Hydrogéologie quantitative

Transcription

1 Hydrogéologie quantitative, Patrick Goblet Centre de Géosciences Ecole des Mines de Paris Hocine Bendjoudi UMR Sisyphe Support de cours:

2 Hydrogéologie quantitative Centre de Géosciences Ecole des Mines de Paris Support de cours:

3 L échelle mégascopique: le réservoir aquifère 100% Zone non saturée Saturation Frange capillaire Aquifère Substratum

4 Les systèmes aquifères zone non saturée surface piézométrique aquifère = solide zone saturée nappe = eau eau libre Aquifère: corps de roches perméables Nappe: eau souterraine occupant la zone saturée

5 les systèmes aquifères carte piézométrique gradient 40 m/40 km = 0,1% 60 ligne de courant le relevé du niveau d'eau des puits et forages qui touchent une nappe permet de tracer une carte altimétrique du sommet de la nappe, cette carte est appelée carte piézométrique km les cartes piézomètriques permettent de déterminer la direction d'écoulement de la nappe (perpendiculairement aux courbes) et de calculer le gradient hydraulique de la nappe

6 Carte piézométrique Les sables éocènes du Bassin aquitain

7 Exemples de systèmes aquifères Nappes superficielles: nappes phréatiques Nappes libres Nappes captives Nappes profondes Nappes captives Systèmes multicouches

8 Les systèmes aquifères superficiels nappe de vallée surface de suintement ligne de courant rivière crue niveau nappe étiage

9 Les systèmes aquifères superficiels sous climat aride

10 Les systèmes aquifères superficiels source surface libre nappe perchée cal. d'etampes-arg. à meulières sables de Fontainebleau source marnes à huîtres calcaire de Brie alt. m 100 NNW chateaux d eau Marlotte D 104 aqueduc champs de captage le Loing gravières canal D 40 Beauregard SSE alluvions - Quaternaire Cal. Etampes - Stampien Sable et Grès de Fbleau - Stampien Calc. de Brie - Sannoisien Marnes Vertes- Sannoisien Calcaire de Château-Landon Eocène sup. 50 sables et argiles Eoc. inf. Craie - Crétacé 1 km niveau piézométrique

11 Les systèmes aquifères superficiels nappe artésienne des Cressonnières m puits artésien cressonnières Essonnes 50 alluvions - Quaternaire Cal. Etampes - Stampien Sable et Grès de Fbleau - Stampien Calc. de Brie - Sannoisien Marnes Vertes- Sannoisien Calcaire de Château-Landon Eocène sup. 1 km niveau piézométrique libre captif

12 Nappes superposées drainance

13 Un système aquifère régional La nappe de Beauce SSW Orléans Loire Sables de Sologne Calc. de Beauce 25 km Sables de Fontainebleau Calc. de Chateau Landon Juine Calc. de Brie Sables de Lozère Marnes à huitres Corbeil Seine Argiles vertes Calc. de Champigny Eocène moyen Eoc. inf. NNE m formations sableuses grès de Fontainebleau Argiles vertes (oligocène) niveau piézométrique formations calcaires craie Argiles Plastiques (Eocène inf.) nappe (formations noyées) la nappe de Beauce est alimentée par les pluies, l'eau infiltrée s'écoule au sein de la nappe vers les points bas des paysages, les vallées, qui constituent les exutoires de la nappe (sources)

14 Les aquifères superficiels sont liés aux eaux de surface surface libre source rivière plaine inondable mare zone humide niveau des crues lac, gravière nappe aquifère

15 Les systèmes aquifères profonds nappe captive/artésienne nappe captive puits artésien source

16 Nappe libre devenant captive Mines de Bauxite du Var

17 Les nappes profondes

18 Forage du puits de Grenelle m

19 Jaillissement du puits de Grenelle

20 Un forage moderne à l Albien quartier de Breteuil à Paris

21 Les principales formations aquifères du Bassin parisien

22 Les formations semi-perméables Lias supérieur et Callovo-Oxfordien

23 Le laboratoire souterrain de l Andra

24 Piézométrie actuelle de l Albien

25 L aquifère géothermal du Dogger

26 Salinité du Dogger (g/l NaCl)

27 Failles majeures du bassin parisien faille de la Seine-Sancerre faille de Bray-Vittel

28 Validation du modèle d écoulement Transfert du C14 Période radioactive 5730 ans

29 Modèle géologique stochastique

30 L alimentation des nappes le bassin versant pluie surface du sol infiltration écoulement de surface niveau de la nappe écoulement de subsurface écoulement souterrain débit à l'exutoire

31 L aquifère se recharge sous l effet des précipitations Pluie Neige

32 Modèle conceptuel à réservoir

33 Equation de diffusivité en non-saturé Equation de Richards : l air reste à la pression atmosphérique θ = t div( ρv ) + ( ρθ ) = 0 t θ div( V ) + = 0 t V = K( θ ) grad( h) θ ψ θ p = ψ t ψ t θ = ρg ψ θ h t div( K( θ ) grad( h) = K(θ) θ = ε S w θ perméabilité θ ρg ψ θ ψ=p air -p succion Capacité capillaire, variable h t θ

34 Profil d humidité dans le sol une conséquence de la pression capillaire cote z 0 surface du sol à l équilibre grad(h) = 0 zone non saturée p = -ρgz p frange capillaire surface libre θ = θ(p) zone saturée teneur en eau θ = f(z)

35 Mesure de la teneur en eau Neutron résistivité

36 Mesure de la succion tensiomètre

37 La pluie: un phénomène variable dans l espace et dans le temps 45,0 40,0 35,0 30,0 25,0 20,0 15,0 10,0 5,0 0,

38 Ecoulement en zone non saturée Profil d humidité statique Surface du sol Perméabilité = 10-5 m/s ; porosité = 30% Loi de Pression capillaire: Van Genuchten S r = 1 k [ 1 + ( αϕ) ] l ZNS 10 m S r = S S M S S l = 1 1/ m k m Profil de saturation en absence d'infiltration Surface libre Paramètres: α = 3 l = 2 Cote ,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 Saturation

39 Ecoulement en zone non saturée Profils d humidité statiques Sans infiltration Avec infiltration (10-8 m/s) 12 Profil de saturation en absence d'infiltration 12 Profil de saturation en présence d'infiltration Cote 6 Cote ,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 Saturation 0 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 Saturation

40 Ecoulement en zone non saturée Profil d infiltration dynamique: réponse à une pluie Phase d infiltration Durée 5 h Infiltration cumulée = 8,3 cm Intervalle entre courbes: 1 h Vitesse du front: VDarcy / (porosite*saturation en air) => distance = 8,3 / (0,7*0,3) = 40 cm

41 Ecoulement en zone non saturée Profil d infiltration dynamique: réponse à une pluie Phase de redistribution «naturelle» sur 100 jours Infiltration = 10-8 m/s Durée: 100 j Intervalle entre courbes: Infiltration: 1 h Redistribution: 10j

42 Ecoulement en zone non saturée Profil d infiltration dynamique: réponse à une pluie 1 cycle infiltration - évaporation Durée des phases: 6 h Infiltration = 10 cm Intervalle entre courbes: 1 h

43 Ecoulement en zone non saturée Profil d infiltration dynamique: réponse à une pluie 10 cycles infiltration - évaporation Durée des cycles: 6 h Infiltration = 10 cm par cycle Intervalle entre courbes: 2 h Débit à la base de la colonne 5,00E-03 4,50E-03 4,00E-03 3,50E-03 Débit (m3/s) 3,00E-03 2,50E-03 2,00E-03 Série1 1,50E-03 1,00E-03 5,00E-04 0,00E+00 0,00E+00 5,00E+01 1,00E+02 1,50E+02 2,00E+02 2,50E+02 3,00E+02 3,50E+02 Temps (h) Evolution du débit à la surface libre

44 Humidification, infiltration, ruissellement 0 p cote z la pluie mouille le sol la le pluie sol s'est arrêtée mouillé en profondeur la lame d'eau s'enfonce l'eau de pluie a alimenté départ la nappe sol sec 0 p cote z pellicule d'eau zone non saturée zone saturée surface du sol surface de la nappe teneur en eau

45 Profils d humidité dans le sol au cours d une pluie en été, en hiver

46 L alimentation n est pas permanente exemple: la nappe alluviale du Rhin mm eau potentiel evapotranspiration (ETP) déficit hydrique recharge précipitations J F M A M J J A S O N D

47 Il y a des régions déficitaires

48 Le captage de l eau souterraine

49 L'exploitation des nappes effet du pompage zone d'influence cône de rabattement puits de pompage ligne de partage des eaux zone désaturée zone saturée le pompage provoque le rabattement de la surface piézométrique selon un cône de rabattement... si une forte densité de pompage existent sur un secteur, c'est le niveau général de la nappe qui peut être rabaissé

50 Puits en gros diamètre: nappe superficielle

51 Forage: nappe profonde

52 Equipement du forage Crépines

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55 La suite au prochain numéro