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Hydrogéologie. 1ère année (2007-2008) Strasbourg – Février 2008 Adrien Wanko & Sylvain Payraudeau. Pourquoi un enseignement d'hydrogéologie ?. L'eau souterraine = composante du cycle de l'eau Ressource en eau Vulnérabilité Contrainte en génie civil. Objectifs de cet enseignement. - PowerPoint PPT Presentation
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Intro Cycle de l'eau Aquifère Dynamique temp. Vulnérabilité Conclu.
Ch. 1 - 1
Hydrogéologie
1ère année (2007-2008)
Strasbourg – Février 2008
Adrien Wanko & Sylvain Payraudeau
Intro Cycle de l'eau Aquifère Dynamique temp. Vulnérabilité Conclu.
Ch. 1 - 2
L'eau souterraine = composante du cycle de l'eauRessource en eau Vulnérabilité Contrainte en génie civil
Pourquoi un enseignement d'hydrogéologie ?
Intro Cycle de l'eau Aquifère Dynamique temp. Vulnérabilité Conclu.
Ch. 1 - 3
Objectifs de cet enseignement
Avoir la maîtrise du rôle des matériaux constituant le sous sol et les structures hydrogéologiques,
Savoir exploiter les connaissances hydrauliques afin de déterminer l’influence des matériaux géologiques sur la circulation et la qualité des eaux souterraines,
Acquérir des méthodes quantitatives permettant la planification des captages, l’exploitation et la gestion de l’eau souterraine (objet des 8 h de TD).
Intro Cycle de l'eau Aquifère Dynamique temp. Vulnérabilité Conclu.
Ch. 1 - 4
Organisation du cours :
15 h de cours (A. Wanko)
8 h de TD (R. Mosé, F. Lehmann, A. Wanko)
Examen
24 h de mini-projet (R. Mosé, A. Wanko)
Organisation de l'enseignement
Intro Cycle de l'eau Aquifère Dynamique temp. Vulnérabilité Conclu.
Ch. 1 - 5
Plan du cours
Chapitre I : La dynamique des eaux souterraines et leurs réservoirs
Chapitre II : Notion d'hydrodynamique des eaux souterraines
Chapitre III : Transport de polluants dans les eaux souterraines
Chapitre IV : Notions de modèles hydrogéologiques
Intro Cycle de l'eau Aquifère Dynamique temp. Vulnérabilité Conclu.
Ch. 1 - 6
Chapitre I : La dynamique des eaux souterraines et leur réservoir
A - Introduction
B - Importance des eaux souterraines dans le cycle de l'eau
C - Géométrie et structure des aquifères
D - Dynamique temporelle
E - Vulnérabilité des eaux souterraines
F - Conclusion
Intro Cycle de l'eau Aquifère Dynamique temp. Vulnérabilité Conclu.
Ch. 1 - 7
Hydrogéologie : définitions
L’Hydrogéologie est la science des eaux qui se trouvent à l’intérieur du sol, avec en particulier un accent mis sur sa chimie, son mode de migration et ses relation avec l’environnement géologique.
(Davis & DeWiest, 1966)
L’hydrogéologie, science de l’eau souterraine, a pour but d’en déterminer la situation, autrement dit les gîtes du minerai d’hydrogène, la quantité disponible, les qualités, en indiquant en même temps les moyens appropriés pour faire servir ces eaux aux besoins de l’humanité. On pourrait aussi adopter le nom d’Hydrologie souterraine.
Définition
But
Intro Cycle de l'eau Aquifère Dynamique temp. Vulnérabilité Conclu.
Ch. 1 - 8
Hydrogéologie : à l'interface de deux disciplines
Hydrologie Géologie
Hydrogéologie
Branche de la géologie qui traite de l'eau souterraine et notamment de son occurrence.
Branche de l'hydrologie qui traite de l'eau souterraine en tenant compte des conditions géologiques. (hydrologie souterraine)
Attesté en 1802 : naturaliste français Lamarck
Intro Cycle de l'eau Aquifère Dynamique temp. Vulnérabilité Conclu.
Ch. 1 - 9
Hydrogéologie : Historique
Platon et le Tartare
Aristote et les montagnes de Thrace
Thalès de Milet, Lucrèce et les vents de mer
Descartes et les canaux souterrains
Palissy, Mariotte une conception nette des eaux souterraines.
Lamark (1802)
Hydrogéologie
Lucas (1880)
Hydrogéology
Powell (1885)
Hydric geology
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Ch. 1 - 10
Références bibliographiques
Intitulés Auteurs Date de publication
Bibliothèques
Cours d'hydrogéologie G. de Marsily 1980 INSA
Essai d’hydrogéologie; : recherche, étude et captage des H2O souterraines
Ed. Imbeaux 1930 Géologie
Hydrogéologie: principes et méthodes
Gilbert Castany 1982,1998 Sciences
Hydrogéologie quantitative G. De Marsily 1981 Géologie et Sciences
Pollution des nappes d’eau souterraine en France
Académie des sciences
1991 Médécine
Modélisation de la pollution des sols et des nappes par des hydrocarbures
Philippe Tardy 1996 Géologie
Mesures piézométriques et essais de pompage dans les nappes souterraines
R. Brémond, I.Cheret, C. Parsy
1961 Sciences
Intro Cycle de l'eau Aquifère Dynamique temp. Vulnérabilité Conclu.
Ch. 1 - 11
Références bibliographiques
Intro Cycle de l'eau Aquifère Dynamique temp. Vulnérabilité Conclu.
Ch. 1 - 12
3%
23%
(Jacques, 1996)
Disponibilité mondiale des ressources en eau
Intro Cycle de l'eau Aquifère Dynamique temp. Vulnérabilité Conclu.
Ch. 1 - 13
(volumes, en 106 km3)Europe 1.6 (6.8 %)Asie 7.8 (33.3 %)Afrique 5.5 (23.5 %)Amérique du Nord 4.3 (18.48 %)Amérique du Sud 3.0 (12.8 %)Australie 1.2 (5.1 %)
Disponibilité mondiale des ressources en eau
Répartition des nappes souterraines dans le monde
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Ch. 1 - 14
La ressource doit être >1500 m3/hab/an pour considérer qu'il n’y a pas de problème.
Là où la ressource en eau est insuffisante, l’eau est à l’origine de 30% des décès (20 millions d’hommes) et 80% des maladies.
L’irrigation représente une part de 70% des ressources en eaux utilisées, alors que les terres irriguées ne représentent que 17% des terres arables et 1/3 des récoltes.
Disponibilité mondiale des ressources en eau
Intro Cycle de l'eau Aquifère Dynamique temp. Vulnérabilité Conclu.
Ch. 1 - 15
Atmosphère : 13 000
Océan : 1 350 000 000
Aquifères souterrains : 8 400 000
Glacier : 27 500 000
Lacs et rivières : 200 000
Description et mécanismes en jeu
Stock : km3
Intro Cycle de l'eau Aquifère Dynamique temp. Vulnérabilité Conclu.
Ch. 1 - 16
Description et mécanismes en jeu
Le cycle de l’eau ou cycle hydrologique décrit le constant mouvement de l’eau sur et sous la Terre. L’eau passe des états solides, liquides et gazeux dans ce cycle.
Le cycle de l’eau
Le moteur
-l’énergie solaire
-la gravité
Le cycle à une échelle réduite
Atmosphère Surface
Précipitations ( pluie, grêle, neige)
Surface Atmosphère
Évaporation, sublimation, transpiration
Intro Cycle de l'eau Aquifère Dynamique temp. Vulnérabilité Conclu.
Ch. 1 - 17
Le cycle à une échelle réduite : Cas du bassin de l’Hallue
Les abréviations courantes
-P : précipitations, -PE : précipitation efficace, -E : évaporation, -T : transpiration, -ETR : évapo-transpiration, -R : ruissellement
Bilan hydrique (débit en hm3/an) dans le bassin de l’Hallue (Somme)
Intro Cycle de l'eau Aquifère Dynamique temp. Vulnérabilité Conclu.
Ch. 1 - 18
Schéma conceptuel d’un bilan hydrologique
Quels sont les temps de transit de l’eau dans les différents sous systèmes terrestres ?
Part des eaux souterraines dans le cycle de l'eau
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Ch. 1 - 19
Cycle de l’eau : temps de résidence
Sous systèmes et échanges Temps de résidence
Intro Cycle de l'eau Aquifère Dynamique temp. Vulnérabilité Conclu.
Ch. 1 - 20
-Contribution des eaux sout. durant les crues ( )-Contribution des eaux sup. durant les étiages ( )Vulnérabilité à la pollution
Cycle de l’eau : part des eaux souterraines
Échanges entre les eaux superficielles et souterraines
Variation spatiale du sens des échanges
Variation temporelle du sens des échanges
Intro Cycle de l'eau Aquifère Dynamique temp. Vulnérabilité Conclu.
Ch. 1 - 21
Aquifères : définition
Aquifère :
réservoir d’eau souterrain,
suffisamment poreux et suffisamment perméable pour être considéré comme une réserve exploitable par l’homme.
Il contient une nappe d’eau (douce) : l’aquifère est le contenant et la nappe le contenu.
une formation hydro-géologique, caractérisé par une certaine unité litho-stratigraphique et par une certaine unité de fonctionnement vis à vis du stockage et de la circulation des eaux souterraines,
Exemple : sables albiens du bassin parisien, alluvions de la Crau
Intro Cycle de l'eau Aquifère Dynamique temp. Vulnérabilité Conclu.
Ch. 1 - 22
Aquifères schématisation
Limite latérale
Limite latérale
Limite inférieure ou substratum
(imperméable)
Limite supérieure ou surface piézométrique
Intro Cycle de l'eau Aquifère Dynamique temp. Vulnérabilité Conclu.
Ch. 1 - 23
Types d’aquifères, Types de nappes
Aquifères confinés / aquifères non confinés
Intro Cycle de l'eau Aquifère Dynamique temp. Vulnérabilité Conclu.
Ch. 1 - 24
Aquifère : intérêt d’étude
1 – Réservoir d’eau souterrain
= configuration (dimensions + conditions aux limites)
= structure (une ou des formations hydrogéologiques)
2 – Processus internes
= hydrodynamiques (FONCTION de STOCKAGE et de CONDUITE)
= hydrochimique (FONCTION d'échange géochimique)
= hydrobiologique
3 – Interaction avec l'environnement (cycle de l'eau) (Partie B et E)
4 – Variabilité dans l'espace
5 – Variabilité dans le temps (Partie D)
Intro Cycle de l'eau Aquifère Dynamique temp. Vulnérabilité Conclu.
Ch. 1 - 25
Thalweg
Ligne de crête
Exutoire
Configuration : dimensions
Identification du bassin hydrogéologique (= bassin superficiel ?)
Intro Cycle de l'eau Aquifère Dynamique temp. Vulnérabilité Conclu.
Ch. 1 - 26
Le cas de la Sorgues (Vaucluse) : contexte karstique
Écoulement moyen annuel de 18.5 m3/s
Bassin topographique
surface : 15 km2
écoulement en mm : 38 000 !!!
Bassin géologique
surface : 2500 km2
écoulement en mm : 233
D'après Gaume – DEA STE – 2002-2003
Configuration : dimensions
Intro Cycle de l'eau Aquifère Dynamique temp. Vulnérabilité Conclu.
Ch. 1 - 27D'après Roche - Hydrologie de surface, Ed. Gauthier-Villars, Paris 1963.
Bassin réel A Bassin réel B
Bassin topographique A Bassin topographique B
Source
Configuration : dimensions
Intro Cycle de l'eau Aquifère Dynamique temp. Vulnérabilité Conclu.
Ch. 1 - 28
Configuration : dimensions
Intro Cycle de l'eau Aquifère Dynamique temp. Vulnérabilité Conclu.
Ch. 1 - 29
Configuration : dimensions
Intro Cycle de l'eau Aquifère Dynamique temp. Vulnérabilité Conclu.
Ch. 1 - 30
Aquifère à nappe libre :
Un matériau aquifère qui n'est pas recouvert d'un matériau moins perméable
À la pression atmosphérique
h charge hydraulique [L]z : altitude du substratum [L]
Substratum
Configuration : surface piézométrique
z
h
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Ch. 1 - 31
Vue de dessus
Profil de charge de la nappe
Courbes piézométriques : égales charges (h)
Rivière
Nappe soutenue
Profil de charge de la rivièreVue de profil
imperméable
Courbes concaves en direction de l'écoulement(rivière nappe)
Équilibre (nappe rivière)méandres
RétrécissementCourbes convexes en direction de l'écoulement(nappe rivière)Zone marécageuse
Configuration : surface piézométrique
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Ch. 1 - 32
Aquifère à nappe libre : 3 types
1 - Nappe phréatique2 - Nappe perchée3 - Nappe "régionale"
1 - Si nappe proche de la surface = nappe phréatique (historiquement les premières exploitées)
3 :
2: Peu intéressante
Substratum
Configuration : surface piézométrique
Intro Cycle de l'eau Aquifère Dynamique temp. Vulnérabilité Conclu.
Ch. 1 - 33
Aquifère à nappe captive (ou nappe confinée ; confined aquifer) (variante semi-captive) :
Un matériau aquifère qui est recouvert d'un matériau imperméable
Pression (poids de la colonne)
Densité des matériaux 2.5 2.5 bar/10mEx. bassin de Paris : sables albiens600m = 150 bar
h > zeau
zEAUDécompression
Cas 1
h
Artésianisme (coût)
Décompression
Cas 2
h
Configuration : surface piézométrique
z
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Ch. 1 - 34
Substratum
Aquifère bi-couche
Synthèse…
Configuration : surface piézométrique
Intro Cycle de l'eau Aquifère Dynamique temp. Vulnérabilité Conclu.
Ch. 1 - 35
Aquifère : Réservoir souterrain = Formation perméable contenant de l'eau en quantités exploitables
Alternance formations perméables et semi-perméables
= aquifère multicouche : calcaire de Champigny(La Marne et la Seine)
D'après Castany, 1982
Formations :
PerméableSemi-perméable
Imperméable (strictement très rare)
Sable Sable très fin
Argile
Structure : formations hydrogéologiques
Intro Cycle de l'eau Aquifère Dynamique temp. Vulnérabilité Conclu.
Ch. 1 - 36
Où trouvent-on des aquifères ?
1 - Nappes alluviales 2 - Bassins sédimentaires3 - Systèmes karstiques4 - Socles fissurés5 - Environnements volcaniques
Structure : formations hydrogéologiques
Intro Cycle de l'eau Aquifère Dynamique temp. Vulnérabilité Conclu.
Ch. 1 - 37
1 - Nappes alluviales :
La Seine (haute normandie)
www.arehn.asso.fr
Bonnes caractéristiques hydrodynamiques, qualité des eaux permettant l'alimentation en eau potable mais : exploitation des alluvions (gravières), pompage pour irrigation (sols fins et grande disponibilité de l'eau)
Structure : formations hydrogéologiques
Intro Cycle de l'eau Aquifère Dynamique temp. Vulnérabilité Conclu.
Ch. 1 - 38
1 - Nappes alluviales :
Plaine du Rhin
Fossé d'effondrement
Comblé d'alluvions récentes :(puissance du comblement 100m)
Matériaux saturés jusqu'à la surface
Une des nappes les plus importantes d'Europe
Structure : formations hydrogéologiques
Horst Graben
Intro Cycle de l'eau Aquifère Dynamique temp. Vulnérabilité Conclu.
Ch. 1 - 39
2 - Bassins sédimentaires
Diversité de formations en strates ; Ex : Bassin de paris = 140 000 km²10 aquifères séparés par formations semi-perméables
Contrainte économique (sondage + équipement) +
qualité de l'eau (ex. sels dissous f(profondeur))
Structure : formations hydrogéologiques
Intro Cycle de l'eau Aquifère Dynamique temp. Vulnérabilité Conclu.
Ch. 1 - 40
Structure : formations hydrogéologiques
Intro Cycle de l'eau Aquifère Dynamique temp. Vulnérabilité Conclu.
Ch. 1 - 41
3 - Systèmes karstiques
Dissolution des roches carbonatées
Variations saisonnières importantes (10aine de m)
(Capacité limitée + transmissivité élevée)Source du Lez 1600 l/s (Hérault) ;
Problèmes d'intrusion d'eau salée
Vulnérabilité à la pollution(sol limité + infiltration rapide + avens)
Structure : formations hydrogéologiques
Intro Cycle de l'eau Aquifère Dynamique temp. Vulnérabilité Conclu.
Ch. 1 - 42
3 - Systèmes karstiques
(Crochet, 1996)
Structure : formations hydrogéologiques
Intro Cycle de l'eau Aquifère Dynamique temp. Vulnérabilité Conclu.
Ch. 1 - 43
4 - Socles fissurés - Aquifères des massifs anciens (roche plutonique : granite ou métamorphique : gneiss ou plus rarement volcanique : basalte)
1: Formations superficielles perméablesArènes granitiquesCouches d'altérationAlluvions
2: Zones de fractures et de broyage de socle
sans argiles ni filons de minéraux
3: Roches compactes fissurées du socles
Intérêts de la prospection géophysique électrique ou sismique
D'après Castany, 1982
Structure : formations hydrogéologiques
Intro Cycle de l'eau Aquifère Dynamique temp. Vulnérabilité Conclu.
Ch. 1 - 44
5 – Environnements volcaniques
Roches compactes mais altérations + fracturations :Variabilités des matériaux : basaltes (coulées) , tufs (projections)
Aquifères de Djibouti : Basaltes
Complexe volcano-sédimentaire : île de la Réunion
Massif central : usine d’embouteillage des eaux du Mont-Dore (tufs : réservoir de stockage des eaux d’infiltration)
Structure : formations hydrogéologiques
Intro Cycle de l'eau Aquifère Dynamique temp. Vulnérabilité Conclu.
Ch. 1 - 45
Structure : propriétés / processus
Propriétés de l'aquifère :
Granulométrie
Porosité
Perméabilité
Conductivité hydraulique
Transmissivité
Emmagasinement
Lien entre propriétés et processus internes : = hydrodynamiques (FONCTION de STOCKAGE et de CONDUITE) = hydrochimique (FONCTION d'échange géochimique) = hydrobiologique
?
Variabilité spatiale de ces propriétés
Intro Cycle de l'eau Aquifère Dynamique temp. Vulnérabilité Conclu.
Ch. 1 - 46
Milieu non consolidé : distribution de la taille des grains
Log du diamètre du tamis (mm)
Pourcentage d'éléments qui traverse le tamis
1 10 100
100%
50%
10%
d10
d10 : paramètre caractéristique d'un matériau
0.1
Structure : granulométrie (FONCTION de STOCKAGE)
Intro Cycle de l'eau Aquifère Dynamique temp. Vulnérabilité Conclu.
Ch. 1 - 47
Q1
Vtotal
Vpore = Vvide
= Veau + Vgaz
Vmatériau
n = Vpore
Vtotal
Eq 1.1
Avec :Vpore et Vtotal [L3]n (fraction entre 0 et 1 ou 0 et 100%)[adim.] Porosité de fissure
Porosité (pore)
Structure : porosité (FONCTION de STOCKAGE)
Intro Cycle de l'eau Aquifère Dynamique temp. Vulnérabilité Conclu.
Ch. 1 - 48
Porosité et granulométrie :
Type cubique Type rhomboédrique
n = 47.6 % n = 25.9 %
Structure : porosité (FONCTION de STOCKAGE)
Intro Cycle de l'eau Aquifère Dynamique temp. Vulnérabilité Conclu.
Ch. 1 - 49
Porosité efficace (ne) :
Rapport du volume de l'eau extraite par gravité d'un milieu poreux initialement saturé à son volume total
Porosité ouverte : Rapport du volume des vides intercommunicants d'un milieu poreux à son volume total;
Porosité totale >= porosité ouverte >= porosité efficace
ZOOM 1
Eaux pelliculaires + eaux capillaires
Porosité fermée :Porosité d'une roche ou d'un sol contenant des interstices ne communiquant pas entre eux
ZOOM 2
Structure : différentes porosités
Intro Cycle de l'eau Aquifère Dynamique temp. Vulnérabilité Conclu.
Ch. 1 - 50
Q1
Porosité primaire : Très faible pour roches plutoniques, métamorphiques, volcaniquesConductivité hydraulique faible : 10-13 à 10-11 m/s (métamorphique) 3000 an pour 1m
Porosité secondaire : Due à l'altération et à la fracturation
Structure : différentes porosités
Intro Cycle de l'eau Aquifère Dynamique temp. Vulnérabilité Conclu.
Ch. 1 - 51
Roche Porosité totale % Porosité efficace %
Matériaux non consolidés selon leur texture
Gravier 25 : 35 20 : 30
Argile 45 : 55 0 : 5
Roches sédimentaires détritiques
Grès 0 : 10 0 : 5
Grès fissurés 10 : 20 5 : 10
Roches carbonatées
Roche massive 0 : 5 0 : 5
Roche karstifiée 10 : 50 10 : 50
Roches cristallines
Roche non fissurée < 1 < 1
Roche altérée 30 : 50 10 : 30D'après Banton et Bangoy
Plaine d'Alsace : 30 : 35 10 : 15
Structure : porosités (ordres de grandeur)
Intro Cycle de l'eau Aquifère Dynamique temp. Vulnérabilité Conclu.
Ch. 1 - 52
Structure : Perméabilité k (FONCTION de CONDUITE)
Perméabilité intrinsèque d'un matériau : - représente l'aptitude à laisser passer un fluide à travers lui - caractéristique propre du matériaux- noté k- [L²] ou [L3L-1] volume par unité de charge hydraulique- se mesure en Darce (10-12 m²) AFNOR- se mesure en Darcy (0,987 10-12 m²)
Intro Cycle de l'eau Aquifère Dynamique temp. Vulnérabilité Conclu.
Ch. 1 - 53
Conductivité hydraulique d'un matériau : (!!! K<>k) - représente l'aptitude à laisser passer un fluide à travers lui- correspond au coefficient de proportionnalité K (Darcy) - caractéristique du matériaux mais dépend du fluide- noté K- vitesse [LT-1]
Expérience de Darcy (base de l'hydrogéologie quantitative)Alimentation en eau de la ville de Dijon (1856)Débit de l'eau traversant une colonne (L : 3.5 m et ø : 0.35 m)
Débit proportionnel à la différence de charge entrée/sortie : hDébit inversement proportionnel à L
Q = K . S . h
L
Eq 1.2
Avec :Q : débit sortant [L3T-1]K : conductivité hydraulique [LT-1]S : section [L²]h : différence de charge [L]L : longueur [L]
Structure : Conductivité hydraulique K (FONCTION de CONDUITE)
Intro Cycle de l'eau Aquifère Dynamique temp. Vulnérabilité Conclu.
Ch. 1 - 54
K = Caractéristique du matériaux mais dépend du fluide (de sa viscosité)
K =ki . . g
Eq 1.3
Avec :K : conductivité hydraulique [LT-1]ki : perméabilité intrinsèque [L3L-1] : masse volumique [ML-3]g : constante de pesanteur [LT-²] : viscosité dynamique [ML-1T-1]
Structure : Conductivité hydraulique K (FONCTION de CONDUITE)
Intro Cycle de l'eau Aquifère Dynamique temp. Vulnérabilité Conclu.
Ch. 1 - 55
Structure : Conductivité hydraulique K (FONCTION de CONDUITE)
Intro Cycle de l'eau Aquifère Dynamique temp. Vulnérabilité Conclu.
Ch. 1 - 56
Détermination de la conductivité hydraulique (cf Chapitre II)
1 – Analyses granulométriques (mesures : moy. et variance)
2 – Micro-moulinet (vitesse de circulation d'eau ; puits)
3 – Essai pompage (vitesse de remontée eaux ; puits)
P.Ackerer
Structure : Conductivité hydraulique K (FONCTION de CONDUITE)
Intro Cycle de l'eau Aquifère Dynamique temp. Vulnérabilité Conclu.
Ch. 1 - 57
Structure : conductivité hydraulique et porosité
Pas de lien entre la porosité totale ou efficace et l'aptitude à laisser passer un fluide (conductivité hydraulique ou perméabilité)
Gravier : Porosité totale= 23/35%Porosité efficace = 20/30%K = 1/10-2 m.s-1
Tourbe : Porosité totale= 60/80%Porosité efficace = 45/70%K = 10-3 /10-2 m.s-1
Distances plus importantes
Argile : Porosité totale = 45/55%Porosité efficace = 0/5%K = 10-8 /10-7 m.s-1
Distances +
Eaux capillairesEaux pelliculaires
Intro Cycle de l'eau Aquifère Dynamique temp. Vulnérabilité Conclu.
Ch. 1 - 58
Transmissivité d'un aquifère : - produit de la conductivité hydraulique par son épaisseur- noté T- [L²T-1] surface par unité de temps ou [L3 T-1L-1] débit par largeur unitaire d'aquifère- s'exprime en m².s-1
T = Ks.b Eq 1.4
Avec :T : transmissivité [L3 T-1L-1] Ks : conductivité hydraulique
à saturation[LT-1]b : épaisseur de l'aquifère, ou également appelé puissance de l'aquifère [L]
Le concept de transmissivité suppose que l'écoulement dans la nappe est horizontal
Déterminé par des essais de pompage
Structure : Transmissivité : T (FONCTION de CONDUITE)
Intro Cycle de l'eau Aquifère Dynamique temp. Vulnérabilité Conclu.
Ch. 1 - 59
Coefficient d'emmagasinement spécifique (Ss) : - représente le rapport du volume d'eau libéré ou emmagasiné [L3] par un volume unitaire d'un matériau [L-
3] pour une variation de charge hydraulique [L-1] ("rendement de l'aquifère")- [L3 L-3L-1] ou [L-1]
D'après Mermoud, 2005
S = Eq 1.5
Avec :S : coefficient d'emmagasinement [adim.] Ss : coefficient d'emmagasinement
spécifique [L3 L-3L-1] b : épaisseur de l'aquifère, ou également appelé puissance de l'aquifère [L]
Ss . b
S =V
A . H
Eq 1.6
Structure : Coefficient d'emmagasinement : Ss et S(FONCTION de STOCKAGE)
Intro Cycle de l'eau Aquifère Dynamique temp. Vulnérabilité Conclu.
Ch. 1 - 60
Aquifère à nappe libre :
Variation de la charge hydraulique (h) = variation du niveau de l'eau (Z) D'où
Coefficient d'emmagasinement (S) = porosité efficace (P) 0.3 (30%)
Aquifère à nappe captive :
Variation de la charge hydraulique (h) = variation de pression
Volume libéré/stocké = décompression/compression (eau+matériau+gaz) relativement limité si volume de l'aquifère constant
Volume libéré/stocké = variation de volumeAugmentation pression dilatation du matériau (gonflement)diminution pression rétractation du milieu (affaissement)
S = 10-6 à 10-3
Structure : Coefficient d'emmagasinement : Ss et S(FONCTION de STOCKAGE)
Intro Cycle de l'eau Aquifère Dynamique temp. Vulnérabilité Conclu.
Ch. 1 - 61
Propriétés physiques et hydrodynamiques : variables dans les 3 directions de l'espace
Si propriété identique dans toutes les directions de l'espace (x, y et z) : MATERIAU ISOTROPE
Si propriété différente suivant les directions considérées : MATERIAU ANISOTROPE
Ex : conductivité hydraulique en milieu fracturé ou sédimentaire
Q1
Structure : variabilité spatiale
Intro Cycle de l'eau Aquifère Dynamique temp. Vulnérabilité Conclu.
Ch. 1 - 62
A quelle échelle caractériser la structure et les propriétés hydrodynamiques de l'aquifère ?
Sable grossier
Porosité ?Conductivité hydraulique ?
Echelle n°1 (0.1cm)
Echelle n°2 (1 cm)
Volume Élémentaire Représentatif(VER) : volume >> dimensions des pores :Propriétés moyennes
Structure : variabilité spatiale
Intro Cycle de l'eau Aquifère Dynamique temp. Vulnérabilité Conclu.
Ch. 1 - 63
0.001 0.01 0.1 1 10 100 1000 Echelle (m)0
2
Porosité
VER'
VER selon granulométrie ? Sphère = 30 . Dmoyen des grains
Matériau homogène Hétérogène
Structure : variabilité spatiale
Intro Cycle de l'eau Aquifère Dynamique temp. Vulnérabilité Conclu.
Ch. 1 - 64
Variation temporelle liée à la recharge P :700 mm
ETR :400 mm(60%)
Ru : 25 à 35%
?
Porosité (10%) …
Recharge = P - ETR - Stock - Ru
Zone racinaire
Zone non saturéeRe
5 à 15%
Dynamique temporelle des eaux souterraines
Aquifère
Intro Cycle de l'eau Aquifère Dynamique temp. Vulnérabilité Conclu.
Ch. 1 - 65
http://www.eaux-tursan.fr/origine_eau.php
Dynamique temporelle des eaux souterraines
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Ch. 1 - 66
Dynamique temporelle des eaux souterraines
30ans
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Ch. 1 - 67
Dynamique temporelle des eaux souterraines
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Ch. 1 - 68
Faible amplitude (1.2 m)
niveau piézométrique peu réactif à la pluie (/niveau des rivières)
Ex 1 : bassins versants bretons (10 ha)(Thèse Charlotte Martin, 2003)
Dynamique temporelle des eaux souterraines
2 ans
1 mois
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Ch. 1 - 69
Dynamique temporelle des eaux souterraines
Relation eaux souterraines – eaux de surface : crue
(Tiré de Mérot et al., 1995 : séparation chimique et isotopique des écoulements)
Eaux souterraines = 42%Eaux des versants = 38%Zone riparienne = 10%Eaux de pluie = 10%
Rappel : valeur de K (10-3 à 10-6 m.s-1) Quels processus ?
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Ch. 1 - 70
Analogie avec une
colonne de sol
charge h
Transmission rapide de l’onde de pression
Transfert lent de l’eau :(K = 30 à 120 mm/h alluvion perméable)
Limite de l’hypothèse = le bassin a une capacité d’emmagasinement +/- grande
Dynamique temporelle des eaux souterraines
Processus possible : effet piston
Versant Versant
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Ch. 1 - 71
Vulnérabilité des eaux souterraines
Vulnérabilité à la pollution :
1 - "Pollution" résultante des activités humaines (bruit de fond géochimique)
2 - Normes de qualité de l'eau
3 - Devenir du polluant dans les eaux souterraines : migration (auto-épuration/dilution)
4 - Carte de vulnérabilité
5 - Prévention
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Ch. 1 - 72
Bassin Rhin-Meuse : utilisation des eaux souterraines99% des points d’eau 95% des volumes prélevés
Avantage : Qualité des eaux moins sujette aux variations (/eau de surface)
Inconvénient :Si normes de potabilité dépassée : effet de la réduction des pollutions sur long terme
Enjeux de protection de la qualité des eaux souterraines
Vulnérabilité des eaux souterraines
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Ch. 1 - 73
(Molénat, 1999 : bassin de Naizin)
Temps de transfert : Double fonction de la distance à la rivière et du milieu parcouru
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Ch. 1 - 74
1 - "Pollution" résultante des activités humaines
N'est pas pris en compte : dissolution des minéraux Eaux minérales et thermales (bruit de fond géochimique)
Origine de l'arsenic : alluvions épaisses avec transfert lent (centaines, milliers d’années à filtrer à travers ces dépôts avant de rejoindre la mer)Enrichissement en arsenic des eaux au contact des alluvions
d'une pollution (phénomène naturel)
Vulnérabilité des eaux souterraines
Ex : contamination des puits (50% du million de puits construits)
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Ch. 1 - 75
1 - "Pollution" résultante des activités humaines
Polluants physiques : chaleur / Matière en suspension / radioactivité
Polluants chimiques : sels minéraux dissous (NO3) / sulfate et chlorure
Micropolluants: Métaux lourds, pesticides et détergents
Hydrocarbures
Types de polluants
Sources de polluants
Origines domestiques et urbaines / agricole / industrielle
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Ch. 1 - 76
1 - "Pollution" résultante des activités humaines
Etapes du devenir des polluants1 – Introduction du polluant (sol, rivière)
2 – Migration et évolution (zone non saturée)
3 – Propagation et évolution dans l'aquifère
Introduction :TypeDoseVolume d'eauMigration et Evolution
Propagation et Evolution
Surface piézométrique
Aquifère à nappe libre
Zone non saturée
Castany (1982)
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Ch. 1 - 77
1 - "Pollution" résultante des activités humaines
Devenir dans la zone non saturée
Auto-épuration dans "sol"[polluants]
1 – Mécanismes physiques : miscibilité avec l'eau, densité, dilution
2 – Mécanismes hydrodynamiques : Vitesse, temps de séjour
3 – Mécanismes hydrochimiques : Dissolution, précipitation, …
4 – Mécanismes hydrobiologiques : Biodégradation
5 – Mécanismes physico-chimiques : Adsorption/désorption
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Ch. 1 - 78
1 - "Pollution" résultante des activités humaines
Devenir dans la zone saturée
Auto-épuration dans l'aquifère
[polluants]
1 – Mécanisme de dilution : f(transmissivité de la nappe)
2 – Mécanismes physico-chimiques : auto-épuration ex : Pyrite sur [Nitrates]
Peu d'oxygène, peu de matières organiques, peu de micro-organismes
(Gascuel, 2005)
14 NO3- + 5 FeS2 + 4H+
7 N2 + 10 SO42- + 5 Fe2+ + 2 H2O
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Ch. 1 - 79
< 10 mg.L-1
10 < < 25 mg.L-1
25 < < 50 mg.L-1
> 50 mg.L-1
Nitrates (2003)Fortes teneurs
(25-50 mg/l)
Sud du Fossé rhénan
(Bâle à Strasbourg)
Culture du maïs
Sols filtrants
Dilution de la nappe
2 – Normes
Vulnérabilité des eaux souterraines
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Ch. 1 - 80
< limites de détection
lim. < < 0.1 g.L-1
> 0.1 g. L-1
Pesticides : Atrazine et métabolites (2003)
Interdit (1991 – All.)(2003 – Fr.)
2 – Normes
Vulnérabilité des eaux souterraines
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Ch. 1 - 81
< limites de détection
lim. < < 0.1 g
> 0.1 g
Pesticides : (sauf atrazine et métabolites)(2003)
2 – Normes
Vulnérabilité des eaux souterraines
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Ch. 1 - 82
4 - Carte de vulnérabilité
Facteurs de la vulnérabilité :
État et caractéristique du sol et sous-sol (couverture, rhizosphère, épaisseur, perméabilité)
Profondeur de la surface piézométrique (temps de résidence dans la zone non-saturée auto-épuration)
Paramètres de l'écoulement de l'eau souterraine (conductivité, vitesse d'écoulement)
Conditions d'alimentation (temps de renouvellement)
Objectifs :Prévention (zones sensibles) et protection (périmètres de captage)
Vulnérabilité des eaux souterraines
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Ch. 1 - 83
4 - Carte de vulnérabilité : conception
Méthode DRASTIC
Questions ? :
Quels critères ?Quels poids ?
HENTATI et al., 2005 Sfax-Agareb (Sud-Est tunisien)
Vulnérabilité des eaux souterraines
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Ch. 1 - 84
4 - Carte de vulnérabilité : conception
HENTATI et al., 2005 Sfax-Agareb (Sud-Est tunisien)
Vulnérabilité + Pression polluante
= carte du risque
Vulnérabilité des eaux souterraines
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Ch. 1 - 85
5 – Lutte contre la pollution - Prévention
Réglementation : périmètre de protection captage (loi sur l'eau 1992)
Prévention : source de Vittel (50 km²)Société Vittel/Agence de l'eau Rhin-Meuse/profession agricole)
« Comment assurer, dans l’eau sous la zone racinaire, un taux de 10 mg/l de nitrates et de 0 mg/l de pesticides ? »
Solutions : Contrat Achat de 50% des terres; Maïs interdit; Conseil gratuit; …24 millions € / 7 ans
Vulnérabilité des eaux souterraines
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Ch. 1 - 86
Prévision : outils de simulation (modèles hydrodynamiques et hydrochimiques)
5 – Lutte contre la pollution - Prévention
Vulnérabilité des eaux souterraines
Remédiation :
Quelques essais (BRGM) pour les [Nitrates] mais très coûteux
Injection de méthanol ou sucre autour du forage (substrat pour bactéries dénitrifiantes – besoin d'oxygène!!! Donc limitée à nappe libre)
La prévention reste la technique la plus efficace !
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Ch. 1 - 87
Conclusion
1 - Couplage :eau de surface/eau souterraine
P ETR
QS
QW
Non saturée
SaturéeQT = QS + QW
2 – Aquifère et types d'aquifère
Nappe libre Nappe captive
3 – Configuration et structure de l'aquifèreLien entre propriétés et processus (Fonctions de stockage et de conduite)
4 – Prise en compte de l'hétérogénéité des propriétés (notion d'échelle : VER)
5 – Dynamique temporelle du niveau piézométrique
6 – Vulnérabilité des eaux souterraines
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Ch. 1 - 88
Dictionnaire d'hydrogéologie : définitionshttp://www.cig.ensmp.fr/~hubert/glu/HINDFRHG.HTM
Ouvrages :
Principes et méthodes de l'hydrogéologie, Castany (1982)
Hydrogéologie, Banton et Bangoy (1997)
Comprendre et estimer les écoulements souterrains et le transport des polluants, De Marsily (1996)
Bibliographie