initiation à la dynamiquedes eaux souterraines

alimentation, écoulement, régime

conférence au CEFIGRE(session de formation sur l'exploitation et la gestion

des ressources en eau souterraine - juin 1 987)

- 3 MAR. ID. S

BRGM

initiation à la dynamiquedes eaux souterraines

alimentation, écoulement, régime

conférence au CEFIGRE(session de formation sur l'exploitation et la gestion

des ressources en eau souterraine - juin 1987)

J. Margat

juillet 198787 S G N 511 E A U

BUREAU DE RECHERCHES GEOLOGIQUES ET MINIERESSERVICE GÉOLOGIQUE NATIONAL

Département EauB.P. 6009 - 45060 ORLÉANS CEDEX 2 - France - Tél.: (33) 38.64.34.34

AVANT-PROPOS

Cet opuscule est le texte d'une conférence exposée au cours d'une session deformation sur "L'exploitation et la gestion des ressources en eau souterraine" duCentre de formation international à la gestion des ressources en eau (CEFIGRE), àSophia-Antipolis en mai-juin 1987.

Préparé à l'attention de stagiaires africains pour la plupart sans formationspécialisée en hydrogéologie, ce document pédagogique, illustré volontairement pardes exemples exclusivement africains et présenté en termes aussi physiques quepossible, peut servir d'aide-mémoire aux hydrogéologues débutants et contribuer àd'autres actions de formation.

Il comporte quelques renvois aux conférences introductives de la session du CEFIGREmentionnée ci-dessus, qui ont également été éditées comme rapport du BRGM(87 SGN 510 EAU).

AVANT-PROPOS

Cet opuscule est le texte d'une conférence exposée au cours d'une session deformation sur "L'exploitation et la gestion des ressources en eau souterraine" duCentre de formation international à la gestion des ressources en eau (CEFIGRE), àSophia-Antipolis en mai-juin 1987.

Préparé à l'attention de stagiaires africains pour la plupart sans formationspécialisée en hydrogéologie, ce document pédagogique, illustré volontairement pardes exemples exclusivement africains et présenté en termes aussi physiques quepossible, peut servir d'aide-mémoire aux hydrogéologues débutants et contribuer àd'autres actions de formation.

Il comporte quelques renvois aux conférences introductives de la session du CEFIGREmentionnée ci-dessus, qui ont également été éditées comme rapport du BRGM(87 SGN 510 EAU).

SOMMAIRE

Page

PREAMBULE

1 - BASES DE L'HYDRODYNAMIQUE SOUTERRAINELois générales et phénomènes fondamentaux

2 - FONCTIONNEMENT HYDRAULIQUE D'UN AQUIFEREConditions internes et facteurs externes, conditions auxlimites. Alimentation et débit des nappes souterraines.Equilibre et déséquilibre : régime permanent ou transitoire

REGIME DES VARIATIONS DE NIVEAU DES EAUX 17SOUTERRAINESFormes, classification selon les facteurs dominants.Signification des amplitudes

4 - REGIME DES DEBITS 39

ORIENTATION BIBLIOGRAPHIQUE 41

SOMMAIRE

Page

PREAMBULE

1 - BASES DE L'HYDRODYNAMIQUE SOUTERRAINELois générales et phénomènes fondamentaux

2 - FONCTIONNEMENT HYDRAULIQUE D'UN AQUIFEREConditions internes et facteurs externes, conditions auxlimites. Alimentation et débit des nappes souterraines.Equilibre et déséquilibre : régime permanent ou transitoire

REGIME DES VARIATIONS DE NIVEAU DES EAUX 17SOUTERRAINESFormes, classification selon les facteurs dominants.Signification des amplitudes

4 - REGIME DES DEBITS 39

ORIENTATION BIBLIOGRAPHIQUE 41

PREAMBULE

01. La dynamique des eaux souterraines, en tant que branche du savoir, est laconnaissance - la description et l'explication - des phénomènes hydrauliques quise rapportent à l'étape souterraine du cycle de l'eau, depuis les pénétrationsd'eau dans le sous-sol (alimentation des aquifères) jusqu'aux retours d'eau aujour (émergences visibles ou émissions occultes des aquifères).

Par une extension de sens - ou "métonymie" - courante, cette dynamiquedésigne aussi son propre objet : l'ensemble de ces phénomènes.

02. On se limitera ici à la dynamique des eaux souterraines en régime naturel,c'est-à-dire non influencé par l'exploitation ou par d'autres actions humaines,tout en sachant que les mêmes lois générales de l'hydrodynamique s'appliquentaux écoulements en régime artificiellement influencé, notamment àl'écoulement vers un ouvrage de captage ("Hydraulique des puits et descaptages") qui sera traité par ailleurs.

03. Les rudiments exposés ici, dépouillés de tout formalisme mathématique, visentsurtout à faciliter la compréhension physique des phénomènes en jeu, enpréalable à la consultation et à l'usage d'ouvrages plus spécialisés. Us seproposent aussi d'exercer les hydrogéologues et hydrauliciens à fairecomprendre ces notions aux divers usagers d'eau souterraine, car cette fonctionéducatriee fait partie de leur profession.

04. Qui dit dynamique dit mouvement : les eaux souterraines sont bien en effet deseaux mobiles, "courantes" et non "stagnantes", bien qu'elles soient souvent malperçues comme telles - sauf aux lieux de leurs émergences -, même si, commeon l'a rappelé en Introduction, les vitesses de déplacement des eaux souterrainessont beaucoup plus lentes que celles des cours d'eau superficiels et si lesvolumes d'eau stockés dans le sous-sol - dans les réservoirs aquifères - jouent unrôle considérable dans leur régime.

05. Deux dichotomies majeures s'appliquent aux conditions offertes par lesstructures du sous-sol à l'écoulement de l'eau* :

La distinction entre les aquifères continus (roches poreuses), "gisements" desnappes souterraines proprement dites, et les aquifères discontinus (rochescarbonatées ou cristallines fissurées et fracturées), sièges de circulations enréseaux diversement connectés ; cette distinction étant assez relative àl'échelle (les eaux circulant dans un aquifère fissuré localement discontinupeuvent se comporter comme une nappe souterraine d'aquifère continu àl'écheUe régionale).

La distinction entre les régimes d'écoulement avec ou sans surface libre,c'est-à-dire avec ou sans la possibilité de variation significative du volumed'eau dans l'aquifère.

PREAMBULE

01. La dynamique des eaux souterraines, en tant que branche du savoir, est laconnaissance - la description et l'explication - des phénomènes hydrauliques quise rapportent à l'étape souterraine du cycle de l'eau, depuis les pénétrationsd'eau dans le sous-sol (alimentation des aquifères) jusqu'aux retours d'eau aujour (émergences visibles ou émissions occultes des aquifères).

Par une extension de sens - ou "métonymie" - courante, cette dynamiquedésigne aussi son propre objet : l'ensemble de ces phénomènes.

02. On se limitera ici à la dynamique des eaux souterraines en régime naturel,c'est-à-dire non influencé par l'exploitation ou par d'autres actions humaines,tout en sachant que les mêmes lois générales de l'hydrodynamique s'appliquentaux écoulements en régime artificiellement influencé, notamment àl'écoulement vers un ouvrage de captage ("Hydraulique des puits et descaptages") qui sera traité par ailleurs.

03. Les rudiments exposés ici, dépouillés de tout formalisme mathématique, visentsurtout à faciliter la compréhension physique des phénomènes en jeu, enpréalable à la consultation et à l'usage d'ouvrages plus spécialisés. Us seproposent aussi d'exercer les hydrogéologues et hydrauliciens à fairecomprendre ces notions aux divers usagers d'eau souterraine, car cette fonctionéducatriee fait partie de leur profession.

04. Qui dit dynamique dit mouvement : les eaux souterraines sont bien en effet deseaux mobiles, "courantes" et non "stagnantes", bien qu'elles soient souvent malperçues comme telles - sauf aux lieux de leurs émergences -, même si, commeon l'a rappelé en Introduction, les vitesses de déplacement des eaux souterrainessont beaucoup plus lentes que celles des cours d'eau superficiels et si lesvolumes d'eau stockés dans le sous-sol - dans les réservoirs aquifères - jouent unrôle considérable dans leur régime.

05. Deux dichotomies majeures s'appliquent aux conditions offertes par lesstructures du sous-sol à l'écoulement de l'eau* :

La distinction entre les aquifères continus (roches poreuses), "gisements" desnappes souterraines proprement dites, et les aquifères discontinus (rochescarbonatées ou cristallines fissurées et fracturées), sièges de circulations enréseaux diversement connectés ; cette distinction étant assez relative àl'échelle (les eaux circulant dans un aquifère fissuré localement discontinupeuvent se comporter comme une nappe souterraine d'aquifère continu àl'écheUe régionale).

La distinction entre les régimes d'écoulement avec ou sans surface libre,c'est-à-dire avec ou sans la possibilité de variation significative du volumed'eau dans l'aquifère.

- 2 -

Le croisement de ces deux distinctions, traduit par le tableau 1, définit quatrecas de figures qui correspondent à quatre types de conditions d'écoulement des eauxsouterraines et à autîmt de chapitres de leur dynamique :

Tableau 1

Ecoulement àsurface libre

Ecoulement sanssurface libre(captivité)

Aquifère continus

Nappes libres

Nappes captives

Aquifères discontinus

Partie supérieure decertaines circulations en

réseau

La plupart des circulationsen réseau

Ces quatre cas ne sont pas réalisés aussi couramment : le plus restreint estcelui des circulations en aquifère discontinu à surface libre qui ne s'applique qu'auxfissures ou conduits en partie dénoyés.

06. La dynamique des eaux souterraines n'est pas seulement conditionnée par cescaractères des formations aquifères en tant que milieux indéfinis. Elle estd'abord et surtout gouvernée par les formes de connexion et les intensités deséchanges d'eau avec les autres étapes du cycle naturel de l'eau : les unes et lesautres ne peuvent se définir qu'en se rapportant à des champs délimités dansl'espace, de même que la dynamique des eaux superficielles est déterminée dansun domaine spatial défini (un bassin fluvial et un réseau hydrographique).

07. Le "régime des eaux souterraines" ou plus particulièrement des nappessouterraines au sens plus courant de régime des variations de niveau et de débitissu (sources...), n'est que la partie visible - observable - de la dynamique deseaux souterraines.

1. BASES DE L'HYDRODYNAMIQUE SOUTERRAINE

08. Les phénomènes hydrauliques souterrains suivent les mêmes lois physiques queles phénomènes hydrauliques en général.

Deux lois fondamentales gouvernent la dynamique des eaux souterraines :- le principe de conservation de la matière (§ 09),- la loi de Darcy (§ 10).

09. Le principe de conservation de la matière ("rien ne se crée, rien ne se perd") esttraduit en hydraulique par l'équation de continuité qui est celle du "bUan d'eau"-ou plutôt "budget" -, dont chaque terme se réfère au même domaine spatial("système") et à la même durée :

- 2 -

Le croisement de ces deux distinctions, traduit par le tableau 1, définit quatrecas de figures qui correspondent à quatre types de conditions d'écoulement des eauxsouterraines et à autîmt de chapitres de leur dynamique :

Tableau 1

Ecoulement àsurface libre

Ecoulement sanssurface libre(captivité)

Aquifère continus

Nappes libres

Nappes captives

Aquifères discontinus

Partie supérieure decertaines circulations en

réseau

La plupart des circulationsen réseau

Ces quatre cas ne sont pas réalisés aussi couramment : le plus restreint estcelui des circulations en aquifère discontinu à surface libre qui ne s'applique qu'auxfissures ou conduits en partie dénoyés.

06. La dynamique des eaux souterraines n'est pas seulement conditionnée par cescaractères des formations aquifères en tant que milieux indéfinis. Elle estd'abord et surtout gouvernée par les formes de connexion et les intensités deséchanges d'eau avec les autres étapes du cycle naturel de l'eau : les unes et lesautres ne peuvent se définir qu'en se rapportant à des champs délimités dansl'espace, de même que la dynamique des eaux superficielles est déterminée dansun domaine spatial défini (un bassin fluvial et un réseau hydrographique).

07. Le "régime des eaux souterraines" ou plus particulièrement des nappessouterraines au sens plus courant de régime des variations de niveau et de débitissu (sources...), n'est que la partie visible - observable - de la dynamique deseaux souterraines.

1. BASES DE L'HYDRODYNAMIQUE SOUTERRAINE

08. Les phénomènes hydrauliques souterrains suivent les mêmes lois physiques queles phénomènes hydrauliques en général.

Deux lois fondamentales gouvernent la dynamique des eaux souterraines :- le principe de conservation de la matière (§ 09),- la loi de Darcy (§ 10).

09. Le principe de conservation de la matière ("rien ne se crée, rien ne se perd") esttraduit en hydraulique par l'équation de continuité qui est celle du "bUan d'eau"-ou plutôt "budget" -, dont chaque terme se réfère au même domaine spatial("système") et à la même durée :

- 3

Qa = Qs f A R

Qa : volume d'eau entré ^ rapportés à cette durée sont doncQs : volume d'eau sorti j exprimables en flux moyenR : étant le stock ou Réserve

Cette équation est analogue à celle d'un budget financier

Crédit = Débit ± A Trésorerie

et peut aussi s'écrire :

A R (stock ou Réserve) = Somme algébrique Q entré -i- Q sorti

Quelque soit la durée, courte ou longue, ou l'étendue de l'espace de référence -depuis un volume de terrain aquifère élémentaire (représenté par une "maille"de modèle), jusqu'à l'ensemble d'une couche ou d'un massif aquifère, voire detous ceux d'un bassin -.

10. Tout écoulement s'accompagne de perte de charge, d'autant plus forte - à fluxégal - que la perméabilité est faible, cette perte de charge se traduisant par lapente ou gradient hydraulique des niveaux de l'eau en écoulement. C'est cequ'exprime la loi de DARCY :

Q = A.K.Í

Q étant le flux traversant la section A d'un aquifère de perméabilité K, avecune perte de charge i (i = différence des niveaux par unité de longueur 1 suivantla direction de l'écoulement). Q a la dimension d'un flux (volume/unité detemps), A celle d'une surface et K celle d'une vitesse (distance/unité detemps) ; i n'a pas de dimension - cf. fig. 1).

N.B. Cette loi, de même que le coefficient de perméabilité de DARCY K, ne vautque pour un milieu aquifère continu réel (poreux) ou "équivalent" (milieu fissuréconsidéré à une échelle très supérieure à celle des discontinuités).

11. En conséquence les niveaux, charges ou potentiels hydrauliques, des eauxsouterraines observables en différents points d'un même aquifère - les niveauxd'une même nappe souterraine - se trouvent généralement à différentesaltitudes. Les lignes de pentes de leur lieu géométrique, la surfacepiézométrique, indiquent les directions d'écoulement et ces pentes reflètent ladistribution des débits d'écoulements locaux, des perméabilités et des épaisseursde l'aquifère. Seule une nappe souterraine immobile - donc à débit nul - auraitune surface horizontale similaire à celle d'un lac clos.

- 3

Qa = Qs f A R

Qa : volume d'eau entré ^ rapportés à cette durée sont doncQs : volume d'eau sorti j exprimables en flux moyenR : étant le stock ou Réserve

Cette équation est analogue à celle d'un budget financier

Crédit = Débit ± A Trésorerie

et peut aussi s'écrire :

A R (stock ou Réserve) = Somme algébrique Q entré -i- Q sorti

Quelque soit la durée, courte ou longue, ou l'étendue de l'espace de référence -depuis un volume de terrain aquifère élémentaire (représenté par une "maille"de modèle), jusqu'à l'ensemble d'une couche ou d'un massif aquifère, voire detous ceux d'un bassin -.

10. Tout écoulement s'accompagne de perte de charge, d'autant plus forte - à fluxégal - que la perméabilité est faible, cette perte de charge se traduisant par lapente ou gradient hydraulique des niveaux de l'eau en écoulement. C'est cequ'exprime la loi de DARCY :

Q = A.K.Í

Q étant le flux traversant la section A d'un aquifère de perméabilité K, avecune perte de charge i (i = différence des niveaux par unité de longueur 1 suivantla direction de l'écoulement). Q a la dimension d'un flux (volume/unité detemps), A celle d'une surface et K celle d'une vitesse (distance/unité detemps) ; i n'a pas de dimension - cf. fig. 1).

N.B. Cette loi, de même que le coefficient de perméabilité de DARCY K, ne vautque pour un milieu aquifère continu réel (poreux) ou "équivalent" (milieu fissuréconsidéré à une échelle très supérieure à celle des discontinuités).

11. En conséquence les niveaux, charges ou potentiels hydrauliques, des eauxsouterraines observables en différents points d'un même aquifère - les niveauxd'une même nappe souterraine - se trouvent généralement à différentesaltitudes. Les lignes de pentes de leur lieu géométrique, la surfacepiézométrique, indiquent les directions d'écoulement et ces pentes reflètent ladistribution des débits d'écoulements locaux, des perméabilités et des épaisseursde l'aquifère. Seule une nappe souterraine immobile - donc à débit nul - auraitune surface horizontale similaire à celle d'un lac clos.

4 -

< L

Q

m^/s

A . K . i

m^ m /si= hl-h2

Fig. 1 - Loi de Darcy.

4 -

< L

Q

m^/s

A . K . i

m^ m /si= hl-h2

Fig. 1 - Loi de Darcy.

12. Un aquifère est le siège de deux phénomènes hydrauliques essentiels :

(1) Le déplacement ou écoulement de l'eau, similaire à un courant d'eau de surface,permis par la transmissivité (perméabilité x épaisseur de l'aquifère)*.

(2) La propagation de variation de niveau - de charge au potentiel hydraulique -,similaire à celle d'une onde de crue ou à une transmission de pressionhydraulique, permise par la diffusivité (quotient de la transmissivité par lecoefficient d'emmagasinement T/S)*.

Cette propagation est plus rapide dans un aquifère à nappe captive (à fortediffusivité puisque son emmagasinement est très faible), analogue à une"conduite forcée", que dans un aquifère à nappe libre où l'emmagasinement plusfort diminue la diffusivité ; elle est dans tous les cas beaucoup plus rapide quela vitesse d'écoulement.

13. Ces phénomènes sont directionnels.

- L'écoulement de l'eau souterraine est tridimensionnel. Les composanteshorizontales sont souvent prédominantes ce qui autorise à représenterl'écoulement d'une nappe souterraine dans une couche aquifère peu pentue demanière bidimensionnelle : donc à schématiser l'aquifère par un"monocouche", à décrire la distribution des transmissivités par une carte et àconstruire une surface piézométrique unique (carte des potentielshydrauliques).

Toutefois des composantes verticales ne sont pas négligeables dans lescirculations en aquifère discontinus, au voisinage de site d'échange d'eau avecla surface (infiltration de cours d'eau, émergence) et elles sont prédominantesdans les formations peu perméables intercalées entre aquifères superposés(phénomène de drainance) ainsi que dans les zones non saturées, siègesd'infiltration ou d'ascension capillaire. Elles ne permettent plus laconstruction d'une seule surface piézométrique (chacune devant correspondreà une profondeur de mesure de charge définie) et nécessitant plutôt desreprésentations en coupe.

- Les propagations de variation de charge hydraulique se font à peu prèsindépendamment des sens d'écoulement de l'eau souterraine, dans toutes lesdirections à partir des lieux d'origine des impulsions - à la manière d'ondesdéclenchées par un objet jeté à l'eau ou d'un "mascaret" qui remonte lecourant d'un fleuve sous l'impulsion des marées à son embouchure... -.

14. Les effets de ces phénomènes sont superposables. Les ondes de variation deniveau propagées depuis différentes origines peuvent se superposer et s'ajouteraux changements de niveau liés à des changements de débit d'écoulement deseaux souterraines : en tout point d'un aquifère les variations de niveau peuventrésulter de la somme algébrique de plusieurs effets. C'est ce qu'on appelle la loide superposition des influences.

12. Un aquifère est le siège de deux phénomènes hydrauliques essentiels :

(1) Le déplacement ou écoulement de l'eau, similaire à un courant d'eau de surface,permis par la transmissivité (perméabilité x épaisseur de l'aquifère)*.

(2) La propagation de variation de niveau - de charge au potentiel hydraulique -,similaire à celle d'une onde de crue ou à une transmission de pressionhydraulique, permise par la diffusivité (quotient de la transmissivité par lecoefficient d'emmagasinement T/S)*.

Cette propagation est plus rapide dans un aquifère à nappe captive (à fortediffusivité puisque son emmagasinement est très faible), analogue à une"conduite forcée", que dans un aquifère à nappe libre où l'emmagasinement plusfort diminue la diffusivité ; elle est dans tous les cas beaucoup plus rapide quela vitesse d'écoulement.

13. Ces phénomènes sont directionnels.

- L'écoulement de l'eau souterraine est tridimensionnel. Les composanteshorizontales sont souvent prédominantes ce qui autorise à représenterl'écoulement d'une nappe souterraine dans une couche aquifère peu pentue demanière bidimensionnelle : donc à schématiser l'aquifère par un"monocouche", à décrire la distribution des transmissivités par une carte et àconstruire une surface piézométrique unique (carte des potentielshydrauliques).

Toutefois des composantes verticales ne sont pas négligeables dans lescirculations en aquifère discontinus, au voisinage de site d'échange d'eau avecla surface (infiltration de cours d'eau, émergence) et elles sont prédominantesdans les formations peu perméables intercalées entre aquifères superposés(phénomène de drainance) ainsi que dans les zones non saturées, siègesd'infiltration ou d'ascension capillaire. Elles ne permettent plus laconstruction d'une seule surface piézométrique (chacune devant correspondreà une profondeur de mesure de charge définie) et nécessitant plutôt desreprésentations en coupe.

- Les propagations de variation de charge hydraulique se font à peu prèsindépendamment des sens d'écoulement de l'eau souterraine, dans toutes lesdirections à partir des lieux d'origine des impulsions - à la manière d'ondesdéclenchées par un objet jeté à l'eau ou d'un "mascaret" qui remonte lecourant d'un fleuve sous l'impulsion des marées à son embouchure... -.

14. Les effets de ces phénomènes sont superposables. Les ondes de variation deniveau propagées depuis différentes origines peuvent se superposer et s'ajouteraux changements de niveau liés à des changements de débit d'écoulement deseaux souterraines : en tout point d'un aquifère les variations de niveau peuventrésulter de la somme algébrique de plusieurs effets. C'est ce qu'on appelle la loide superposition des influences.

- ó -

2. FONCTIONNEMENT HYDRAULIQUE D'UN AQUIFERE

15. L'observation du régime des variations de niveau d'eau d'un puits ou du débitd'une source peut être ponctuelle. La compréhension et l'explication de ladynamique des eaux souterraines ne sont par contre possibles - comme on l'a diten préambule (cf. § 06) - que dans le cadre de champs de référence délimitésdans l'espace et de structure définie - même approximativement -, où lesformations géologiques aquifères assurent à la fois (ou parfois de manières plusou moins séparées) les fonctions de réservoir et de conducteur, et dont leséchanges d'eau avec l'extérieur peuvent être identifiés ou supputés : de telschamps sont appelés systèmes aquifères.

16. Tout aquifère est un réservoir ouvert qui reçoit des apports d'eau et subit desfuites, spontanées dans les conditions naturelles : c'est un "appareil récepteur -émetteur" de flux d'eau dont les incidences respectives sur l'état du stockpeuvent se calculer globalement - en première analyse - de manière similaireaux "problèmes de robinet" classiques et dont les résultats se présentent sous laforme d'équation de "bilans d'eau", à toutes échelles de temps et d'espace (cf. §09).

17. Toute la dynamique de l'eau dans un aquifère est donc déterminée par lesconditions qui régissent de l'extérieur ces apports et ces fuites, et à l'intérieurles écoulements et les propagations de variations de charge Ah, interactivesavec les variations du stock :

- Les conditions externes - facteurs actifs - s'appliquent aux limites, d'oùl'expression courante de conditions aux limites, et peuvent être permanentesou variables.

- Les conditions internes, passives et stables sont les facilités offertes ou lesobstacles opposés aux écoulements et aux propagations de Ah par lescaractères des formations géologiques constituantes (les paramètres quidéfinissent les propriétés conductrices et accumulatrices des roches) et parles structures qui agencent la distribution de ces paramètres et lesdifférentes formations pouvant composer un système aquifère, notamment :existence ou non d'une couverture peu perméable donc de la possibilité denappe libre ou captive...). Ces conditions se définissent donc à deux échelles :

ceUe des propriétés des roches et celle des structures géologiques*.

18. Ces conditions aux limites d'un système aquifère, qui dépendent de l'extérieur :

- s'appliquent soit à des surfaces, soit à des lignes, soit plus rarement à despoints singuliers ;

- peuvent correspondre :. soit à des entrées d'eau, ou affluences : lignes ou aires d'alimentation ;

. soit à des sorties d'eau (exutoires) : points, lignes ou aires d'émergence,d'émission.

- ó -

2. FONCTIONNEMENT HYDRAULIQUE D'UN AQUIFERE

15. L'observation du régime des variations de niveau d'eau d'un puits ou du débitd'une source peut être ponctuelle. La compréhension et l'explication de ladynamique des eaux souterraines ne sont par contre possibles - comme on l'a diten préambule (cf. § 06) - que dans le cadre de champs de référence délimitésdans l'espace et de structure définie - même approximativement -, où lesformations géologiques aquifères assurent à la fois (ou parfois de manières plusou moins séparées) les fonctions de réservoir et de conducteur, et dont leséchanges d'eau avec l'extérieur peuvent être identifiés ou supputés : de telschamps sont appelés systèmes aquifères.

16. Tout aquifère est un réservoir ouvert qui reçoit des apports d'eau et subit desfuites, spontanées dans les conditions naturelles : c'est un "appareil récepteur -émetteur" de flux d'eau dont les incidences respectives sur l'état du stockpeuvent se calculer globalement - en première analyse - de manière similaireaux "problèmes de robinet" classiques et dont les résultats se présentent sous laforme d'équation de "bilans d'eau", à toutes échelles de temps et d'espace (cf. §09).

17. Toute la dynamique de l'eau dans un aquifère est donc déterminée par lesconditions qui régissent de l'extérieur ces apports et ces fuites, et à l'intérieurles écoulements et les propagations de variations de charge Ah, interactivesavec les variations du stock :

- Les conditions externes - facteurs actifs - s'appliquent aux limites, d'oùl'expression courante de conditions aux limites, et peuvent être permanentesou variables.

- Les conditions internes, passives et stables sont les facilités offertes ou lesobstacles opposés aux écoulements et aux propagations de Ah par lescaractères des formations géologiques constituantes (les paramètres quidéfinissent les propriétés conductrices et accumulatrices des roches) et parles structures qui agencent la distribution de ces paramètres et lesdifférentes formations pouvant composer un système aquifère, notamment :existence ou non d'une couverture peu perméable donc de la possibilité denappe libre ou captive...). Ces conditions se définissent donc à deux échelles :

ceUe des propriétés des roches et celle des structures géologiques*.

18. Ces conditions aux limites d'un système aquifère, qui dépendent de l'extérieur :

- s'appliquent soit à des surfaces, soit à des lignes, soit plus rarement à despoints singuliers ;

- peuvent correspondre :. soit à des entrées d'eau, ou affluences : lignes ou aires d'alimentation ;

. soit à des sorties d'eau (exutoires) : points, lignes ou aires d'émergence,d'émission.

19. Deux sortes de conditions aux limites, de natures hydrauliques différentes, sontà bien distinguer (cf. fig. 2) :

(1). Des conditions de flux imposé :

à flux constant ou le plus souvent variable, continuel ou intermittent, entrant(alimentation) ou sortant (flux soustrait par les conditions extérieures : cas del'évapo-transpiration).

Dans les bassins sédimentaires composés, en alternance, de couches aquifèreset semi-perméables, ces conditions de flux s'appliquent aussi aux murs ou toitsdes aquifères qui échangent des flux avec les voisins à travers les formationssemi-perméables intercalaires (drainance) : ces flux sont en effet fonction desperméabilités verticales de ces intercalations et de différences de charge assezstables entre les aquifères émetteurs et récepteurs.

Cas limite, ^ais très fréquent : Flux nul ou quasi-nul, traductionhydraulique d'une barrière "imperméable" (en pratique au contactlatéral avec une formation beaucoup moins perméable).

(2). Des conditions de niveau (= potentiel hydraulique) imposé :

à niveau fixe (point ou ligne d'émergence : source, rive de plan d'eau fluvial oulacustre stable, littoral - niveau moyen de la mer -) ou à niveau variable (fleuveen crue/décrue, niveau de la mer à court terme - marées -).

Ces conditions de niveau déterminent elles-mêmes des flux d'échange plus oumoins variables entre l'aquifère et l'extérieur :

- flux entrant (infiltration d'un fleuve...), ::.- flux sortant (émergence),- flux alternatif.

20. Les correspondances entre ces deux sortes de conditions aux limites et les deuxsens des flux d'échange entre l'aquifère et l'extérieur peuvent se résumer par letableau 2 suivant, (qu'illustre aussi la figure 2) :

19. Deux sortes de conditions aux limites, de natures hydrauliques différentes, sontà bien distinguer (cf. fig. 2) :

(1). Des conditions de flux imposé :

à flux constant ou le plus souvent variable, continuel ou intermittent, entrant(alimentation) ou sortant (flux soustrait par les conditions extérieures : cas del'évapo-transpiration).

Dans les bassins sédimentaires composés, en alternance, de couches aquifèreset semi-perméables, ces conditions de flux s'appliquent aussi aux murs ou toitsdes aquifères qui échangent des flux avec les voisins à travers les formationssemi-perméables intercalaires (drainance) : ces flux sont en effet fonction desperméabilités verticales de ces intercalations et de différences de charge assezstables entre les aquifères émetteurs et récepteurs.

Cas limite, ^ais très fréquent : Flux nul ou quasi-nul, traductionhydraulique d'une barrière "imperméable" (en pratique au contactlatéral avec une formation beaucoup moins perméable).

(2). Des conditions de niveau (= potentiel hydraulique) imposé :

à niveau fixe (point ou ligne d'émergence : source, rive de plan d'eau fluvial oulacustre stable, littoral - niveau moyen de la mer -) ou à niveau variable (fleuveen crue/décrue, niveau de la mer à court terme - marées -).

Ces conditions de niveau déterminent elles-mêmes des flux d'échange plus oumoins variables entre l'aquifère et l'extérieur :

- flux entrant (infiltration d'un fleuve...), ::.- flux sortant (émergence),- flux alternatif.

20. Les correspondances entre ces deux sortes de conditions aux limites et les deuxsens des flux d'échange entre l'aquifère et l'extérieur peuvent se résumer par letableau 2 suivant, (qu'illustre aussi la figure 2) :

.- 8 -fig. 2- LIMITES NATURELLES DE SYSTEMES AQUIFERES (schémas bidimensionnels )

r LIMITES A CONDITION DE POTENTIELlignas surfacai

LIMITES A CONDITION DE FLUXI Ignas i urfocaa

FLUX NUL

LIMITES

ÉTANCHES

" .....;.. .'.!.. ..l.i_^.^.._^.¡_¿,J^-^3

FLUX

ENTRANT

LIMITES

D'ALIMENTATION

lac , bassin

/?///////////.COURS D'EAUINFILTRANT

(urfaca libra\_ loL

^___;__._> >p-> :-i7T^ -.-.I ;

COURS D'EAU INFIL¬TRANT COLMATÉ

yy/'y/////vy>/////^^^-'^AIRE D'INFILTRATION

ruistall

777777777777} .COURS D'EAU PERCHE

"777777777777777777777^

AIRES D'AFFLUENCE(oquifarai sami- coptifi)

LIMITE SEMI-PERENNE

FLUX

SORTANT

LIMITES

D'ÉMERGENCE

drains sources

V V'r^'Pz^m^^^zTz^zm^^

loc

.^aau lallt'RIVAGE

J.surface libra

V7Z777777777777777?7777y

COURS D'EAU DRAINANT AIRE D'EXFILTRATIONET D'ÉVAPORATION

"z^^z^//////////////^- CONDUIT KARSTIQUENOYÉ .COLLECTEUR r)^Trrrr77-rr7777777777.

r^777777777777777777777/avaporotion _

iHffl

LIGNES DE SOURCES

V777777777777777777777\

AIRES D' EFFLUENCE(oqulfjras samI- coptifs)

zona non soturaa

aquifàra satura'. (ami - parmâoblaimparma'obla

nivaou imposa'

profil pla'zoma'triqua

__^ profil da lurfoca limita

DIRECTIONS DE FLUX

I Y an zona non sotura'aI ^^ an zona sotura'a

.- 8 -fig. 2- LIMITES NATURELLES DE SYSTEMES AQUIFERES (schémas bidimensionnels )

r LIMITES A CONDITION DE POTENTIELlignas surfacai

LIMITES A CONDITION DE FLUXI Ignas i urfocaa

FLUX NUL

LIMITES

ÉTANCHES

" .....;.. .'.!.. ..l.i_^.^.._^.¡_¿,J^-^3

FLUX

ENTRANT

LIMITES

D'ALIMENTATION

lac , bassin

/?///////////.COURS D'EAUINFILTRANT

(urfaca libra\_ loL

^___;__._> >p-> :-i7T^ -.-.I ;

COURS D'EAU INFIL¬TRANT COLMATÉ

yy/'y/////vy>/////^^^-'^AIRE D'INFILTRATION

ruistall

777777777777} .COURS D'EAU PERCHE

"777777777777777777777^

AIRES D'AFFLUENCE(oquifarai sami- coptifi)

LIMITE SEMI-PERENNE

FLUX

SORTANT

LIMITES

D'ÉMERGENCE

drains sources

V V'r^'Pz^m^^^zTz^zm^^

loc

.^aau lallt'RIVAGE

J.surface libra

V7Z777777777777777?7777y

COURS D'EAU DRAINANT AIRE D'EXFILTRATIONET D'ÉVAPORATION

"z^^z^//////////////^- CONDUIT KARSTIQUENOYÉ .COLLECTEUR r)^Trrrr77-rr7777777777.

r^777777777777777777777/avaporotion _

iHffl

LIGNES DE SOURCES

V777777777777777777777\

AIRES D' EFFLUENCE(oqulfjras samI- coptifs)

zona non soturaa

aquifàra satura'. (ami - parmâoblaimparma'obla

nivaou imposa'

profil pla'zoma'triqua

__^ profil da lurfoca limita

DIRECTIONS DE FLUX

I Y an zona non sotura'aI ^^ an zona sotura'a

Tableau 2

^**^^^_^^ ConditionsSens . ^^^sÇitt limitesd'échangé ^^"^-^n...,,^^

Flux entrantAPPORT

Flux sortantEmission,

DEBIT

Flux nul

Conditions deflux

Surface de nappe libre,réceptrice d'infiltration.Limite semi-perméable(drainance affluente).

Berge colmatée d'un coursd'eau "infiltrant".

Perte de rivière (karst)

Surface de nappe libre sujetteà évapotranspiration.

Limite semi-perméable(drainance effluente)

Limite imperméable (substratum,toit, paroi de l'aquifère)

Conditions de niveau(potentiel)

Rive de cours d'eau ou lacen liaison hydrauliqueavec l'aquifère et àniveau plus élevé

Source, aire d'émergence ;

rive de cours d'eau ou lacen liaison hydraulique

avec l'aquifère et à niveauplus bas. Littoral (niveau

de la mer).

21. Les entrées et sorties d'eau des aquifères, c'est-à-dire les origines et modesd'alimentation des nappes souterraines d'une part, les formes et modesd'émission - ou effluence - des nappes souterraines d'autre part, qui serontpassés en revue plus classiquement ci-après, correspondent à des échangessymétriques avec trois grands domaines extérieurs :

- l'atmosphère, via le sol (zone non saturée) et la végétation,- les eaux superficielles,- les aquifères limitrophes (voisins, superposés, sous-jacents).

Ces échanges se répartissent ainsi suivant trois "lignes budgétaires" dans le plancomptable général de tous les "bilans d'eau" d'aquifère (cf. tableau 3) :

Tableau 2

^**^^^_^^ ConditionsSens . ^^^sÇitt limitesd'échangé ^^"^-^n...,,^^

Flux entrantAPPORT

Flux sortantEmission,

DEBIT

Flux nul

Conditions deflux

Surface de nappe libre,réceptrice d'infiltration.Limite semi-perméable(drainance affluente).

Berge colmatée d'un coursd'eau "infiltrant".

Perte de rivière (karst)

Surface de nappe libre sujetteà évapotranspiration.

Limite semi-perméable(drainance effluente)

Limite imperméable (substratum,toit, paroi de l'aquifère)

Conditions de niveau(potentiel)

Rive de cours d'eau ou lacen liaison hydrauliqueavec l'aquifère et àniveau plus élevé

Source, aire d'émergence ;

rive de cours d'eau ou lacen liaison hydraulique

avec l'aquifère et à niveauplus bas. Littoral (niveau

de la mer).

21. Les entrées et sorties d'eau des aquifères, c'est-à-dire les origines et modesd'alimentation des nappes souterraines d'une part, les formes et modesd'émission - ou effluence - des nappes souterraines d'autre part, qui serontpassés en revue plus classiquement ci-après, correspondent à des échangessymétriques avec trois grands domaines extérieurs :

- l'atmosphère, via le sol (zone non saturée) et la végétation,- les eaux superficielles,- les aquifères limitrophes (voisins, superposés, sous-jacents).

Ces échanges se répartissent ainsi suivant trois "lignes budgétaires" dans le plancomptable général de tous les "bilans d'eau" d'aquifère (cf. tableau 3) :

10

Tableau 3

^^^'^v^,^ Sens des^^^^^échanges

Milieu extérieuï^s.^^d'échange ^~^>>..^^

ATMOSPHEREvia sol

(zone non saturée)

Eaux de surface(continentales, marines)

directement (liaison hydrau¬lique continue), ou viasol (zone non saturée)

Aquifères limitrophes

Entrées d'eauALIMENTATION

"CREDIT"+

Infiltration -des eaux météoriques

(précipitations)

Infiltration d'eaux superficielles,"Pertes" de cours d'eau .

Egouttement d'aquifèresperchés.

Ecoulement souterrain affluent.Drainance affluente.

Sorties d'eauEMISSIONS

"DEBIT"

"Exfiltration"et évapotranspiration.

Emergences* sources, cours d'eau

drainants, lacs, mer.

Ecoulement souterraineffluent.

Drainance effluente.

22. L'alimentation des aquifères (apports d'eau ou "crédits") a trois originesessentielles, pouvant être conjuguées ou exclusives selon les cas :

(1). L'infiltration des eaux météoriques (précipitations liquides, parfois solides) àtravers le sol ou zone non saturée, ne s'applique qu'aux aquifères à surface libre(cf. supra § 20), dont c'est le mode d'alimentation dominant en zone humide -phénomène extensif, mais non uniforme ni permanent - alors qu'elle est plusclairsemée et rare, voire nulle en zone aride.

Conséquence directe des précipitations, elle en épouse la répartition régionale,mais à l'échelle locale et momentanée cest un phénomène très complexe : laquantité d'eau infiltrée jusqu'à la surface libre ne dépend pas seulement deshauteurs de pluie mais des échanges d'eau entre la couche supérieure de la zonenon saturée et l'atmosphère -des "reprises" par évapotranspiration-, de laperméabilité relative dans la zone saturée qui dépend elle-même de l'humidité.Donc elle peut varier beaucoup, résultant à son tour des précipitationsantérieures et des conditions atmosphériques.

Comme forme d'alimentation extensive, c'est la seule qui peut s'exprimer enhauteur moyenne par unité de temps, par exemple en mm/an (équivalent à unflux moyen par unité de surface : m^/an. km^...).

Selon les zones climatiques et les conditions géologiques - dont l'Afrique, enparticulier, offre une extrême variété - ces hauteurs moyennes annuellespeuvent varier d'une à quelques dizaines de mm/an en zone semi-aride, à plus de1000 mm/an en zone humide.

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Tableau 3

^^^'^v^,^ Sens des^^^^^échanges

Milieu extérieuï^s.^^d'échange ^~^>>..^^

ATMOSPHEREvia sol

(zone non saturée)

Eaux de surface(continentales, marines)

directement (liaison hydrau¬lique continue), ou viasol (zone non saturée)

Aquifères limitrophes

Entrées d'eauALIMENTATION

"CREDIT"+

Infiltration -des eaux météoriques

(précipitations)

Infiltration d'eaux superficielles,"Pertes" de cours d'eau .

Egouttement d'aquifèresperchés.

Ecoulement souterrain affluent.Drainance affluente.

Sorties d'eauEMISSIONS

"DEBIT"

"Exfiltration"et évapotranspiration.

Emergences* sources, cours d'eau

drainants, lacs, mer.

Ecoulement souterraineffluent.

Drainance effluente.

22. L'alimentation des aquifères (apports d'eau ou "crédits") a trois originesessentielles, pouvant être conjuguées ou exclusives selon les cas :

(1). L'infiltration des eaux météoriques (précipitations liquides, parfois solides) àtravers le sol ou zone non saturée, ne s'applique qu'aux aquifères à surface libre(cf. supra § 20), dont c'est le mode d'alimentation dominant en zone humide -phénomène extensif, mais non uniforme ni permanent - alors qu'elle est plusclairsemée et rare, voire nulle en zone aride.

Conséquence directe des précipitations, elle en épouse la répartition régionale,mais à l'échelle locale et momentanée cest un phénomène très complexe : laquantité d'eau infiltrée jusqu'à la surface libre ne dépend pas seulement deshauteurs de pluie mais des échanges d'eau entre la couche supérieure de la zonenon saturée et l'atmosphère -des "reprises" par évapotranspiration-, de laperméabilité relative dans la zone saturée qui dépend elle-même de l'humidité.Donc elle peut varier beaucoup, résultant à son tour des précipitationsantérieures et des conditions atmosphériques.

Comme forme d'alimentation extensive, c'est la seule qui peut s'exprimer enhauteur moyenne par unité de temps, par exemple en mm/an (équivalent à unflux moyen par unité de surface : m^/an. km^...).

Selon les zones climatiques et les conditions géologiques - dont l'Afrique, enparticulier, offre une extrême variété - ces hauteurs moyennes annuellespeuvent varier d'une à quelques dizaines de mm/an en zone semi-aride, à plus de1000 mm/an en zone humide.

- 11

Ainsi exprimés, les apports qui alimentent les aquifères, sont comparables auxprécipitations qui les engendrent. Mais la facilité d'en déduire un rapportinfiltration/précipitation - en se référant à une durée convenable, par exempleen année moyenne - ne doit pas laisser croire que les quantités d'eau infiltréespuissent être calculées simplement par l'application d'un pourcentage auxprécipitations. Il n'y a pas de relation de proportionnalité entre lesprécipitations et l'infiltration, quelque soit l'échelle de temps.

La connaissance de l'alimentation réelle des aquifères à partir desprécipitations infiltrées exige des études cas par cas, peut être approchéelocalement par des analyses précises de la recharge (interprétation desvariations de niveau de nappe libre, notamment par des modèles globauxpluie/niveau*), mais résultera le plus souvent de déductions à l'échellerégionale.

(2). L'infÜtration d'eau superficielle - cours d'eau, lac - soit "perchés" (surmontantune zone non saturée), permanents ou temporaires (crues), soit en liaisonhydraulique continue avec l'aquifère et alors le plus souvent permanents, estune forme d'alimentation localisée dont les flux sont souvent limités par lecolmatage des lits et berges et offrent une grande variété de régime : depuisdes apports permanents et réguliers jusqu'à des apports épisodiques.

C'est souvent le principal mode d'alimentation des aquifères à surface libre enzone aride et semi-aride, souvent à partir du ruissellement local consécutif auxprécipitations assez intensives, ou à partir de fleuves issus de zones plushuniides. Les quantités d'eau ainsi infiltrées localement dépendent plus desdurées des crues et des superficies inondées que des débits d'écoulementsuperficiel lorsqu'il s'agit de cours d'eau temporaire. -

(3). L'affluence d'aquifères voisins ou superposés (supérieurs - ou inférieurs) àpotentiels hydrauliques plus élevés, est un mode d'alimentation fréquent desaquifères à surface libre plus ou moins localisés encaissés dans des domainesaquifères moins perméables mais plus étendus, tels que beaucoup d'aquifèresalluviaux en zone humide, ou encore adossés à des massifs aquifèresmontagneux, tels que des aquifères de piémont (cônes de déjections) ou debassins d'effondrement. Ces afflux latéraux peuvent être aussi importants quel'alimentation "propre" par les précipitations (1), voire supérieurs.

C'est aussi le mode d'alimentation prédominant de la plupart des aquifères ànappe captive : soit à partir de leurs prolongements périphériques à surfacelibre (aires d'affleurement du réservoir), soit par "drainance" affluente à partird'autres couches aquifères supérieures ou inférieures à potentiels hydrauliquesplus élevés.

23. Les émissions d'eau des aquifères (ou "débits") ont également trois modalités,eUes aussi conjointes ou exclusives selon les cas :

* Cf. la 2e conférence introductive (J.M.) / Rapport 87 SGN 510 EAU

- 11

Ainsi exprimés, les apports qui alimentent les aquifères, sont comparables auxprécipitations qui les engendrent. Mais la facilité d'en déduire un rapportinfiltration/précipitation - en se référant à une durée convenable, par exempleen année moyenne - ne doit pas laisser croire que les quantités d'eau infiltréespuissent être calculées simplement par l'application d'un pourcentage auxprécipitations. Il n'y a pas de relation de proportionnalité entre lesprécipitations et l'infiltration, quelque soit l'échelle de temps.

La connaissance de l'alimentation réelle des aquifères à partir desprécipitations infiltrées exige des études cas par cas, peut être approchéelocalement par des analyses précises de la recharge (interprétation desvariations de niveau de nappe libre, notamment par des modèles globauxpluie/niveau*), mais résultera le plus souvent de déductions à l'échellerégionale.

(2). L'infÜtration d'eau superficielle - cours d'eau, lac - soit "perchés" (surmontantune zone non saturée), permanents ou temporaires (crues), soit en liaisonhydraulique continue avec l'aquifère et alors le plus souvent permanents, estune forme d'alimentation localisée dont les flux sont souvent limités par lecolmatage des lits et berges et offrent une grande variété de régime : depuisdes apports permanents et réguliers jusqu'à des apports épisodiques.

C'est souvent le principal mode d'alimentation des aquifères à surface libre enzone aride et semi-aride, souvent à partir du ruissellement local consécutif auxprécipitations assez intensives, ou à partir de fleuves issus de zones plushuniides. Les quantités d'eau ainsi infiltrées localement dépendent plus desdurées des crues et des superficies inondées que des débits d'écoulementsuperficiel lorsqu'il s'agit de cours d'eau temporaire. -

(3). L'affluence d'aquifères voisins ou superposés (supérieurs - ou inférieurs) àpotentiels hydrauliques plus élevés, est un mode d'alimentation fréquent desaquifères à surface libre plus ou moins localisés encaissés dans des domainesaquifères moins perméables mais plus étendus, tels que beaucoup d'aquifèresalluviaux en zone humide, ou encore adossés à des massifs aquifèresmontagneux, tels que des aquifères de piémont (cônes de déjections) ou debassins d'effondrement. Ces afflux latéraux peuvent être aussi importants quel'alimentation "propre" par les précipitations (1), voire supérieurs.

C'est aussi le mode d'alimentation prédominant de la plupart des aquifères ànappe captive : soit à partir de leurs prolongements périphériques à surfacelibre (aires d'affleurement du réservoir), soit par "drainance" affluente à partird'autres couches aquifères supérieures ou inférieures à potentiels hydrauliquesplus élevés.

23. Les émissions d'eau des aquifères (ou "débits") ont également trois modalités,eUes aussi conjointes ou exclusives selon les cas :

* Cf. la 2e conférence introductive (J.M.) / Rapport 87 SGN 510 EAU

- 12

(1). Les émergences ou retours aux eaux superficielles sont le phénomène le plusgénéral et dominant en zone humide :

- soit par des exutoires visibles et plus ou moins localisés, les sources ou airesd'émergence, à débit continuel (mais variable) ou temporaire ;

- soit par émergence diffuse le long des cours d'eau permanents drainant lesaquifères, de rives de lacs ou du littoral - y compris par des exutoiresoccultes : sources submergées, sous-marines... - . Ces flux restitués aux coursd'eau superficiels constituent précisément la composante stable de leur débitdite "écoulement souterrain" ou "débit de base".

Ces flux sortants sont les plus facilement - encore qu'inégalement -identifiablespar des mesures.

(2). Les retours directs à l'atmosphère, via le sol (ascension capillaire ou"exfiltration" dans la zone non saturée) puis évapotranspiration, sont la formed'émission la plus générale en zone aride et fréquente en zone semi-aride, oùelle peut être plus ou moins concentrée dans certaines dépressions des bassinsfermés ("chotts").

Ce phénomène inverse de l'infiltration - cf. §. 22 (1) - présente la mêmecomplexité et dépend fortement aussi de la profondeur de la surface libre, desparamètres du sol et des conditions atmosphériques, ainsi que de la végétation,en étant toutefois plus permanent et régulier. Cette evaporation comme"facteur de décharge" des eaux souterraines, ne doit pas être confondue aveccelle qui intervient sur l'infiltration en cours et réduit les apports à un aquifèrelibre par rapport aux quantités d'eau de pluie infiltrée immédiate dans le sol.

(3). L'effluence souterraine vers des aquifères voisins ou superposés, à potentielshydrauliques plus bas, est l'échange symétrique et inverse des affluencesconsidérées plus haut - cf. § 22 (3) - étant bien évident qu'en cas d'échangeentre deux aquifères limitrophes le flux qui transite (notamment par drainance)est sortant pour l'émetteur et entrant pour le récepteur... Cette formed'émission est fréquente pour les aquifères de massifs ou plateaux quisurplombent des aquifères encaissés ou périphériques récepteurs - cf. § 22 (3) -et c'est la règle générale pour la plupart des aquifères à nappe captive, tantdans les bassins sédimentaires qu'en domaine de socle sous couvertured'altérites.

24. Les formes et processus d'alimentation et d'émission d'eau que l'on vient depasser en revue ne sont pas symétriques : ni par les situations dans l'espace desentrées et des issues, ni par les régimes des flux dans le temps. En règlegénérale, comme on l'a vu :

- Les imports (flux entrants) sont :

- plutôt extensifs et diffus - quoique non uniformes - dans l'espace (airesd'alimentation), sauf en zone aride où c'est l'inverse (apports circonscritsdans des zones restreintes) ;

- irréguliers et le plus souvent discontinus dans le temps.

- Les émissions (flux sortants) sont au contraire :- plutôt localisées dans l'espace, concentrées sur des lignes ou en quelques

points, sauf en zone aride où, à l'inverse, elles peuvent être extensives(aires d'évaporation) ;

- 12

(1). Les émergences ou retours aux eaux superficielles sont le phénomène le plusgénéral et dominant en zone humide :

- soit par des exutoires visibles et plus ou moins localisés, les sources ou airesd'émergence, à débit continuel (mais variable) ou temporaire ;

- soit par émergence diffuse le long des cours d'eau permanents drainant lesaquifères, de rives de lacs ou du littoral - y compris par des exutoiresoccultes : sources submergées, sous-marines... - . Ces flux restitués aux coursd'eau superficiels constituent précisément la composante stable de leur débitdite "écoulement souterrain" ou "débit de base".

Ces flux sortants sont les plus facilement - encore qu'inégalement -identifiablespar des mesures.

(2). Les retours directs à l'atmosphère, via le sol (ascension capillaire ou"exfiltration" dans la zone non saturée) puis évapotranspiration, sont la formed'émission la plus générale en zone aride et fréquente en zone semi-aride, oùelle peut être plus ou moins concentrée dans certaines dépressions des bassinsfermés ("chotts").

Ce phénomène inverse de l'infiltration - cf. §. 22 (1) - présente la mêmecomplexité et dépend fortement aussi de la profondeur de la surface libre, desparamètres du sol et des conditions atmosphériques, ainsi que de la végétation,en étant toutefois plus permanent et régulier. Cette evaporation comme"facteur de décharge" des eaux souterraines, ne doit pas être confondue aveccelle qui intervient sur l'infiltration en cours et réduit les apports à un aquifèrelibre par rapport aux quantités d'eau de pluie infiltrée immédiate dans le sol.

(3). L'effluence souterraine vers des aquifères voisins ou superposés, à potentielshydrauliques plus bas, est l'échange symétrique et inverse des affluencesconsidérées plus haut - cf. § 22 (3) - étant bien évident qu'en cas d'échangeentre deux aquifères limitrophes le flux qui transite (notamment par drainance)est sortant pour l'émetteur et entrant pour le récepteur... Cette formed'émission est fréquente pour les aquifères de massifs ou plateaux quisurplombent des aquifères encaissés ou périphériques récepteurs - cf. § 22 (3) -et c'est la règle générale pour la plupart des aquifères à nappe captive, tantdans les bassins sédimentaires qu'en domaine de socle sous couvertured'altérites.

24. Les formes et processus d'alimentation et d'émission d'eau que l'on vient depasser en revue ne sont pas symétriques : ni par les situations dans l'espace desentrées et des issues, ni par les régimes des flux dans le temps. En règlegénérale, comme on l'a vu :

- Les imports (flux entrants) sont :

- plutôt extensifs et diffus - quoique non uniformes - dans l'espace (airesd'alimentation), sauf en zone aride où c'est l'inverse (apports circonscritsdans des zones restreintes) ;

- irréguliers et le plus souvent discontinus dans le temps.

- Les émissions (flux sortants) sont au contraire :- plutôt localisées dans l'espace, concentrées sur des lignes ou en quelques

points, sauf en zone aride où, à l'inverse, elles peuvent être extensives(aires d'évaporation) ;

13

plus régulières et continuelles dans le temps.

N.B. On remarque l'inversion assez générale des répartitions spatiales des fluxd'apport et d'émission entre les zones humides et les zones arides.

Ce que récapitule le tableau 4 suivant :

ESPACE

Zone humide

Zone aride

TEMPS

Flux entrantsAlimentation

extensifs -i- linéairesou ponctuels locaux

(cours d'eau infiltrant...)

localisés (ruissellement,cours d'eau temporaires)

+ transferts souterrains"importés"

discontinus,irréguliers ; localementconstants (cours d'eau)

Flux sortantsEmissions

localisés ponctuels(source), linéaires

(cours d'eau drainant,rivage...)

extensifsaire d'évaporation

+ transferts souterrains"exportés"

continus,plus réguliers

25. Toute la dynamique des eaux souterraines dans chaque système aquifèreprocède de ces différences de situation et de régime des flux entrants etsortants :

- la différence des situations détermine la forme des écoulements des eauxsouterraines, des entrées aux issues ;

- la discordance des régimes détermine un régime d'écoulement non permanentdes eaux souterraines, dans le cas général des nappes libres, c'est-à-dire desvariations des stocks d'eau dans les réservoirs et par conséquent des niveaux.

A tout moment, en effet, dans un aquifère à nappe libre, la somme des fluxentrants n'est pas égale à celle des flux sortants - d'autant plus que le fluxentrant est souvent nul -. Aussi l'équilibre de l'équation du "bilan d'eau" ne peutêtre réalisé que par une variation positive ou négative du stock (cf. supra 1 §09).

Un régime d'équilibre permanent, sans variation de réserve, impliquant l'égalitéet la constance des flux entrants et sortants, ne peut être qu'exceptionnel dansun aquifère à surface libre, mais il est au contraire le plus courant dans unaquifère à nappe captive en régime naturel (cf. infra § 28).

13

plus régulières et continuelles dans le temps.

N.B. On remarque l'inversion assez générale des répartitions spatiales des fluxd'apport et d'émission entre les zones humides et les zones arides.

Ce que récapitule le tableau 4 suivant :

ESPACE

Zone humide

Zone aride

TEMPS

Flux entrantsAlimentation

extensifs -i- linéairesou ponctuels locaux

(cours d'eau infiltrant...)

localisés (ruissellement,cours d'eau temporaires)

+ transferts souterrains"importés"

discontinus,irréguliers ; localementconstants (cours d'eau)

Flux sortantsEmissions

localisés ponctuels(source), linéaires

(cours d'eau drainant,rivage...)

extensifsaire d'évaporation

+ transferts souterrains"exportés"

continus,plus réguliers

25. Toute la dynamique des eaux souterraines dans chaque système aquifèreprocède de ces différences de situation et de régime des flux entrants etsortants :

- la différence des situations détermine la forme des écoulements des eauxsouterraines, des entrées aux issues ;

- la discordance des régimes détermine un régime d'écoulement non permanentdes eaux souterraines, dans le cas général des nappes libres, c'est-à-dire desvariations des stocks d'eau dans les réservoirs et par conséquent des niveaux.

A tout moment, en effet, dans un aquifère à nappe libre, la somme des fluxentrants n'est pas égale à celle des flux sortants - d'autant plus que le fluxentrant est souvent nul -. Aussi l'équilibre de l'équation du "bilan d'eau" ne peutêtre réalisé que par une variation positive ou négative du stock (cf. supra 1 §09).

Un régime d'équilibre permanent, sans variation de réserve, impliquant l'égalitéet la constance des flux entrants et sortants, ne peut être qu'exceptionnel dansun aquifère à surface libre, mais il est au contraire le plus courant dans unaquifère à nappe captive en régime naturel (cf. infra § 28).

14

aOoFlux entrant aquí fere

ûStock ^« Os

Flux sortant

fig.3- Fonction régulotrice d'un aquifère

Qo /infiltrations O

0 - Nappe libre entre limites â h impose

b- Noppe coptive loin d'une limite d'olimentation

fig.4- Cos d'écoulement d'eou souterroine en régimed'e'quiiibre pernnanent.

14

aOoFlux entrant aquí fere

ûStock ^« Os

Flux sortant

fig.3- Fonction régulotrice d'un aquifère

Qo /infiltrations O

0 - Nappe libre entre limites â h impose

b- Noppe coptive loin d'une limite d'olimentation

fig.4- Cos d'écoulement d'eou souterroine en régimed'e'quiiibre pernnanent.

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26. La dissymétrie entre les régimes des flux d'apport et d'émission aux limites d'unaquifère résulte donc essentiellement du pouvoir régulateur de la plupart desaquifères à réserve variable (à nappe libre), qui leur permet de transformer desflux entrants discontinus et irréguliers en flux sortants continus et plusréguliers (fig. 3).

27. Conséquence sur le régime des variations de réserve, donc des niveaux :

Soit : Qa : flux d'apportQs : flux sortantAR : différence de réserve

- lorsque Qa > Qson a

Qa = Qs ^ AR

la réserve augmente et les niveaux h s'élèvent (= recharge)

- lorsque Qa < Qs (notamment si Qa = 0)

on a

Qa = Qs - A R

voire

Qs = A R

la réserve diminue et les niveaux h s'abaissent (= décharge)

Ajoutons que les phases à inéquation Qa > Qs sont très généralement pluscourtes que les phases à inéquation Qa < Qs : d'où une dissymétrie fréquente desrecharges et des décharges dans les régimes de la plupart des nappes libres (cf.infra § 35).

28. Des régimes d'équilibre et d'écoulement permanent peuvent s'instaurerprincipalement dans deux cas :

- Le cas particulier de nappe libre qui s'écoule entre deux limites à niveauimposé constant (au moins pendant une certaine durée), sans apportsignificatif par sa surface (fig. 4, a) : par exemple dans un système aquifèrelocalisé entre deux cours d'eau proches ou dans une boucle de méandre...

- Le cas assez général de nappes captives non influencées par des flux d'apportvariables : par exemple assez loin d'aire d'alimentation à surface libre, s'il enexiste, pour que les impulsions saisonnières qui peuvent en provenir soientamorties, ou lorsque les flux entrants et sortants sont exclusivement dus à ladrainance (fig. 4, b).

Dans ces deux cas les réserves et les niveaux (potentiels) sont invariables.

- 15

26. La dissymétrie entre les régimes des flux d'apport et d'émission aux limites d'unaquifère résulte donc essentiellement du pouvoir régulateur de la plupart desaquifères à réserve variable (à nappe libre), qui leur permet de transformer desflux entrants discontinus et irréguliers en flux sortants continus et plusréguliers (fig. 3).

27. Conséquence sur le régime des variations de réserve, donc des niveaux :

Soit : Qa : flux d'apportQs : flux sortantAR : différence de réserve

- lorsque Qa > Qson a

Qa = Qs ^ AR

la réserve augmente et les niveaux h s'élèvent (= recharge)

- lorsque Qa < Qs (notamment si Qa = 0)

on a

Qa = Qs - A R

voire

Qs = A R

la réserve diminue et les niveaux h s'abaissent (= décharge)

Ajoutons que les phases à inéquation Qa > Qs sont très généralement pluscourtes que les phases à inéquation Qa < Qs : d'où une dissymétrie fréquente desrecharges et des décharges dans les régimes de la plupart des nappes libres (cf.infra § 35).

28. Des régimes d'équilibre et d'écoulement permanent peuvent s'instaurerprincipalement dans deux cas :

- Le cas particulier de nappe libre qui s'écoule entre deux limites à niveauimposé constant (au moins pendant une certaine durée), sans apportsignificatif par sa surface (fig. 4, a) : par exemple dans un système aquifèrelocalisé entre deux cours d'eau proches ou dans une boucle de méandre...

- Le cas assez général de nappes captives non influencées par des flux d'apportvariables : par exemple assez loin d'aire d'alimentation à surface libre, s'il enexiste, pour que les impulsions saisonnières qui peuvent en provenir soientamorties, ou lorsque les flux entrants et sortants sont exclusivement dus à ladrainance (fig. 4, b).

Dans ces deux cas les réserves et les niveaux (potentiels) sont invariables.

- 16 -

¿ h

Période

rechorge d e c h 0 rge

Fig. 5 - Caractères du régime de variation de niveau h de l'eau souterraine,

- 16 -

¿ h

Période

rechorge d e c h 0 rge

Fig. 5 - Caractères du régime de variation de niveau h de l'eau souterraine,

17

3. REGIME DES VARIATIONS DE NIVEAU DES EAUX SOUTERRAINES

29. Toute variation de stock d'eau ou réserve R dans un aquifère - de volume d'eaud'une nappe - se traduit par des variations des niveaux ou charges hydrauliquesh, selon la relation

A R = Ah x S

S étant le coefficient d'emmagasinement ou "porosité utile" des aquifères ànappe libre.Partie visible, comme on l'a dit, de la dynamique des eaux souterraines, lesvariations de niveau dans le temps suivent différents "régimes" que l'ondénomme souvent, par homologie avec les "régimes des cours d'eau", lesrégîmes des nappes souterraines.

30. Lorsqu'il est connu par des observations assez fréquentes, voire continues (parun limmigraphe), le régime d'une nappe en un lieu donné est décritgénéralement par un graphique représentant les variations de h (ou de laprofondeur du niveau au-dessous du sol) en fonction du temps, c'est-à-dire un"limmigramme", dont la forme caractérise le régime.

Ces caractères descriptifs du régime local d'une nappe sont essentiellement (cf.fig. 5) :

- les amplitudes (hauteurs de variation de niveau Ah, moyennes ou extrêmes) ;

- les "périodicités" (fréquences des fluctuations, des séquences de recharge -décharge : régimes saisonniers, annuels, périodiques) ;

- les dissymétries entre les phases de recharge et de décharge ;

- le degré de régularité (de similitude des fluctuations successives).

31. Tout régime de variation de niveau observée localement - dans un puitsd'observation, un piézomètre - résulte de deux causes possibles :

- facteur local : apport d'eau, qui a sa propre loi (cf. § 22),- facteur régional : transmission latérale de Ah depuis une limite à condition de

niveau plus ou moins distante, ou depuis une aire d'alimentation à loi d'apportdifférente (notamment plus intense) que celle de l'apport local.

Les deux causes peuvent se conjuguer et leurs effets propres se superposer (cf.§ 14) pour expliquer le régime d'une nappe en un point donné. Mais l'une oul'autre peut être prédominante.

D'où deux grandes classes de régime :

(1) - régimes commandés principalement par celui des apports locaux ouproches ;

(2) - régimes commandés principalement par des transmissions de Ah, fonctionde celui des variations de conditions aux limites au large.

3.1 - Régimes de classe 1, subordonnés au régime des apports locaux (cf. fig. 6).

Ils peuvent être plus ou moins réguliers et périodiques.

17

3. REGIME DES VARIATIONS DE NIVEAU DES EAUX SOUTERRAINES

29. Toute variation de stock d'eau ou réserve R dans un aquifère - de volume d'eaud'une nappe - se traduit par des variations des niveaux ou charges hydrauliquesh, selon la relation

A R = Ah x S

S étant le coefficient d'emmagasinement ou "porosité utile" des aquifères ànappe libre.Partie visible, comme on l'a dit, de la dynamique des eaux souterraines, lesvariations de niveau dans le temps suivent différents "régimes" que l'ondénomme souvent, par homologie avec les "régimes des cours d'eau", lesrégîmes des nappes souterraines.

30. Lorsqu'il est connu par des observations assez fréquentes, voire continues (parun limmigraphe), le régime d'une nappe en un lieu donné est décritgénéralement par un graphique représentant les variations de h (ou de laprofondeur du niveau au-dessous du sol) en fonction du temps, c'est-à-dire un"limmigramme", dont la forme caractérise le régime.

Ces caractères descriptifs du régime local d'une nappe sont essentiellement (cf.fig. 5) :

- les amplitudes (hauteurs de variation de niveau Ah, moyennes ou extrêmes) ;

- les "périodicités" (fréquences des fluctuations, des séquences de recharge -décharge : régimes saisonniers, annuels, périodiques) ;

- les dissymétries entre les phases de recharge et de décharge ;

- le degré de régularité (de similitude des fluctuations successives).

31. Tout régime de variation de niveau observée localement - dans un puitsd'observation, un piézomètre - résulte de deux causes possibles :

- facteur local : apport d'eau, qui a sa propre loi (cf. § 22),- facteur régional : transmission latérale de Ah depuis une limite à condition de

niveau plus ou moins distante, ou depuis une aire d'alimentation à loi d'apportdifférente (notamment plus intense) que celle de l'apport local.

Les deux causes peuvent se conjuguer et leurs effets propres se superposer (cf.§ 14) pour expliquer le régime d'une nappe en un point donné. Mais l'une oul'autre peut être prédominante.

D'où deux grandes classes de régime :

(1) - régimes commandés principalement par celui des apports locaux ouproches ;

(2) - régimes commandés principalement par des transmissions de Ah, fonctionde celui des variations de conditions aux limites au large.

3.1 - Régimes de classe 1, subordonnés au régime des apports locaux (cf. fig. 6).

Ils peuvent être plus ou moins réguliers et périodiques.

- 18

A h

Regime onnuei dominant

Regime pluriannuel dominant

Régime mixte (onnuei + pluriannuel)

années

années

années

Fig. 6 - Régimes de variation de niveaux de nappes libres dépendant des apportsmétéoriques.

- 18

A h

Regime onnuei dominant

Regime pluriannuel dominant

Régime mixte (onnuei + pluriannuel)

années

années

années

Fig. 6 - Régimes de variation de niveaux de nappes libres dépendant des apportsmétéoriques.

19

32. Le régime annuel prédomine en zones humides à saison de pluie assez régulière.Des recharges de même ordre - néanmoins non identiques - se produisentpresque tous les ans. Variante : régime saisonnier à deux recharges annueUes enzones à deux saisons pluvieuses (pays méditerranéens, Maghreb...).Exemples : fig. 7, 8, 9.

33. Le régime pluriannuel, apériodique et irrégulier, prédomine en zones semi-arides et arides à précipitations irrégulières. L'amplitude pluriannuelle - sur 10à 20 ans - est nettement plus grande que les amplitudes annuelles, parfoisnulles : des recharges ne se produisent pas tous les ans, des rechargesexceptionnelles de fréquence annuelle faible (0,2 ; 0,1 ou moins encore)structurent le régime.Exemples : fig. 10, 11.

34. Des régimes mixtes peuvent résulter de la superposition d'une périodicitéannuelle assez régulière et d'une tendance pluri-annuelle apériodique -alternances de séquences pluri-annuelles "déficitaires" et "excédentaires"-.Exemple : fig. 12.

Quelques remarques sur ces régimes ;

35. On observe la dissymétrie fréquente des durées et des formes des recharges etdes décharges, résultat des durées relativement courtes des phases d'apport (cf.§27).

36. Alors que les facteurs de recharge - les apports - sont discontinus dans letemps, les facteurs de décharge - la vidange de l'aquifère aux exutoires - sontcontinuels : tout effet d'apport se superpose à celui de la vidange (loi dedécharge) qui atténue la hauteur de recharge observée.

Aussi la recharge apparente (hausse de niveau observée) peut être inférieure àla recharge réeUe qui est seule à relier aux apports (fig. 13).

37. Cet effet des apports dure non seulement pendant toute la phase de montée desniveaux, mais il peut se faire sentir déjà avant, en ralentissant la baisseprécédente, vers sa fin, et se prolonger après, en ralentissant de même le débutde la baisse suivante (fig. 14).

38. Les hauteurs de décharge - de baisse de niveau - dépendent évidemment desdurées qui séparent les phases de recharge successives. Elles sont d'autant plusamples que ces durées sont longues, donc plus fortes en régime pluriannuel oudes phases de décharge peuvent durer plusieurs années (fig. 15).

39. Les baisses de niveau, en phase de décharge "pure" - non influencée par l'effetd'un facteur de recharge encore actif (cf. supra § 37) - peuvent suivre deuxtendances qui subdivisent les régimes définis plus haut (§ 32) (fig. 16) :

- Des baisses décélérées - à "vitesse décroissante" -, suivant des lois de"tarissement" qui tendent vers dés exponentielles (c'est-à-dire qu'en chaqueintervalle de temps égal successif, le niveau baisse dans une proportionconstante de la baisse survenue devant l'intervalle précédent : par exemple80 % chaque mois...).

19

32. Le régime annuel prédomine en zones humides à saison de pluie assez régulière.Des recharges de même ordre - néanmoins non identiques - se produisentpresque tous les ans. Variante : régime saisonnier à deux recharges annueUes enzones à deux saisons pluvieuses (pays méditerranéens, Maghreb...).Exemples : fig. 7, 8, 9.

33. Le régime pluriannuel, apériodique et irrégulier, prédomine en zones semi-arides et arides à précipitations irrégulières. L'amplitude pluriannuelle - sur 10à 20 ans - est nettement plus grande que les amplitudes annuelles, parfoisnulles : des recharges ne se produisent pas tous les ans, des rechargesexceptionnelles de fréquence annuelle faible (0,2 ; 0,1 ou moins encore)structurent le régime.Exemples : fig. 10, 11.

34. Des régimes mixtes peuvent résulter de la superposition d'une périodicitéannuelle assez régulière et d'une tendance pluri-annuelle apériodique -alternances de séquences pluri-annuelles "déficitaires" et "excédentaires"-.Exemple : fig. 12.

Quelques remarques sur ces régimes ;

35. On observe la dissymétrie fréquente des durées et des formes des recharges etdes décharges, résultat des durées relativement courtes des phases d'apport (cf.§27).

36. Alors que les facteurs de recharge - les apports - sont discontinus dans letemps, les facteurs de décharge - la vidange de l'aquifère aux exutoires - sontcontinuels : tout effet d'apport se superpose à celui de la vidange (loi dedécharge) qui atténue la hauteur de recharge observée.

Aussi la recharge apparente (hausse de niveau observée) peut être inférieure àla recharge réeUe qui est seule à relier aux apports (fig. 13).

37. Cet effet des apports dure non seulement pendant toute la phase de montée desniveaux, mais il peut se faire sentir déjà avant, en ralentissant la baisseprécédente, vers sa fin, et se prolonger après, en ralentissant de même le débutde la baisse suivante (fig. 14).

38. Les hauteurs de décharge - de baisse de niveau - dépendent évidemment desdurées qui séparent les phases de recharge successives. Elles sont d'autant plusamples que ces durées sont longues, donc plus fortes en régime pluriannuel oudes phases de décharge peuvent durer plusieurs années (fig. 15).

39. Les baisses de niveau, en phase de décharge "pure" - non influencée par l'effetd'un facteur de recharge encore actif (cf. supra § 37) - peuvent suivre deuxtendances qui subdivisent les régimes définis plus haut (§ 32) (fig. 16) :

- Des baisses décélérées - à "vitesse décroissante" -, suivant des lois de"tarissement" qui tendent vers dés exponentielles (c'est-à-dire qu'en chaqueintervalle de temps égal successif, le niveau baisse dans une proportionconstante de la baisse survenue devant l'intervalle précédent : par exemple80 % chaque mois...).

¿d -

Fig. 7 - Variations de niveau d'une nappe libre à alimentation pluviale au Mali, régionde Banamba - Kolokani (N de Bamako).Aquifère : altérites sur grès infra-CambriensRéf. : projet PNUD/MLI 82/005 - 1984

¿d -

Fig. 7 - Variations de niveau d'une nappe libre à alimentation pluviale au Mali, régionde Banamba - Kolokani (N de Bamako).Aquifère : altérites sur grès infra-CambriensRéf. : projet PNUD/MLI 82/005 - 1984

¿1

Profondeur en m.

Sol

1958 1959 1960 1961 1962

Fig. 8 - Variations de niveaux de nappes libres à alimentationpluviale au Sénégal, en Casamance.Aquifère : sables argileux du "Continental terminal".Ref : CIËH/BRGM 69 DAK 7 - 1969

¿1

Profondeur en m.

Sol

1958 1959 1960 1961 1962

Fig. 8 - Variations de niveaux de nappes libres à alimentationpluviale au Sénégal, en Casamance.Aquifère : sables argileux du "Continental terminal".Ref : CIËH/BRGM 69 DAK 7 - 1969

- 11

400

390

380

1962 1963 1964 1965

Fig. 9 - Variations de niveaux d'une nappe libre à alimentation pluviale en Côte d'Ivoireà Khorogo. Aquifère : altérite sur socle cristallin.Réf. : CIEH/BRGM, 1964-1967 - R. DEGALLIER 1975.De haut en bas : niveaux moins profonds et plus proches d'une limite à condi¬

tion de potentiel (émergence) .

- 11

400

390

380

1962 1963 1964 1965

Fig. 9 - Variations de niveaux d'une nappe libre à alimentation pluviale en Côte d'Ivoireà Khorogo. Aquifère : altérite sur socle cristallin.Réf. : CIEH/BRGM, 1964-1967 - R. DEGALLIER 1975.De haut en bas : niveaux moins profonds et plus proches d'une limite à condi¬

tion de potentiel (émergence) .

¿i -

Fig. 10 - Variations de niveaux d'une nappe libre en zone semi-aride, alimentéepar infiltration d'eau de surface (crues), en Mauritanie, à Akjoujt, de1950 à 1966. Aquifère : altérites sur scliistes et roches vertes.Réf. : BRGM DAK, 1964 - CIEH/BRGM 1969.

¿i -

Fig. 10 - Variations de niveaux d'une nappe libre en zone semi-aride, alimentéepar infiltration d'eau de surface (crues), en Mauritanie, à Akjoujt, de1950 à 1966. Aquifère : altérites sur scliistes et roches vertes.Réf. : BRGM DAK, 1964 - CIEH/BRGM 1969.

- 24

Profondeur en m

5

1976 1977 1978 1979

250-200-

100-

0-

PRÉCIPITATIONS MENSUELLES A BOLGATANGA ( R: l015mm/on )

ii

Fig. 11 - Variation de niveau d'une nappe libre à alimentation pluviale, à régime plu¬riannuel, au Ghana, à Bolgatanga.Aquifère : granite fissuré .

RéL : WARDROP & Assoc. Ltd 1979 / Cit. CEFIGRE 1984,

- 24

Profondeur en m

5

1976 1977 1978 1979

250-200-

100-

0-

PRÉCIPITATIONS MENSUELLES A BOLGATANGA ( R: l015mm/on )

ii

Fig. 11 - Variation de niveau d'une nappe libre à alimentation pluviale, à régime plu¬riannuel, au Ghana, à Bolgatanga.Aquifère : granite fissuré .

RéL : WARDROP & Assoc. Ltd 1979 / Cit. CEFIGRE 1984,

25

Profondeur en m.

6 -

7 -

8 -

9 -

10 -

11 -

_y^\/ \y^x^ \r \y^ v/^V^>-^

V^1978 1979 1980 1981 1982 1983 1984 1985

Fig. 12 - Variation de niveau d'une nappe libre à alimentationpluviale, au Burkina-Faso, à Ouagadougou. Régimemixte : variations annuelles superposées à une ten¬dance pluri-annuelle. Aquifère : granits fissuré sousaltérite. Réf. CIEH,

25

Profondeur en m.

6 -

7 -

8 -

9 -

10 -

11 -

_y^\/ \y^x^ \r \y^ v/^V^>-^

V^1978 1979 1980 1981 1982 1983 1984 1985

Fig. 12 - Variation de niveau d'une nappe libre à alimentationpluviale, au Burkina-Faso, à Ouagadougou. Régimemixte : variations annuelles superposées à une ten¬dance pluri-annuelle. Aquifère : granits fissuré sousaltérite. Réf. CIEH,

1 ^

Ah LÓ

Ahi = Rechorge apporente

Aha = Rechorge re'elle

Fig. 13 - Recharge apparente (iiausse de niveau h) et rechargeréelle rapportée, en fin de phase de recharge, au ni¬veau qui aurait été déterminé par la vidange naturellede l'aquifère.

Ah

Fig. 14 - Recharge et influence des apports sur l'évolution de niveaud'ime nappe libre.

a : évolution théorique en l'absence d'influence d'apport(courbe de vidanga ou de ''tarissement")

1 ^

Ah LÓ

Ahi = Rechorge apporente

Aha = Rechorge re'elle

Fig. 13 - Recharge apparente (iiausse de niveau h) et rechargeréelle rapportée, en fin de phase de recharge, au ni¬veau qui aurait été déterminé par la vidange naturellede l'aquifère.

Ah

Fig. 14 - Recharge et influence des apports sur l'évolution de niveaud'ime nappe libre.

a : évolution théorique en l'absence d'influence d'apport(courbe de vidanga ou de ''tarissement")

- 27

o t,

û hi (en tl) < Ah2 (en t2)

Fig. 15 - Hauteur et durée de décharge.

^h

boisse exponentielle décele'rée

Fig. 16 - Lois de décharge non influencée : baisse exponentielle oubaisse linéaire .

- 27

o t,

û hi (en tl) < Ah2 (en t2)

Fig. 15 - Hauteur et durée de décharge.

^h

boisse exponentielle décele'rée

Fig. 16 - Lois de décharge non influencée : baisse exponentielle oubaisse linéaire .

Profondeur (m)26

27-

28 -

29 -

SO

SI -

32-

33-

34'63 65

-i r -| I 1 r

\\

\\

\.'^.

\

\N..

-| i I r

\\

\\

'S

\

-i r

70 75 80 65 années

Fig. 17 - Variations de niveau de nappe libre à alimentation épiso-dique en zone aride au Tchad, dans le Kanem occidental(plateau de Bir Louri). Aquifère : sables éoliens quater¬naires.Réf. : BRGM / J.L. SCHNEIDER 1985.

N.B. : Evolution interpolée de 1970 à 1984,

Profondeur (m)26

27-

28 -

29 -

SO

SI -

32-

33-

34'63 65

-i r -| I 1 r

\\

\\

\.'^.

\

\N..

-| i I r

\\

\\

'S

\

-i r

70 75 80 65 années

Fig. 17 - Variations de niveau de nappe libre à alimentation épiso-dique en zone aride au Tchad, dans le Kanem occidental(plateau de Bir Louri). Aquifère : sables éoliens quater¬naires.Réf. : BRGM / J.L. SCHNEIDER 1985.

N.B. : Evolution interpolée de 1970 à 1984,

- 29

Elles correspondent généralement à des vidanges par des exutoires localisés -source, cours d'eau drainant (cf. § 23, 24) -, limites à condition de niveau, àune certaine distance du point d'observation.Cf. les exemples des figures 7 à 11.

- Des baisses quasi linéaires, à "vitesse" constante, correspondent plutôt à desmodes d'émission extensifs par des aires d'évaporation, c'est-à-dire par deslimites à condition de flux, qui peuvent en partie coïncider avec les airesd'alimentation par infiltration (les conditions de flux alternent alors : tantôtapports, tantôt émissions). Dans ce cas les mouvements verticaux alternatifsà travers la zone non saturée peuvent prédominer beaucoup sur lesécoulements dans l'aquifère. Ces baisses s'observent donc surtout en zonearide ou semi-aride.Exemple : fig. 17.

NB : En toute rigueur le flux soustrait par evaporation pouvant à lalongue diminuer à mesure que la profondeur du niveau augmente, laforme de la baisse peut aussi être exponentielle mais de manièrebeaucoup plus "tendue" et surtout au delà d'un certain seuil deprofondeur.

40. Des variations de condition de flux sortant à l'instar de celles des flux d'apport,peuvent avoir aussi un effet sur le régime des variations de niveau. C'est le casdes fluctuations de flux soustrait par évapotranspiration, à une toute autrepériodicité, rythme journalier, dont les effets très réguliers et périodiques nepeuvent être mis en évidence que par des observations très fréquentes (horairesou continues) et se superposent alors à un régime saisonnier ou annuel.

Un exemple en Afrique est donné figure 18 (nappe libre à N'Djamena, au Tchad,influencée par les ponctions à cycle journalier d'une végétation phréatophyte).

3.2 - Régimes de classe 2 commandés par les variations de conditions aux limites àdistance.

41. U peut s'agir d'abord des conditions de flux dans des aires d'alimentation plus oumoins éloignées mais s'appliquant au même aquifère, dont les effets sepropagent jusqu'au point d'observation à la manière d'une "onde de crue", avecun certain déphasage (retard) et un certain amortissement (atténua,tiond'amplitude).

NB : La "vitesse" (ou célérité) de propagation de Ah étant fonction de la diffusivité -cf. § 12 (2) - eUe est plus rapide avec amortissement plus faible dans une nappecaptive que dans une nappe libre dotée de beaucoup plus d'"inertie".

Dans une nappe libre les effets des différences régionales d'apport - touteschoses égales d'ailleurs - se transmettent mal d'une zone à l'autre. Une "onde derecharge" transmise d'une zone plus alimentée à une zone moins ou nonalimentée peut être entièrement amortie (influence constante). Ceci peuts'observer dans le cas d'aquifère à nappe libre très étendu, pouvant être répartientre plusieurs zones climatiques.

- 29

Elles correspondent généralement à des vidanges par des exutoires localisés -source, cours d'eau drainant (cf. § 23, 24) -, limites à condition de niveau, àune certaine distance du point d'observation.Cf. les exemples des figures 7 à 11.

- Des baisses quasi linéaires, à "vitesse" constante, correspondent plutôt à desmodes d'émission extensifs par des aires d'évaporation, c'est-à-dire par deslimites à condition de flux, qui peuvent en partie coïncider avec les airesd'alimentation par infiltration (les conditions de flux alternent alors : tantôtapports, tantôt émissions). Dans ce cas les mouvements verticaux alternatifsà travers la zone non saturée peuvent prédominer beaucoup sur lesécoulements dans l'aquifère. Ces baisses s'observent donc surtout en zonearide ou semi-aride.Exemple : fig. 17.

NB : En toute rigueur le flux soustrait par evaporation pouvant à lalongue diminuer à mesure que la profondeur du niveau augmente, laforme de la baisse peut aussi être exponentielle mais de manièrebeaucoup plus "tendue" et surtout au delà d'un certain seuil deprofondeur.

40. Des variations de condition de flux sortant à l'instar de celles des flux d'apport,peuvent avoir aussi un effet sur le régime des variations de niveau. C'est le casdes fluctuations de flux soustrait par évapotranspiration, à une toute autrepériodicité, rythme journalier, dont les effets très réguliers et périodiques nepeuvent être mis en évidence que par des observations très fréquentes (horairesou continues) et se superposent alors à un régime saisonnier ou annuel.

Un exemple en Afrique est donné figure 18 (nappe libre à N'Djamena, au Tchad,influencée par les ponctions à cycle journalier d'une végétation phréatophyte).

3.2 - Régimes de classe 2 commandés par les variations de conditions aux limites àdistance.

41. U peut s'agir d'abord des conditions de flux dans des aires d'alimentation plus oumoins éloignées mais s'appliquant au même aquifère, dont les effets sepropagent jusqu'au point d'observation à la manière d'une "onde de crue", avecun certain déphasage (retard) et un certain amortissement (atténua,tiond'amplitude).

NB : La "vitesse" (ou célérité) de propagation de Ah étant fonction de la diffusivité -cf. § 12 (2) - eUe est plus rapide avec amortissement plus faible dans une nappecaptive que dans une nappe libre dotée de beaucoup plus d'"inertie".

Dans une nappe libre les effets des différences régionales d'apport - touteschoses égales d'ailleurs - se transmettent mal d'une zone à l'autre. Une "onde derecharge" transmise d'une zone plus alimentée à une zone moins ou nonalimentée peut être entièrement amortie (influence constante). Ceci peuts'observer dans le cas d'aquifère à nappe libre très étendu, pouvant être répartientre plusieurs zones climatiques.

50 -

Profondeur en m.

7 -1

PHASE DE DECHARGE

7,5 -

8-1JOURNEES

6,5-1

7,5 -J

EN PHASE DE RECHARGE

JOURNEES

Fig. 18 - Fluctuations journalières du niveau d'une nappe libre sous l'effet de l'évapo¬transpiration (action de la végétation phréatophyte), superposées aux variationssaisonnières, au Tchad, à N'Djamena.Réf. : BRGM 1967.

50 -

Profondeur en m.

7 -1

PHASE DE DECHARGE

7,5 -

8-1JOURNEES

6,5-1

7,5 -J

EN PHASE DE RECHARGE

JOURNEES

Fig. 18 - Fluctuations journalières du niveau d'une nappe libre sous l'effet de l'évapo¬transpiration (action de la végétation phréatophyte), superposées aux variationssaisonnières, au Tchad, à N'Djamena.Réf. : BRGM 1967.

31

Remarque : ce retard et cet amortissement de la propagation latérale derecharge dans une nappe libre sont analogues à ceux qui affectent la réponse"recharge de nappe" par rapport à l'impulsion "précipitations" qui l'engendre.Cette réponse est également d'autant plus déphasée et amortie que la hauteurde la zone non saturée est grande (donc que la surface de la nappe est plusprofonde) (fig. 19).Exemple : fig. 20.

42. U peut s'agir aussi de conditions de niveau, ou potentiel, variable.

Rappelons que la propagation de Ah dans un aquifère à partir d'une limite àniveau variable est peu dépendante du sens d'écoulement de l'eau souterrainedans l'aquifère (cf. § 13), en particulier du sens de l'échange d'eau à la limitegénératrice de l'impulsion (fig. 21).

Quelque soit la forme de la variation de niveau qui donne l'impulsion, qu'ellesoit périodique ou apériodique, elle se propage dans la nappe souterraine avecun retard et un amortissement d'amplitude qui croissent avec la distance à lalimite (fig. 22).

43. Le niveau variable peut être celui de la mer affecté de marée. L'impulsion estalors parfaitement ondulatoire et périodique, ainsi que les fluctuations deniveau propagées dans l'aquifère, avec un retard et un amortissement quicroissent avec la distance au littoral.

Cf. un exemple observé au Sénégal, près de Dakar (Malika), où l'on remarque enoutre que l'amplitude des fluctuations de potentiel est moins amortie enprofondeur - notamment dans l'eau salée sous jacente à l'eau douce - où lanappe a un caractère captif du fait des hétérogénéïtés de stratification (fig.23).

Le niveau variable peut être encore, et plus généralement, celui d'un coursd'eau à alternance de "hautes" et "basses eaux", les crues déclenchant chacuneune onde, cette fois isolée, qui se propage dans l'aquifère, toujours retardée etamortie en fonction de la distance.

Exemple : fig. 24, 25.

44. Des régimes complexes peuvent enfin combiner les effets des différentsfacteurs mieux individualisés dans les régimes de classe 1 et de classe 2 que l'onvient de passer en revue.

45. Quelle est la signification des amplitudes de variation de niveau d'une ns^pe ?

Cette amplitude est le caractère le plus remarquable et identifiable du régimed'une nappe, souvent le seul approché en l'absence d'observations assezfréquentes, aussi cherche-t-on parfois à en tirer plus de connaissance qu'ellen'en apporte à elle seule, notamment sur l'alimentation des nappes souterraines.

31

Remarque : ce retard et cet amortissement de la propagation latérale derecharge dans une nappe libre sont analogues à ceux qui affectent la réponse"recharge de nappe" par rapport à l'impulsion "précipitations" qui l'engendre.Cette réponse est également d'autant plus déphasée et amortie que la hauteurde la zone non saturée est grande (donc que la surface de la nappe est plusprofonde) (fig. 19).Exemple : fig. 20.

42. U peut s'agir aussi de conditions de niveau, ou potentiel, variable.

Rappelons que la propagation de Ah dans un aquifère à partir d'une limite àniveau variable est peu dépendante du sens d'écoulement de l'eau souterrainedans l'aquifère (cf. § 13), en particulier du sens de l'échange d'eau à la limitegénératrice de l'impulsion (fig. 21).

Quelque soit la forme de la variation de niveau qui donne l'impulsion, qu'ellesoit périodique ou apériodique, elle se propage dans la nappe souterraine avecun retard et un amortissement d'amplitude qui croissent avec la distance à lalimite (fig. 22).

43. Le niveau variable peut être celui de la mer affecté de marée. L'impulsion estalors parfaitement ondulatoire et périodique, ainsi que les fluctuations deniveau propagées dans l'aquifère, avec un retard et un amortissement quicroissent avec la distance au littoral.

Cf. un exemple observé au Sénégal, près de Dakar (Malika), où l'on remarque enoutre que l'amplitude des fluctuations de potentiel est moins amortie enprofondeur - notamment dans l'eau salée sous jacente à l'eau douce - où lanappe a un caractère captif du fait des hétérogénéïtés de stratification (fig.23).

Le niveau variable peut être encore, et plus généralement, celui d'un coursd'eau à alternance de "hautes" et "basses eaux", les crues déclenchant chacuneune onde, cette fois isolée, qui se propage dans l'aquifère, toujours retardée etamortie en fonction de la distance.

Exemple : fig. 24, 25.

44. Des régimes complexes peuvent enfin combiner les effets des différentsfacteurs mieux individualisés dans les régimes de classe 1 et de classe 2 que l'onvient de passer en revue.

45. Quelle est la signification des amplitudes de variation de niveau d'une ns^pe ?

Cette amplitude est le caractère le plus remarquable et identifiable du régimed'une nappe, souvent le seul approché en l'absence d'observations assezfréquentes, aussi cherche-t-on parfois à en tirer plus de connaissance qu'ellen'en apporte à elle seule, notamment sur l'alimentation des nappes souterraines.

- il -

5m

t

A h

50 m

t

Fig. 19 - Influence de la profondeur moyenne de la surface libre surl'amplitude et le déphasage des variations de niveau d'unenappe libre

- il -

5m

t

A h

50 m

t

Fig. 19 - Influence de la profondeur moyenne de la surface libre surl'amplitude et le déphasage des variations de niveau d'unenappe libre

ii -

Profondeur

Om

30 JuinlerjuilletAnnées 1962-63, 1963-64, 1964-65 superposées

Fig. 20 : Déphasage des variations de niveau d'une nappe libre à alimentation pluviale suivant laprotondeur moyenne, à Khorogo en Côte d'Ivoire (cf. fig. 9). Aquifère : altérite surS OC 16 cris Ld.i lin

N.B. : L'augmentation de profondeur est ici liée à l'éloignemûnt de la limite à condi¬tion de niveau (émergence) ; l'atténuation des amplitudes à proximité de cettelimite l'emporte sur l'effet de la profondeur

Réf. : CIEH/BRGM, R.DEGALLIER

ii -

Profondeur

Om

30 JuinlerjuilletAnnées 1962-63, 1963-64, 1964-65 superposées

Fig. 20 : Déphasage des variations de niveau d'une nappe libre à alimentation pluviale suivant laprotondeur moyenne, à Khorogo en Côte d'Ivoire (cf. fig. 9). Aquifère : altérite surS OC 16 cris Ld.i lin

N.B. : L'augmentation de profondeur est ici liée à l'éloignemûnt de la limite à condi¬tion de niveau (émergence) ; l'atténuation des amplitudes à proximité de cettelimite l'emporte sur l'effet de la profondeur

Réf. : CIEH/BRGM, R.DEGALLIER

A h

A 0 U I F E RE

Fig. 21 Les variations de niveau à une limite àcondition de potentiel engendrent uneimpulsion sur la nappe souterraine quelquesoit le sens de l'échange nappe/eau super¬ficielle.

temps

Fig. 22 - Propagation des variations de niveau dans unenappe souterraine à partir d'une limite à conditionde potentiel variable (périodiquement dans ce shéma)déphasage et amortissement en fonction de la dis-temce. A comparer à l'exemple de la fig. 23.

A h

A 0 U I F E RE

Fig. 21 Les variations de niveau à une limite àcondition de potentiel engendrent uneimpulsion sur la nappe souterraine quelquesoit le sens de l'échange nappe/eau super¬ficielle.

temps

Fig. 22 - Propagation des variations de niveau dans unenappe souterraine à partir d'une limite à conditionde potentiel variable (périodiquement dans ce shéma)déphasage et amortissement en fonction de la dis-temce. A comparer à l'exemple de la fig. 23.

35 -

profondeur (m)

OCEAN0-1 ^^

- 10

- 20

-30

PI P2 P3

DOUCE

A h

+ 0,5

Niveau delomer 0-

PI

P2

P3

P4

Profondeurdu point de mesure:

0.9 -J

Fig. 23 - Variations de niveaux d'une nappe libre littorale sous l'effetdes marées, au Sénégal, à Malika (N. de Dakar).Aquifère : sables et argiles quaternaires.Réf. : BRGM, 1964.

35 -

profondeur (m)

OCEAN0-1 ^^

- 10

- 20

-30

PI P2 P3

DOUCE

A h

+ 0,5

Niveau delomer 0-

PI

P2

P3

P4

Profondeurdu point de mesure:

0.9 -J

Fig. 23 - Variations de niveaux d'une nappe libre littorale sous l'effetdes marées, au Sénégal, à Malika (N. de Dakar).Aquifère : sables et argiles quaternaires.Réf. : BRGM, 1964.

- i6

m ,

1965 1966 1967 1968

Niveau du Chori à N'DJAMENA

Niveau de la nappe à 400m du fleuve

Fig. 24 - Variation de niveau d'une nappe libre subordonnée à un coursd'eau, limite à condition de potentiel variable, au Tchad, àN'Djamena, (nappe alimentée en permanence par le Chari).RéL BRGM.

- i6

m ,

1965 1966 1967 1968

Niveau du Chori à N'DJAMENA

Niveau de la nappe à 400m du fleuve

Fig. 24 - Variation de niveau d'une nappe libre subordonnée à un coursd'eau, limite à condition de potentiel variable, au Tchad, àN'Djamena, (nappe alimentée en permanence par le Chari).RéL BRGM.

37 -

-1-

Nlveau d'une nappe captive

( oquffère calcaire , profondeur 40m)

1960 1961 1962 1963 1964

Fig. 25 - Variations de niveaux de nappes libre ou captive sous l'effet decrues fluviales, au Sénégal.

. Réf. : CIEH/BRGM, 69 DAK 7 1969.

37 -

-1-

Nlveau d'une nappe captive

( oquffère calcaire , profondeur 40m)

1960 1961 1962 1963 1964

Fig. 25 - Variations de niveaux de nappes libre ou captive sous l'effet decrues fluviales, au Sénégal.

. Réf. : CIEH/BRGM, 69 DAK 7 1969.

38

fig. 26 - Le débit local Q d'une nappe est plus grand lorsquela pente h2 - hl est plus forte que la pente

1

h'2 - h'I1

Fig. 27 - Le débit d'émergence Q d'une nappe à une limite à conditionde niveau stable ho est d'autant plus grand que les niveauxdans l'aquifère sont élevés. A la pente hl - ho plus forte cor¬

respond un débit plus grand que dans le cas d'une pente plusfaible h2 - ho

Í

38

fig. 26 - Le débit local Q d'une nappe est plus grand lorsquela pente h2 - hl est plus forte que la pente

1

h'2 - h'I1

Fig. 27 - Le débit d'émergence Q d'une nappe à une limite à conditionde niveau stable ho est d'autant plus grand que les niveauxdans l'aquifère sont élevés. A la pente hl - ho plus forte cor¬

respond un débit plus grand que dans le cas d'une pente plusfaible h2 - ho

Í

39

En toute rigueur les variations de niveau Ah ne traduisent que des variations destock d'eau ou réserve dans les nappes libres ou de "pression de gisement" dansles nappes captives (cf. § 29).

Les variations de niveau, notamment les recharges, sont donc sans relationunique et simple avec les flux d'apport, car elles dépendent à la fois :

- de ces flux d'apport (intensité, durée...),- du coefficient d'emmagasinement local S,- des distances aux limites génératrices d'impulsion (à condition de flux ou de

potentiel),- de la diffusivité "moyenne" T/S dans l'espace compris entre ces limites et le

point d'observation.

Ainsi :

- Une forte amplitude Ah n'indique pas nécessairement une alimentation plusforte qu'une faible amplitude - sauf "toutes choses égales d'ailleurs" -. C'estsouvent le contraire.

- Une nappe à niveau invariable - ou très peu variable - n'est pasnécessairement non alimentée, mais plutôt alimentée par un flux permanent,ou encore est très proche d'une limite à niveau constant.

- Les niveaux d'une nappe proches d'une limite "imperméable" peuvent aucontraire varier davantage : les effets de "réflexion" sur cette limite peuventamplifier les recharges.

4 - REGIME DES DEBITS

46. Les variations de niveau aux différents points d'un aquifère - du moins dans unaquifère à nappe libre - n'étant généralement pas identiques, eUess'accompagnent de variations de pente, de gradient hydraulique i local quicorrespondent donc à des variations proportionnelles de flux d'écoulement localde l'eau souterraine (cf. supra 1, § 10 et fig. 26).

47. Ces variations de débit sont surtout amples - et visibles - aux exutoires desaquifères à niveau imposé, constant ou peu variable, tels que les sources, coursd'eau ou limites de plans d'eau récepteurs d'écoulement souterrain, - cf. § 23 (1)- puisque les gradients hydrauliques en amont de ces sites d'émergence y varienten proportion directe des charges hydrauliques h des eaux souterraines (fig. 27) :

- les hauts niveaux hj déterminent des gradients hj - hg/l plus fort, donc desdébits Q plus grands ;

- les bas niveaux h2 déterminent des gradients h2 - hg/l plus faibles, donc desdébits Q plus petits.

48. En conséquence :

- En phase de recharge, lorsque la réserve R augmente et que les niveauxs'élèvent, les débits aux émergences croissent aussi : crues de source, de fluxsortant.

39

En toute rigueur les variations de niveau Ah ne traduisent que des variations destock d'eau ou réserve dans les nappes libres ou de "pression de gisement" dansles nappes captives (cf. § 29).

Les variations de niveau, notamment les recharges, sont donc sans relationunique et simple avec les flux d'apport, car elles dépendent à la fois :

- de ces flux d'apport (intensité, durée...),- du coefficient d'emmagasinement local S,- des distances aux limites génératrices d'impulsion (à condition de flux ou de

potentiel),- de la diffusivité "moyenne" T/S dans l'espace compris entre ces limites et le

point d'observation.

Ainsi :

- Une forte amplitude Ah n'indique pas nécessairement une alimentation plusforte qu'une faible amplitude - sauf "toutes choses égales d'ailleurs" -. C'estsouvent le contraire.

- Une nappe à niveau invariable - ou très peu variable - n'est pasnécessairement non alimentée, mais plutôt alimentée par un flux permanent,ou encore est très proche d'une limite à niveau constant.

- Les niveaux d'une nappe proches d'une limite "imperméable" peuvent aucontraire varier davantage : les effets de "réflexion" sur cette limite peuventamplifier les recharges.

4 - REGIME DES DEBITS

46. Les variations de niveau aux différents points d'un aquifère - du moins dans unaquifère à nappe libre - n'étant généralement pas identiques, eUess'accompagnent de variations de pente, de gradient hydraulique i local quicorrespondent donc à des variations proportionnelles de flux d'écoulement localde l'eau souterraine (cf. supra 1, § 10 et fig. 26).

47. Ces variations de débit sont surtout amples - et visibles - aux exutoires desaquifères à niveau imposé, constant ou peu variable, tels que les sources, coursd'eau ou limites de plans d'eau récepteurs d'écoulement souterrain, - cf. § 23 (1)- puisque les gradients hydrauliques en amont de ces sites d'émergence y varienten proportion directe des charges hydrauliques h des eaux souterraines (fig. 27) :

- les hauts niveaux hj déterminent des gradients hj - hg/l plus fort, donc desdébits Q plus grands ;

- les bas niveaux h2 déterminent des gradients h2 - hg/l plus faibles, donc desdébits Q plus petits.

48. En conséquence :

- En phase de recharge, lorsque la réserve R augmente et que les niveauxs'élèvent, les débits aux émergences croissent aussi : crues de source, de fluxsortant.

40

- En phase de décharge, lorsque la réserve R diminue et que les niveauxs'abaissent, les débits aux émergences décroissent : décrue et "tarissement"de source, de flux sortant.

Les régimes des sources, c'est-à-dire de variation de leur débit, sont ainsi trèsliés aux régimes des variations de niveau des nappes souterraines - ou descirculations en réseaux - dont elles sont les exutoires. "Réponse" de tout unaquifère, ou d'une partie d'aquifère, à ses variations de réserve, le régime d'unesource ou d'un cours d'eau drainant en l'absence de ruissellement a unesignification plus globale que le régime d'une nappe en un point donné : il estplus représentatif de la dynamique de la nappe. Aussi le suivi des débitsd'émergences, lorsqu'elles sont assez individualisées, est-il un moyen deconnaissance de la dynamique des eaux souterraines particulièrement précieux.

40

- En phase de décharge, lorsque la réserve R diminue et que les niveauxs'abaissent, les débits aux émergences décroissent : décrue et "tarissement"de source, de flux sortant.

Les régimes des sources, c'est-à-dire de variation de leur débit, sont ainsi trèsliés aux régimes des variations de niveau des nappes souterraines - ou descirculations en réseaux - dont elles sont les exutoires. "Réponse" de tout unaquifère, ou d'une partie d'aquifère, à ses variations de réserve, le régime d'unesource ou d'un cours d'eau drainant en l'absence de ruissellement a unesignification plus globale que le régime d'une nappe en un point donné : il estplus représentatif de la dynamique de la nappe. Aussi le suivi des débitsd'émergences, lorsqu'elles sont assez individualisées, est-il un moyen deconnaissance de la dynamique des eaux souterraines particulièrement précieux.

- 41 -

ORIENTATION BIBLIOGRAPHIQUE

CASTANY G. (1968) - Prospection et exploitation des eaux souterraines (Dunod, 717.,Paris).Notamment : in. chap. 3 - Interprétation des fluctuations régionales desniveaux piézométriques.

CASTANY G. (1982) - Principes et méthodes de l'hydrogéologie (Dunod, 238 p., Paris).

DEGALLIER R. (1969) - Interprétation des variations naturelles du niveau des nappessouterraines (Bull. BRGM, III, n''2, Orléans).

DEGALLIER R. (1975) - Interprétation des variations naturelles du niveau des nappessouterraines. Applications aux données provenant du bassin versant deKhorogo (Côte d'Ivoire) (Mém. Doct. état Univ. Montpellier/Pubh BRGM"Documents", n°lll, 1986, 427 p., Orléans).

MARSILY G. de (1981) - Hydrogéologie quantitative (Masson, 215 p., Paris).

MARGAT J. (1972) - Evaluation des ressources hydrauliques. Méthode d'implantationd'un réseau piézométrique général (Doc. BRGM, 72 SGN 126 AME, 54 p.,Orléans).Notamment : 4/ Analyse des déterminants du régime des variations deniveau des eaux souterraines.

Collectif/BRGM (1969) - Interprétation des variations naturelles du niveau des nappesaquifères en Mauritanie et au Sénégal (Doc. CIEH/BRGM DAK 7, 1969,Dakar).

CoUectif/UNESCO (1972 - 1983) - Groundwater studies (UNESCO, Studies reports inhydrology, 7).Notamment : 1 - Principal features of the groundwater regime

2 - Groundwater fundamentals3.2 - Dymamic factors influencing groundwater regime

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ORIENTATION BIBLIOGRAPHIQUE

CASTANY G. (1968) - Prospection et exploitation des eaux souterraines (Dunod, 717.,Paris).Notamment : in. chap. 3 - Interprétation des fluctuations régionales desniveaux piézométriques.

CASTANY G. (1982) - Principes et méthodes de l'hydrogéologie (Dunod, 238 p., Paris).

DEGALLIER R. (1969) - Interprétation des variations naturelles du niveau des nappessouterraines (Bull. BRGM, III, n''2, Orléans).

DEGALLIER R. (1975) - Interprétation des variations naturelles du niveau des nappessouterraines. Applications aux données provenant du bassin versant deKhorogo (Côte d'Ivoire) (Mém. Doct. état Univ. Montpellier/Pubh BRGM"Documents", n°lll, 1986, 427 p., Orléans).

MARSILY G. de (1981) - Hydrogéologie quantitative (Masson, 215 p., Paris).

MARGAT J. (1972) - Evaluation des ressources hydrauliques. Méthode d'implantationd'un réseau piézométrique général (Doc. BRGM, 72 SGN 126 AME, 54 p.,Orléans).Notamment : 4/ Analyse des déterminants du régime des variations deniveau des eaux souterraines.

Collectif/BRGM (1969) - Interprétation des variations naturelles du niveau des nappesaquifères en Mauritanie et au Sénégal (Doc. CIEH/BRGM DAK 7, 1969,Dakar).

CoUectif/UNESCO (1972 - 1983) - Groundwater studies (UNESCO, Studies reports inhydrology, 7).Notamment : 1 - Principal features of the groundwater regime

2 - Groundwater fundamentals3.2 - Dymamic factors influencing groundwater regime

réalisation

servicereprographie

du BRGM

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du BRGM

87 SGN 511 EAU87 SGN 511 EAU