confinés et aller alimenter des aquifères confinés plus profonds. Tôt ou tard,

parfois des kilomètres plus loin, l'eau atteint des zones d'évacuation où elle rejoint les eaux desurface.



R EMARQUE : Les eaux souterraines ont donc un rôle de régulation extrêmement important.Ce sont elles qui alimentent ce que l¶on appelle le " débit de base " des cours d¶eau ou débitd¶étiage. Mais toutes les nappes ne sont pas d¶aussi bonnes régulatrices du débit d¶eau : lesnappes libres en sont d¶excellentes, contrairement aux nappes captives.

EXPLOITATION

L'approvisionnement en eau potable

Elle se fait par deux types de puits: le puits de surface et le puits artésien.

On appelle puits de surf ace un puits qui s'approvisionne directement dans la nappe phréatique. Le pompage dans un puits de surface a pour effet de former autour du puits un cône de dépression. Un excès de pompage abaissera le niveau phréatique et pourra contribuer à assécher d'autres puits avoisinants.



Le puits artésien est un puits qui s'approvisionne dans un aquifère confiné par unaquiclude et mis sous pression à la faveur d'une zone de recharge. Le schéma qui suitmontre que la recharge en eau de l'aquifère se fait à partir de la surface du terrain,

créant dans l'aquifère une pression croissante avec la profondeur.

Au point où on a percé l'aquiclude, la pression dans l'aquifère fait en sorte que l'eau va jaillir si la bouche du puits se situe sous la surface piézométrique. Si la bouche du puits sesituait au-dessus de la surface piézométrique, il n'y aurait pas de jaillissement; l'eauatteindrait dans le puits la hauteur de la surface piézométrique. C'est une questiond'équilibre entre la zone de recharge ouverte à la pression atmosphérique et le puits aussiouvert à la pression atmosphérique (le principe des vases communicants). Ceci expliquequ'il faut une zone de recharge qui soit au-dessus de la bouche du puits. On pourrait avoir

facilement un puit artésien dans une plaine qui borde une zone montagneuse, si larecharge se fait en montagne, mais il serait impossible d'avoir un puits artésien jaillissantsi la zone de recharge ne se trouvait que dans la plaine.



âge de l'eau

L'âge de l'eau représente le temps que l'eau a mis pour se déplacer de la surface du solà un point précis du sous-sol. Les scientifiques ont recours à plusieurs méthodes pour déterminer dans quel sens et à quelle vitesse l'eau « voyage », ainsi que son âge.

Dans le cas des puits peu profonds situés dans des aquifères non confinés constitués dematériaux perméables, l'âge de l'eau peut s'exprimer en termes de semaines ou de moisseulement. Par comparaison, l'âge de l'eau peut s'exprimer en années, voire en centainesd'années, dans le cas des puits construits dans des aquifères confinés.

Traitements pour les eaux souterraines

Les eaux souterraines sont généralement de très bonne qualité et ne nécessitent qu'unedésinfection avant distribution (cf. ci-après Traitement des facteurs microbiologiques et

viraux). Toutefois la présence de certaines substances naturelles gênantes peut nécessiter untraitement spécifique. Parmi ces causes, les plus fréquemment rencontrées sont la turbidité

(eau souterraine en zone karstique), la présence de fer et de manganèse, ainsi que, plusrarement en France, d'arsenic, de sélénium et de fluor.

La turbidité (« eaux troubles »), phénomène souvent épisodique, a longtemps ététraitée par filtration directe sur masse granulaire, précédée d'une coagulation (ou collage sur filtre). Ces opérations, décrites ci-après, sont aujourd'hui remplacées par les procédés demicrofiltration et d'ultrafiltration qui consistent à faire passer l'eau au travers de membranesfiltrantes de porosité de l'ordre du micromètre (pour la microfiltration) à quelques centièmesde micromètre (pour l'ultrafiltration), sous l'effet d'une pression plus ou moins élevée (0,1 à0,7 mégapascals).

Le fer et le manganèse sont présents sous forme dissoute (réduite) dans les eaux

souterraines, eaux qui sont également appauvries en oxygène et riches en anhydridecarbonique. Il faut donc effectuer une aération. Pour cela, l'eau traverse un lit de percolation,constitué de matériaux naturels ou artificiels d'une granularité déterminée, conduisant ainsi àune augmentation de la teneur en oxygène dissous, à une diminution de la teneur en dioxydede carbone et, donc, à une oxydation du fer et du manganèse, sous forme d'hydroxyde ferriqueet de dioxyde de manganèse. Les précipités d'hydroxydes sont ensuite séparés de l'eaugénéralement par filtration sur lit de sable. Dans la plupart des cas, et si les conditions le

permettent, il se développe des bactéries spécifiques du fer ou du manganèse, qui facilitenténormément la précipitation des métaux en hydroxydes (c'est la déferrisation et démanganisation biologique). Il est parfois nécessaire d'utiliser un oxydant (ozone ou

permanganate de potassium) pour oxyder le manganèse.

La contamination d'une nappe phréatique

L'enfouissement des substances polluantes doit tenir compte de la nature des terrains. Ce postulat qui semble pourtant des plus évidents n'est pas toujours pris en considération.

Par exemple, un enfouissement sur des matériaux poreux comme les sables et les graviers ne peut conduire qu'à une dispersion des contaminants sur de grandes distances, lentement maissûrement.



On croit généralement que l'enfouissement sur le roc solide est un gage de sécurité. Laroche est souvent fracturée; elle peut alors être très perméable et constituer un excellentaquifère.

La roche de fond n'est pas toujours homogène. Même si l'ensemble des couches apparaît à première vue non fracturé et imperméable, il faut bien s'assurer qu'il n'y a pas une ou des

couches qui soient perméables et qui pourrait agir comme transporteurs de contaminants.

Un enfouissement dans les argiles offre beaucoup moins de risques, car ce genre desédiment est passablement imperméable.

Il faut bien s'assurer cependant que la couche d'argile soit suffisamment épaisse pour que l'enfouissement n'atteignent pas des couches sous-jacentes qui seraient perméables.

Un autre type de contamination est fréquent dans les régions côtières. Il s'agit de lacontamination des puits par l'eau salée. En bord de mer, dans les régions de plaines surtout,les eaux salées, plus denses que les eaux douces potables, s'infiltrent sous ces dernières

jusqu'à une certaine distance à l'intérieur du continent. L'eau douce "flotte" en quelque sorte

sur l'eau salée.

Le pompage de l'eau douce entraîne la création normale d'un cône de dépression à la surfacede la nappe phréatique; en réaction à ce cône de dépression, il se forme un cône inverse sousla lentille pour rééquilibrer les masses de densités différentes.

Un surpompage entraînera un abaissement du niveau phréatique et, en réaction, une remontéede la surface des eaux marines phréatique. Un puits qui pendant un certain temps a pompé del'eau douce peut subitement se mettre à pomper de l'eau salée, comme l'indique le schéma quisuit.



Une montée du niveau marin s'accompagnera d'une montée de la nappe phréatique marinesous la plaine littorale, entraînant le pompage d'eau salée dans les puits. C'est là une situationqui risque de se produire avec la montée prévue du niveau des mers reliée au réchauffementclimatique en cours et qui peut s'avérer particulièrement désastreuse dans les zones deltaïquesà forte densité de population.

L'hydrothermalisme

L'hydrothermalisme constitue un cas particulier chez les eaux souterraines. On sait que latempérature du sous-sol augmente avec la profondeur. Les mineurs savent bien qu'il fait pluschaud à mesure que l'on descend dans la mine. Cette augmentation de température est del'ordre de 30°C par kilomètre (3°C par 100 mètres) dans la plupart des terrains où il n'y a paseu de magmatisme récent: c'est ce que l'on appelle le gradient géothermique. Dans lesterrains qui ont connu récemment du magmatisme (volcanisme, par exemple), le gradientgéothermique est beaucoup plus élevé que 30°C/km. Des eaux chaudes à très chaudes peuventremonter à la surface, donnant lieu à de l'hydrothermalisme.

Un bon exemple d'hydrothermalisme nous est donné par les geysers et sources chaudes duParc Yellowstone aux U.S.A. Dans ce parc national américain (nord-ouest du Wyoming), on

peut observer les manifestations spectaculaires de l'hydrothermalisme, telles les geysers, lessources chaudes, les lacs de boues chaudes et tous les dépôts qui y sont associés. Cette portionde la plaque continentale nord-américaine se situe au-dessus d'un point chaud qui a produit duvolcanisme intraplaque il y a à peine quelques centaines de milliers d'années. Aujourd'hui, lemagma se refroidit et la chaleur se dissipe dans la croûte continentale, créant un flux dechaleur constant, comme l'indique le schéma qui suit.

Les eaux de surface, c'est-à-dire les eaux de pluies, s'infiltrent dans les fractures de lacroûte, sont réchauffées et, comme dans le cas de l'hydrothermalisme des fonds océaniques,

elles sont ramenées à la surface grâce à ce flux de chaleur qui établit une cellule deconvection.

Les eaux hydrothermales sont acides et produisent énormément de dissolution. Ellescréent des réseaux de cavités dans le sous-sol qui est composé par endroits de rhyolite (rochevolcanique) et ailleurs de calcaires.



Le flux de chaleur chauffe l'eau des cavités qui progressivement passe en vapeur. La pression dans les cavités d'un réseau donné augmente progressivement, comme dans unemarmite couverte, jusqu'à ce que, la pression devenant trop élevée, la vapeur soit évacuéesubitement, vidant tout le réseau, comme lorsque saute le couvercle de la marmite. C'est legeyser. Le cycle recommence avec le remplissage à nouveau des cavités par l'eau qui,chauffée, passe en vapeur, puis explose. C'est le cas du fameux geyser "Old Faithfull" àYellowstone qui, depuis des dizaines d'années, fait éruption périodiquement à chaque heure.A Yellowstone, il n'y a pas que des geysers, il y a aussi des sources d'eaux chaudes quiforment des petits chaudrons bouillonnants ou des petits étangs chauds alimentés par dessources provenant d'un réseau où les eaux ne sont pas confinées.

Les eaux des sources hydrothermales et des geysers sont chargées en sels minéraux acquisen profondeur. Avec l'écoulement des eaux en surface, ces sels minéraux précipitent pour former des amoncellements de dépôts siliceux ou calcaires.

Un aspect intéressant de ces sources chaudes est qu'elles constituent une source d'énergiethermique gratuite. Il faut voir cependant qu'elles n'existent en général que dans les régionsqui ont connu du magmatisme récent, mais pas exclusivement. Par exemple, dans lesAppalaches de Virginie (U.S.A.), il y a des sources chaudes qui proviennent d'eaux qui ont étéréchauffées en profondeur uniquement à cause du gradient géothermique; ces eaux cependantont des températures à peine plus élevées que celle du corps humain. En Islande, où l'activité

magmatique est actuelle, on utilise cette forme d'énergie pour le chauffage de serres, ce qui permet une culture qui serait pratiquement impossible autrement sous un tel climat nordique.Aussi, plusieurs attribuent des vertus thérapeutiques à ces sources chaudes et fréquententassidûment les thermes.



CONCLUSION

Une partie des eaux de précipitation ruissellent à la surface des continents pour former lescours d'eau, alors qu'une autre partie s'infiltre dans le sol pour donner ce qu'on appelle leseaux souterraines.

Les eaux souterraines constituent une provision d'eau potable inestimable pour l'humanité.Dans plusieurs pays, c'est pratiquement la seule source d'approvisionnement. Au Québec,nous sommes habitués à compter sur les eaux de ruissellement (lacs, rivières, fleuve) pour notre approvisionnement en eau potable, mais de plus en plus, individus et municipalités setournent vers cette richesse que constituent les nappes phréatiques. Celles-ci contiennent unvolume énorme d'eau exploitable. En milieu urbain ou industriel, les nappes phréatiques

peuvent devenir rapidement fragiles à la surexploitation ou à la contamination. Géologues etingénieurs géologues commencent à peine à faire l'inventaire de cette ressource et àdévelopper des outils pour une protection et une exploitation rationnelles.

Contrairement à la croyance souvent répandue que ces eaux sont stockées dans des sortes

de rivières ou de grands lacs souterrains, les eaux souterraines sont contenues dans les poresdes sédiments ou des roches.



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