Relation nappe-zone humide-cours d’eau

Alain CRAVE

21 Novembre 2019, Loudéac

Relation nappe/Zone humide/cours d’eau

Plan de l’intervention

1) Comment saturer l’horizon de sol à la surface?

1) Par au-dessus ou/et par en-dessous

2) Notions de perméabilité et de porosité

2) Les aquifères aquifère et Écoulement dans les aquifères

1) Définition et exemples de nappes

2) débit et sens d’écoulement (Loi de Darcy, gradient hydraulique)

3) Nappe alluviale et interactions nappe-rivière

4) Intérêt et limites de la piézométrie

Introduction Définition d’un zone Humide?

Une zone humide c’est…

… une interface de sol saturée en eau ou un taux d’humidité important ?

… une durée pendant laquelle le taux d’humidité est important?

Introduction Définition d’un zone Humide?

Pluie

inondation

Apport de

nappe

Différents types d’apports avec différentes dynamiques

(vitesses, volumes épaisseur d’eau, variabilités, …)

ruissellement

Apport d’eau par au-dessus

ETR ETR

ETR

Inf Inf Inf

trésidence flaque= Stock/( ETR+Inf) ~ de qq seconds à qq jours

Pendant et après la pluie

Stock d’eau faible (amplitude de la rugosité - ~10 cm))

Nappe d’eau saturée

50 cm

2°) Notion de perméabilité

Facteurs importants:

• taille

• forme

• distribution des tailles

• tassement

Notion de Perméabilité

G. Castany "Principes et méthodes de l' hydrogéologie" , Dunod, 1982

Définition : la perméabilité d’un milieu est son aptitude à laisser passer un fluide

sous l’effet d’un gradient de pression [m/s]

La perméabilité dépend de la porosité du milieu

2°) Notion de porosité

K verticale # K latérale

Hétérogénéité de Kvert. et Klat. Dans les dimensions verticale et latérale !

Existence de chemins de l’eau préférentiels (failles, fissures, ..)

trésidence = truissellement (inondation) + tflaque = Stock/( ETR+Inf + QR + Qnappe)

ETR

Inf

Nappe d’eau saturée

50 cm

Hauteur d’eau

libre

?

QR

qq jours à qq semaines

Stock d’eau important (amplitude de H 0,2 à 1 m)

Apport d’eau par au-dessus inondation

Qnappe

Dynamique des échanges

Winter et al., 1999 Groundwater and surface water, a single ressource

Seuil de débordement

dans le lit mineur

2 à 3 fois /an en

Bretagne

trésidence important = t de la nappe proche de la surface = Stock/Qnappe

Nappe d’eau saturée

50 cm

qq mois !

Stock d’eau important (amplitude de H 0,2 à 1 m)

Apport d’eau par en-dessous aquifère

Qnappe

Définitions nappe et aquifère

Nappe d’eau souterraine ?

c'est l'ensemble des eaux

comprises dans la zone saturée

d'un aquifère, dont toutes les

parties sont en liaison hydraulique

Un aquifère ?

c'est un "corps" (couche, massif) de

roches perméables comportant une

zone saturée (ensemble du milieu

solide et de l’eau contenue)

suffisamment conducteur d'eau

souterraine pour permettre

l'écoulement significatif d'une nappe

et le captage de quantités d'eau

appréciables. un aquifère peut

comporter une zone non saturée

Exemples de nappes

Écoulements dans les milieux poreux :

JJ. Collin « Les eaux souterraines, connaissance et gestion » , Hermann, 2004

Sens d’écoulement ?

Débits d’écoulements ?

Vitesse d’écoulement ?

Débits d’exploitation ?

Exemples de nappes alluviales

JJ. Collin « Les eaux souterraines, connaissance et gestion » , Hermann, 2004

Ecoulement dans une nappe: Loi de Darcy

G. Castany "Principes et méthodes de l' hydrogéologie" , Dunod, 1982

Q= K . A . Dh/L

Sens d’écoulement des nappes

Piézométrie et sens d’écoulement des nappes :

Carte piézométrique

Gradient piézométrique, application aux nappes

Calcul du gradient piézométrique

Q=K . A . Dh/L

Application de la loi de Darcy aux nappes

Estimations des débits d’écoulements d’une nappe

JJ. Collin « Les eaux souterraines, connaissance et gestion » , Hermann, 2004

Q=K . A . Dh/L

Nappe alluviale et

interactions nappe-rivière

Effet du climat sur les échanges

Sensibilité des nappes alluviales aux effets saisonniers ou à des crues

Winter et al., 1999

Écoulement convergent ou divergent

Winter et al., 1999 Groundwater and surface water, a single resource

Dynamique des échanges

Winter et al., 1999 Groundwater and surface water, a single ressource

Dynamique des échanges lors d’une crue

La caractérisation des échanges nappe-rivière :

sans doute l’objectif le plus difficile en hydrogéologie !

Winter et al., 1999 Groundwater and surface water, a single ressource

Une zone de mélange: la zone hyporhéique

Winter et al., 1999 Groundwater and surface water, a single resource

L’influence des mouilles et radiers

Winter et al., 1999 Groundwater and surface water, a single resource

Stonedahl et al., 2010 Water Resource

Research

L’influence des méandres

Winter et al., 1999 Groundwater and surface water, a single resource

Stonedahl et al., 2010 Water Resource

Research

Extraction de granulats en rivière

Durant la seconde moitié du XXe siècle, l’exploitation du lit des rivières a été intensive et certaines rivières sont devenues de véritables carrières.

JJ. Collin « Les eaux souterraines, connaissance et gestion » , Hermann, 2004

Interaction nappe –rivière : l’impact de

l’extraction de granulats, le cas du

Var

4°) Intérêt et limites de la piézométrie

Méconnaissance du sous-sol

Le rôle du relief

Fetter, C.W., 2001

Le rôle du relief

Freeze and Cherry, 1979

De Marsily, 1986

Le rôle de la géologie

Fetter, C.W., 2001

Le rôle de la perméabilité

Rôle de la végétation

Site expérimental de Escalante Valley (Utah-EU) : évolution du niveau de nappe

avant et après une coupe de Luzerne, White et al., 1932.

Rôle de la végétation

Site expérimental de Wageningen (Pays-bas) : évolution du niveau de nappe sous

deux couverts de végétation distincts (forêt et maïs), Thal-Larsen, 1934.

Approche et recommandations

Bien cerner les enjeux, les questions en lien avec la piézométrie

et vérifier qu’il est possible de répondre à la question

Données nécessaires (pour la piézométrie)

Le relief (importance du paysage sur les écoulements)

La géologie (contraint la perméabilité)

La perméabilité des roches et dépôts (berge, alluvions, encaissant…)

Morphologie du lit du cours d’eau

Végétation

Niveaux piézométriques (dynamique et échanges)

Une approche complémentaire : la température

Utilisation de la température comme traceur des écoulements (Constantz, 2008):

Loi de Darcy

Une approche complémentaire : la température

Utilisation de la température comme traceur des écoulements (Constantz, 2008):

Taniguchi et al, 1993

[Constantz, 2008] [Hatch et al., 2006]

Utilisation de la température comme traceur des écoulements

Imagerie Thermique Infrarouge

Effet des pompages en nappe

Winter et al., 1999 Groundwater and surface

water, a single resource