gille - géol cours II hydrologie étudiants

IntroductionIntroduction : des notions de géologie pour comprendre l’environnementla notion de milieu naturel, l’environnement et l’eau, agent à l’interface lithosphère - atmosphère - biosphère

II ElElééments de Gments de Gééologie gologie géénnééraleraleI-1 géodynamique interne

a - structure du globe b - tectonique des plaquesc - paléogéographied - orogènes et grands types de reliefs - régions stables - bassins sédimentaires – régions instables

I-2 les rochesa - la lithologie b - les types de roches : les roches éruptives, sédimentaires, métamorphiques

I-3 l’approche géologiquea - stratigraphie – les divisions géologiques –– dates des grands orogènesb - tectonique: pendage – structures tabulaires et monoclinales– structure faillée – structure plissée

IIII ElElééments dments d’’hydrologiehydrologieII-1 la rivière

a – bassin versant et réseau hydrographique b – données hydrologiques , régime hydrologique , bilan hydrologique

II-2 l’hydrosphèrea – l’inventaire de l’eaub – cycle de l’eau

II-3 l’eau dans le sola – porosité - texture et structureb – perméabilité - circulation de l’eauc - le profil hydrique d’un sol

II-4 l’eau souterraine : notions d’hydrogéologiea - aquifères types de porosité et de perméabilité – cas particuliers des calcairesb - nappes : zone saturée, piézométrie, nappe libre et nappes captives c - fonctionnement des nappes , alimentation et exutoiresd - qualité des eaux souterraines : qualité naturelle, vulérabilité , protection

IUT GB 1IUT GB 1IUT GB 1IUT GB 1IUT GB 1IUT GB 1IUT GB 1IUT GB 1èèèèèèèèrererererererere annannannannannannannannééééééééeeeeeeee GGGGGGGGééééééééologie ologie ologie ologie ologie ologie ologie ologie –––––––– hydrologiehydrologiehydrologiehydrologiehydrologiehydrologiehydrologiehydrologie

Plan de cours (8h cours , 8h TD, 1 sortie)Plan de cours (8h cours , 8h TD, 1 sortie)Plan de cours (8h cours , 8h TD, 1 sortie)Plan de cours (8h cours , 8h TD, 1 sortie)Plan de cours (8h cours , 8h TD, 1 sortie)Plan de cours (8h cours , 8h TD, 1 sortie)Plan de cours (8h cours , 8h TD, 1 sortie)Plan de cours (8h cours , 8h TD, 1 sortie)

Emmanuel GILLE

[email protected]

Le bassin versant

Espace drainé par un cours d’eau et ses affluents

exutoireexutoireLieu par où

s’écoulent toutes les eaux courantes d’un bassin versant

Les limites du bassin versant

Ce sont des lignes de crêtes ,

sauf au droit de l’exutoire,

là où elles coupent la

vallée

IIII--1 la rivi1 la rivièère re a – bassin versant et réseau hydrographique

--Hydrologie Hydrologie Hydrologie Hydrologie Hydrologie Hydrologie Hydrologie Hydrologie E.GilleE.GilleE.GilleE.GilleE.GilleE.GilleE.GilleE.Gille


--Hydrologie Hydrologie Hydrologie Hydrologie Hydrologie Hydrologie Hydrologie Hydrologie E.GilleE.GilleE.GilleE.GilleE.GilleE.GilleE.GilleE.GilleGéoportail-IGN

HurstLièpvre


--Hydrologie Hydrologie Hydrologie Hydrologie Hydrologie Hydrologie Hydrologie Hydrologie E.GilleE.GilleE.GilleE.GilleE.GilleE.GilleE.GilleE.GilleGéoportail-IGN

Les grands bassins versants

Variabilité saisonnière lames d'eau (mm)

moyenne Brénon

moyenne Nigermoyenne Moselle

0

25

50

75

100

125

jan fév mar avr mai jun jul aoû sep oct nov déc jan

Brenon

Niger

Moselle

Variabilité saisonnière débits (m3/s)

module Niger

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

jan fév mar avr mai jun jul aoû sep oct nov déc jan

Brenon

Niger

Moselle

Les unitLes unitééss

le rle réégime hydrologique :gime hydrologique :

ddéébit mbit m33/s/s lame dlame d’’eau mmeau mm

IIII--1 la rivi1 la rivièère re b – données hydrologiques , régime hydrologique

les variations saisonniles variations saisonnièères moyennesres moyennes--Hydrologie Hydrologie Hydrologie Hydrologie Hydrologie Hydrologie Hydrologie Hydrologie E.GilleE.GilleE.GilleE.GilleE.GilleE.GilleE.GilleE.Gille

Volume écoulé durant la période t

V = Q x t

L

Q = Débit moyen pendant une période t

la lame d’eau équivalente, c’est l’épaisseur d’eau : L = V

A

Q (m3/s) x t (jours)

A (km²)L (mm) = x 1000 (mm/m)x 86400 ( s )

x 10 6 (m²/km²)

le volume écoulé durant t,

V = Q x t ,

est réparti sur la surface A du

bassin versant

Q (m3/s) x t (jours)

A (km²)L (mm) = x 86,4

IIII--1 la rivi1 la rivièère re b – données hydrologiques


L’équation du débit

Q = P- E (+ ∆réserves)

Bilan hydrologique

0

20

40

60

80

100

120

140

mois

eau

(mm

)

surplus besoins non satisfaitsETR précipitationsQnappes Q mesuré

La Meuse

à St.Mihiel

560

930

nappes 150

crues 220

Éva

po-

tran

spira

tion


GGGGGGGGééééééééologie ologie ologie ologie ologie ologie ologie ologie -------- hydrologie hydrologie hydrologie hydrologie hydrologie hydrologie hydrologie hydrologie

IIII--1 la rivi1 la rivièère re

a – bassin versant et réseau hydrographique

b – donnés hydrologiques , phases hydrologiques , bilan hydrologique

IIII--2 : l2 : l’’hydrosphhydrosphèèrere

a – l’inventaire de l’eau

b – cycle de l’eau

--Hydrologie Hydrologie Hydrologie Hydrologie Hydrologie Hydrologie Hydrologie Hydrologie E.GilleE.GilleE.GilleE.GilleE.GilleE.GilleE.GilleE.GilleRoberto Epple/ERN

en 10 6 km3/anou 1015 m3/an (109 = 1 milliard)

135097,4 %

Lacs et rivières 0,230,02 % 8

0,6 %

282 %

eaux du sous-sol et du sol

glaces continentales

humidité atmosphérique

0,0130,001 %

IIII--2 : l2 : l’’hydrosphhydrosphèèrerea – l’inventaire de l’eau


eaux doucesTotal eaux : 1386 10 15 m3 36 10 15 m3

océans 1350 10 15 m3 97,4 % total eau continentales 36 10 15 m3 2,6 % 100 %

glaces continentales 28 10 15 m3 2 % 77, 3 %eaux du sous-sol 8 10 15 m3 0,6 % 22 %

nappes souterraines 0 à 800m 4 10 15 m3

nappes souterraines > 800m 4 10 15 m3

humidité du sol 0,06 10 15 m3 0,17 %lacs et rivières 0,23 10 15 m3 0,02 %

étendues salées 0,11 10 15 m3 0,01 %étendues d’eau douces 0,12 10 15 m3 0,01 % 0,35 %rivières 0,001 10 15 m3 0,003 %

humidité atmosphérique (2,5g/kg) 0,013 10 15 m3 0,001 % 0,04 %eau de constitution des êtres vivants 0,001 10 15 m3 0,003 %eau de constitution des minéraux 0,001 %

A titre de comparaison, quelques masses :

soleil 2 10 27 tonnesterre 6 10 21 tonneshydrosphère 1,4 10 18 tonnes (1/4000 e de la masse de la terre)atmosphère 5 10 15 tonnes (1/300 e de la masse de l’hydrosphère)Lune 8 10 19 tonnes (50 fois l’hydrosphère terrestre)hydrosphère Lune 6 10 9 tonnes (à peine 1/25e du lac Nasser sur le Nil

ou 300 fois le lac de Madine)

Bilan de l’eau sur la planète terreIIII--2 : l2 : l’’hydrosphhydrosphèèrere

a – l’inventaire de l’eau


0,44

0,40 0,11

0,07

0,040,012

en millions de km3/an ou 1015 m3/an (109 = 1 milliard)

IIII--2 : l2 : l’’hydrosphhydrosphèèrereb – cycle de l’eau


1350/ 0,44

= 3 000 ans

10 jours

en millions de km3/an ou 1015 m3/an (109 = 1 milliard)

Le temps de séjour moyenLe temps de séjour moyen

300 ans(qlq jours à X 1000 ans)

9 jours 4 ans


440 000

400 000

40 000

1200 mm

1100 mm

100 mm

361 .106 km²361 .106 km²361 .106 km²

en km3/an ou 109 m3/an (109 = 1 milliard)


110 000

70 000

40 000 12 000

en km3/an ou 109 m3/an (109 = 1 milliard)

réserves souterraines8 000 000 109 m3

460 mm

710 mm

250 mm

149 .106 km²149 .106 km²149 .106 km²




II-2 l’hydrosphère


II-4 l’eau souterraine : notions d’hydrogéologie

--Hydrologie Hydrologie Hydrologie Hydrologie Hydrologie Hydrologie Hydrologie Hydrologie E.GilleE.GilleE.GilleE.GilleE.GilleE.GilleE.GilleE.GilleRoberto Epple/ERN

Prendre un échantillon de sol

La porosité du sol


II-3 l’eau dans le sola – porosité - texture et structure

définition

porosité : part des vides dans la roche – s’exprime en % du volume total de la roche

2 sortes de porosité : - de 1) à 2) des vides où l’eau est libre (gros)

- de 2) à 3) des vides qui retiennent de l’eau (petits)

1) saturation

Ps : poids à saturation

3) étuvage

Pé: poids étuvé

2) ressuyage

Pr : poids ressuyé

Ve : volume d’eau libre

La porosité du sol


définitions


-porosité efficace : part des vides permettant l’écoulement de l’eau dans la roche (%)

-porosité de rétention : part des vides piégeant l’eau dans la roche (%)

1) saturation 2) ressuyage 3) étuvage

Ps : poids à saturation Pr : poids ressuyé Pé: poids étuvé


La porosité du sol


L’agencement des grains du sol

des vides …

… des petits qui participent à la rétention de l’eau :

miicroporosité

… des gros qui permettent

l’écoulement libre de l’eau :

maacroporosité


La porosité du sol

1) saturation

Ps : poids à saturation Pr : poids ressuyé


3) étuvage

Pé: poids étuvé


porositporositéé de de rréétentiontention

porositporositéé efficaceefficace

2) ressuyage

porositétotale

La porosité du sol


définitions


-porosité efficace : part des vides permettant l’écoulement de l’eau dans la roche (%)

-porosité de rétention : part des vides piégeant l’eau dans la roche (%)

perméabilité : capacité d’une roche à laisser circuler l’eau – s’exprime en m/s

Une roche peut-elle avoir une certaine porosité et être imperméable ?


La permLa permééabilitabilitéé dd’’un terrainun terrain ::

c’est sa capacité à laisser l’eau circuler en son sein, parce qu’il possède une certaine porositéefficace.

Un tel terrain est dit AQUIFÈRE

La perméabilité est exprimée en m/s (comme une vitesse) :K de 10-5 m/s � une vitesse d’infiltration de 36 mm/h

définitions

La perméabilité du sol


« les eaux courantes »s/s dir. Cosandey

Comment se présente le taux d’humidité du sol à proximité de la surface ?

c - le profil hydrique d’un sol

--UefUefUefUefUefUefUefUef 11 gille11 gille11 gille11 gille11 gille11 gille11 gille11 gille

IIII--3 3 ll’’eau dans le soleau dans le sol

Le profil hydrique du sol

profondeur

Remontées capillaires

teneur en eau = volume des vides en eau (%)(ou taux de saturation) volume total des vides

teneur en eau

porosité de rétention porosité

efficace

« les eaux courantes »s/s dir. Cosandey




a – bassin versant et réseau hydrographique b – données hydrologiques , régime hydrologique , bilan hydrologique

II-2 l’hydrosphèrea – l’inventaire de l’eaub – cycle de l’eau


II-4 l’eau souterraine : notions d’hydrogéologiea - aquifères - types de porosité et de perméabilité –cas particuliers des calcairesb - nappes : zone saturée, piézométrie, nappe libre et nappes captives c - fonctionnement des nappes , alimentation et exutoiresd - qualité des eaux souterraines : qualité naturelle, vulérabilité , protection

hydrologiehydrologiehydrologiehydrologiehydrologiehydrologiehydrologiehydrologie--------gillegillegillegillegillegillegillegilleRoberto Epple/ERN


types de porosité et de perméabilité

- PorositPorositéé dd’’intersticesinterstices : roches meubles , sables , grès peu consolidés

- PorositPorositéé de fissuresde fissures : roches fracturées , calcaires , basaltes , grès compacts

cas particulier des calcaires : dans les calcairesles calcaires, la dissolution qui agrandit les fissures crée de grandes cavités

--hydrologiehydrologiehydrologiehydrologiehydrologiehydrologiehydrologiehydrologie--------gillegillegillegillegillegillegillegille

Roberto Epple/ERN

Zone saturée :nappe

Zone non saturée

Puits ou piézomètre

nappe libre

Zone saturée :

toit de la nappe

frange capillaireremontées capillairesremontées capillaires

surface piézométriquesurface libre de la nappe ousurface libre de la nappe ou

b - Aquifères et nappes


Terrain imperméable : mur de l’aquifère

Aquifère à nappe libre :aquifère reposant sur une couche très peu perméable et surmontée d'une zone non saturée en eau.

II-4 l’eau souterraine : notions d’hydrogéologie

nappe

Zone non saturée

Zone saturée :

toit de la nappe

frange capillaire

surface piézométriquesurface libre de la nappe ousurface libre de la nappe ou

Zone saturée :

Les fluctuations de la nappeAquifères et nappes


nappe libre :le toit de la nappe bat librement en fonction des entrées d’eau

Terrain perméable saturé

nappe captive

nappe sous

pression

Zone non saturée

surface piézométrique de la nappe

Puitsou piézomètre

Terrain imperméable : mur de l’aquifère

Terrain imperméable :toit de l’aquifère

épaisseur de l’aquifère

Les fluctuations de la nappeAquifères et nappes


Aquifère captif (ou

nappe captive) :

dans une nappe captive,

l'eau souterraine est confinée entre deux formations très peu

perméables.

Lorsqu'un forage atteint une nappe

captive, l'eau monte dans le

forage.

Alimentation de la nappe

Dans la rDans la rDans la rDans la réééégion parisienne, deux nappes gion parisienne, deux nappes gion parisienne, deux nappes gion parisienne, deux nappes captives sont exploitcaptives sont exploitcaptives sont exploitcaptives sont exploitéééées: celle de l'aquifes: celle de l'aquifes: celle de l'aquifes: celle de l'aquifèèèère du re du re du re du NNNNééééocomien (Crocomien (Crocomien (Crocomien (Créééétactactactacéééé infinfinfinféééérieur) srieur) srieur) srieur) sééééparparparparéééée par un e par un e par un e par un niveau seminiveau seminiveau seminiveau semi----permpermpermpermééééable (Aptien) de celle des able (Aptien) de celle des able (Aptien) de celle des able (Aptien) de celle des sables verts sussables verts sussables verts sussables verts sus----jacents de l'Albien. Depuis jacents de l'Albien. Depuis jacents de l'Albien. Depuis jacents de l'Albien. Depuis 1850, les niveaux pi1850, les niveaux pi1850, les niveaux pi1850, les niveaux piéééézomzomzomzoméééétriques ont triques ont triques ont triques ont fortement chutfortement chutfortement chutfortement chutéééé et les transferts d'eau se et les transferts d'eau se et les transferts d'eau se et les transferts d'eau se font au travers de l'Aptien, selon la font au travers de l'Aptien, selon la font au travers de l'Aptien, selon la font au travers de l'Aptien, selon la diffdiffdiffdifféééérence des niveaux pirence des niveaux pirence des niveaux pirence des niveaux piéééézomzomzomzoméééétriques, triques, triques, triques, depuis l'aquifdepuis l'aquifdepuis l'aquifdepuis l'aquifèèèère nre nre nre nééééocomien jusqu'ocomien jusqu'ocomien jusqu'ocomien jusqu'àààà celui de celui de celui de celui de l'Albien.l'Albien.l'Albien.l'Albien. --Hydrologie Hydrologie Hydrologie Hydrologie Hydrologie Hydrologie Hydrologie Hydrologie E.GilleE.GilleE.GilleE.GilleE.GilleE.GilleE.GilleE.Gille

Aquifères et nappes : types de sources



II-4 d - qualité des eaux souterraines : qualité naturelle, vulérabilité , protection

PorositPorositéé dd’’intersticesinterstices : roches meubles , sables , grès peu consolidés =

conduits microscopiques = bonne filtration circulation lente = épuration bactériologique

- PorositPorositéé de fissuresde fissures : roches fracturées , calcaires , basaltes , grès compacts =

trop gros conduits = pas de filtration circulation rapide = pas d’épuration bactériologique

cas particulier des calcaires : l’eau est toujours suspecte

--hydrologiehydrologiehydrologiehydrologiehydrologiehydrologiehydrologiehydrologie--------gillegillegillegillegillegillegillegilleRoberto Epple/ERN

5 mm

3 mm

capillarité

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hydrologiehydrologiehydrologiehydrologiehydrologiehydrologiehydrologiehydrologie--------gillegillegillegillegillegillegillegille

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