Ressource en Eau. Travaux dirigés. 1. Estimation de la recharge des aquifères par bilan hydrique. 2. Cartes piézométriques

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Laure Leroux
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1 L1 SVG - UE «Crises et Ressources de la Terre» Ressource en Eau Travaux dirigés 1. Estimation de la recharge des aquifères par bilan hydrique 2. Cartes piézométriques Aude Naveau MCF IC2MP Hydrasa aude.naveau@univ-poitiers.fr

2 Bilan hydrique (période 1 an) P = ET + Q + I ET P Q I

3 Bilan hydrique (période < 1 an) P = ET + Q + I R ET P Q I R

4 Cote piézométrique NGF 88, ,00 Archigny 87,50 87,00 86,50 86,00 85,50 85,00 84,50 84,00 01/01/ /01/ /01/ /01/ /01/ /01/ /01/2012

5 Bilan hydrique Le sol a un impact important sur le bilan car il possède une capacité à stocker de l eau. Cette capacité, mesurée en mm, appelée réserve utile (RU), est très variable suivant les types de sols et à l intérieur d un même type de sol. Les extrêmes varient de 50 mm à 250 mm. Un sol est donc susceptible de stocker de 500 à 2500 m 3 d eau par hectare. Les sols à faible réserve (RU < 80mm) sont très sensibles à la sécheresse. A l inverse, l irrigation est rarement pratiquée sur les sols à forte réserve. Il existe une multitude de méthodes dans la littérature pour quantifier la RU. La méthode proposée par Rawls et al. (J. Irrig. Drain. Eng., 1982) a l avantage d être simple et robuste : RU (mm) = (231,6 200 Sa 140 Ar MO) h avec : Ar : teneur en argile (en teneur) Sa : teneur en sable (en teneur) MO : teneur en matière organique (en teneur) h : épaisseur de l horizon (en m)

6 Bilan hydrique Le sol a un impact important sur le bilan car il possède une capacité à stocker de l eau. Cette capacité, mesurée en mm, appelée réserve utile (RU), est très variable suivant les types de sols et à l intérieur d un même type de sol. Les racines des plantes puisent l'eau dans la réserve utile du sol et la rejette dans l'atmosphère par évapo-transpiration. Sur une période de temps donnée, la quantité d eau transférée du sol à l atmosphère dépend à la fois de la demande atmosphérique en eau et de l eau réellement disponible pour répondre à cette demande : fonction des précipitations P durant la période considérée et du stock d eau R disponible dans la RU (0 R RU) : si P + R ETP ETR = ETP si P + R ETP ETR = P + R avec : ETP : évapotranspiration potentielle (quantité d eau maximale susceptible d être évapotranspirée pour un couvert végétal bien alimenté en eau) ETR : évapotranspiration réelle (éventuellement limitée par le stock d eau R disponible dans la RU). On a toujours ETR ETP.

7 Bilan hydrique Plusieurs méthodes peuvent être utilisées pour estimer l évapotranspiration potentielle : Thornthwaite, Turc, Coutagne, Penman, Nous utiliserons ici la méthode de Thornthwaite pour calculer l ETP à un pas de temps mensuel : avec : ETP m 10Tm 16 F m, I a ETP m : évapotranspiration potentielle mensuelle du mois m (m = 1 à 12) en mm T m : température moyenne mensuelle ( C) I : indice thermique mensuel I 12 T m 5 m 1 a 0,016 I + 0,5 (formule approchée) F(m, ) : facteur correctif fonction du mois m et de la latitude (voir tableau poly) 1,514

8 Bilan hydrique (données P & T : Poitiers 2008) Calculer la réserve utile d'un sol formé de 2 horizons : horizon de surface (0-20 cm) : 10% argile, 58% limons, 30% sable, 2% matière organique horizon profond (20-45 cm) : 15% argile, 65% limons, 20% sable Compléter le tableau suivant en calculant dans un premier temps les ETP mensuels et la différence P ETP. j F M A m j j a s o n d T ( C) 6,7 7,6 7,9 9,8 15,6 17,5 19,0 18,8 14,5 11,6 7,7 4,0 P (mm) 69,2 38,6 67,8 76,8 75,8 81,0 30,6 66,6 35,0 84,4 68,2 20,6 ETP (mm) 19,8 23,8 31,5 45,6 92,9 108,9 121,6 110,9 68,4 46,8 23,6 9,8 P - ETP 49,4 14,8 36,3 31,2-17,1-27,9-91,0-44,3-33,4 37,6 44,6 10,8 R début mois (mm) R fin mois (mm) ETR (mm) Exédent Q+I (mm)

9 Bilan hydrique (données P & T : Poitiers 2008) Calculer la réserve utile d'un sol formé de 2 horizons : horizon de surface (0-20 cm) : 10% argile, 58% limons, 30% sable, 2% matière organique horizon profond (20-45 cm) : 15% argile, 65% limons, 20% sable Compléter ensuite en initialisant R début janvier sur la valeur de la RU (hypothèse : sol saturé au 1 er janvier) j F M A m j j a s o n d T ( C) 6,7 7,6 7,9 9,8 15,6 17,5 19,0 18,8 14,5 11,6 7,7 4,0 P (mm) 69,2 38,6 67,8 76,8 75,8 81,0 30,6 66,6 35,0 84,4 68,2 20,6 ETP (mm) 19,8 23,8 31,5 45,6 92,9 108,9 121,6 110,9 68,4 46,8 23,6 9,8 P - ETP 49,4 14,8 36,3 31,2-17,1-27,9-91,0-44,3-33,4 37,6 44,6 10,8 R début mois (mm) R fin mois (mm) 79,8 79,8 79,8 79,8 79,8 62,7 34,8 0,0 0,0 0,0 37,6 79,8 79,8 79,8 79,8 79,8 62,7 34,8 0,0 0,0 0,0 37,6 79,8 79,8 ETR (mm) 19,8 23,8 31,5 45,6 92,9 108,9 65,4 66,6 35,0 46,8 23,6 9,8 Excédent Q + I (mm) 49,4 14,8 36,3 31,2 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 2,4 10,8

10 Cote piézométrique NGF 88, ,00 Archigny 87,50 87,00 86,50 86,00 85,50 85,00 84,50 84,00 01/01/ /01/ /01/ /01/ /01/ /01/ /01/2012

11 Cote piézométrique NGF 86, ,60 Archigny 86,40 86,20 86,00 85,80 85,60 85,40 85,20 85,00 01/01 31/01 01/03 31/03 30/04 30/05 29/06 29/07 28/08 27/09 27/10 26/11 26/12

12 Bilan hydrique (données P & T : Poitiers 2008) Supposons que dans ce secteur agricole l apport annuel de nitrates pour la fertilisation soit de 200 kg par hectare et que 90% de cet apport soit consommé par les cultures (excédent = 10%). Calculer la concentration en nitrates dans les eaux qui s infiltrent en profondeur vers les aquifères. On posera l hypothèse que l infiltration représente 1/3 du terme Q + I (soit Q = 2/3, I = 1/3). Recharge annuelle : I = 145/3 = 48 mm, soit 480 m 3 /ha Masse de NO 3 - excédentaire = 10% x 200 kg = 20 kg/ha Sur ces 20 kg/ha excédentaires, 2/3 vont être emportés par les eaux de ruissellement, 1/3 vont être entraînés sous forme dissoute par le flux de recharge des eaux souterraines, soit M = 6,6 kg/ha Concentration des eaux d infiltration : [NO 3- ] = M/I = 14 mg/l

13 Cartes piézométriques Les cartes piézométriques sont une retranscription cartographique de la surface des nappes d eau souterraine. Elles peuvent être lues comme des cartes topographiques, les courbes de niveau (ou isopièzes) correspondant aux altitudes de la nappe. La lecture d une carte piézométrique permet donc de connaître le niveau de la nappe, avec un niveau d incertitude variable selon la densité de points de mesure utilisés pour l établissement de la carte et de déterminer les sens d écoulement de la nappe.

14 Cartes piézométriques Le suivi du niveau de la nappe souterraine s'effectue au moyen de piézomètres : ce sont des points d'accès à la nappe (puits, forages) dans lesquels on mesure le niveau de l'eau. Le niveau est mesuré soit manuellement lors de tournées, au moyen d'une sonde que l'on descend dans l'ouvrage, soit en continu grâce à une centrale électronique d'acquisition de données.

Cartes piézométriques Le suivi du niveau de la nappe souterraine s'effectue au moyen de piézomètres : ce sont des points d'accès à la nappe (puits, forages) dans lesquels on

15 Cartes piézométriques Le suivi du niveau de la nappe souterraine s'effectue au moyen de piézomètres : ce sont des points d'accès à la nappe (puits, forages) dans lesquels on mesure le niveau de l'eau. Z : altitude (NGF) de la margelle du puits ou de la tête de forage : profondeur du niveau d eau dans le puits ou le forage Cote piézométrique = Z - Z

16 4,6 cm (88,72-87,81) = 0,91 0,9 cm (88,00-87,81) = 0,19 88

90 92 78 80 82 84 86 80 82 84 86 88 90 92 80 82 84 86 88 90 92 94 94 96 100 102 104 92 90 102 102 100 102 104 106 108 110 110 108 90 92 94 110 90

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