HYDROGEOLOGIE. notions fondamentales et applications. Licence pro. UPMC 2014/2015 COURS 2

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1 HYDROGEOLOGIE notions fondamentales et applications Licence pro. UPMC 2014/2015 COURS 2 Danièle Valdés-Lao Daniele.valdes_lao@upmc.fr UMR METIS, 56/55, 4 ème étage

2 Plan du cours Introduction - Cycle de l eau 1. De l eau dans les roches - rappels 2. Les écoulements souterrains 3. Transport, traçages, pollution des nappes 4. Le forage, les puits et les pompages

3 DE L EAU DANS LES ROCHES : RAPPELS Facteurs lithologiques alluvions

4 DE L EAU DANS LES ROCHES : RAPPELS

5 DE L EAU DANS LES ROCHES : RAPPELS 2 paramètres importants: la porosité et la perméabilité 1- La porosité Porosité totale n t = Vvides 0 < n t < 1 ou n t exprimée en % total V Mais, toute l eau ne peut pas s écouler eau libre (gravitaire) + eau liée Porosité efficace ou cinématique n e = V eau. libre V total 0 < n e < n t

6 DE L EAU DANS LES ROCHES : RAPPELS Notion de saturation du milieu poreux zone non sat. frange capillaire Teneur en eau volumique ϑ = V V eau total 0 < θ < n t zone saturée Saturation S = V V eau vides 0 < S < 1 Rq : à saturation (S=1), teneur en eau = porosité

7 DE L EAU DANS LES ROCHES : RAPPELS 2 paramètres importants: la porosité et la perméabilité 2- La perméabilité La perméabilité (ou conductivité hydraulique) K en m/s des roches du sous-sol détermine leur capacité à conduire les eaux souterraines

8 DE L EAU DANS LES ROCHES : RAPPELS Aquifère : formation géologique poreuse et perméable comportant une zone saturée en eau et permettant l écoulement significatif d une nappe souterraine et le captage de quantités d eau appréciables. Un aquifère peut comporter une zone non saturée Aquitard : formation géologique trop imperméable pour être exploitée, mais dont les écoulements à long terme ne sont pas négligeables Aquiclude : formation géologique imperméable Nappe: ensemble des eaux comprises dans la zone saturée d un aquifère dont toutes les parties sont en liaison hydraulique Niveau piézomètrique: défini en chaque point par le niveau le plus haut (niveau piézomètrique) atteint par l'eau d'une nappe montant dans un conduit de forage atteignant cette nappe. En coupe cette surface décrit des lignes de niveaux piézomètriques identiques ou isopièzes ZONE NON SATUREE Niveau piézomètrique ZONE SATUREE Roche imperméable AQUIFERE

9 DE L EAU DANS LES ROCHES : RAPPELS Carte piézomètrique H1 Zone non saturée Surface piézométrique Zone saturée H2

10 Notions de nappes libre et captive Nappe libre = contact direct avec l atmosphère Sol Infiltration Roche imperméable Zone non saturée (matériau + eau + air) NP Zone saturée Matériau = AQUIFERE Eau = NAPPE SOUTERRAINE Substratum imperméable (mur)

11 Notions de nappes libre et captive Nappe captive = pas de contact direct avec l atmosphère Artésianisme Nappe captive Infiltration nulle Nappe libre Infiltration possible NP Roche imperméable Forage Roche imperméable

12 Plan du cours Introduction - Cycle de l eau 1. De l eau dans les roches 2. Les écoulements souterrains charge hydraulique cartes piézométriques Perméabilité loi de Darcy 3. Transport, traçages, pollution des nappes 4. Le forage, les puits et les pompages

13 Notion de charge hydraulique / niveau piézométrique Niveau piézomètrique: défini en chaque point par le niveau le plus haut (niveau piézomètrique) atteint par l'eau d'une nappe montant dans un conduit de forage atteignant cette nappe. Margelle du puits Niveau du sol = 10 m NGF NP = z sol h eau/sol Le niveau piézo se mesure par rapport au niveau du sol, puis transformé en m NGF

14 Notion de charge hydraulique / niveau piézométrique Dans le sol, toute eau possède un potentiel d énergie relié à : - sa position verticale (altitude), - la pression qu elle subit (atmosphérique ou hydraulique), - sa vitesse instantanée dans le sol Equation de BERNOUILLI : Exprime le fait que la somme des 3 énergies (potentielle, de pression et cinétique) Est constante le long d une ligne de courant en régime permanent. Cette somme est la CHARGE HYDRAULIQUE hm = z + P ρ g v² + 2g Fluide non visqueux Écoulement unidimensionnel Energie potentielle Energie de pression Energie cinétique

15 La charge hydraulique correspond à la hauteur d équilibre de l eau en un point donné de l espace, càd la hauteur à laquelle s élèverait et se stabiliserait l eau pour se mettre en équilibre avec la pression atmosphérique. Niveau piézo : altitude du plan d eau Charge hydraulique : poids de la colonne d eau au dessus du niveau de référence Sur le terrain, seule la mesure du NP est accessible Par convention, les deux paramètres sont identifiés au NP

16 Vocabulaire spécifique aux cartes piézométriques Cote piézométrique H (en m) x Isopièze (hydro-isohypse) Ligne de courant Gradient hydraulique i = H / X

17 Exercice : Dans une nappe artésienne, on réalise 4 forages. On les ferme au niveau du sol et on mesure la P de l eau en tête de puits. Forage pression lue kpa cote du sol du manomètre (m) A B C D Calculer la charge hydraulique en chaque point 2. Tracer les isopièzes (éq 10m) et les lignes d écoulement H A = 145,3m H B = 127,8m H C = 130,2m H D = 120,3m

18 Gradient hydraulique i = H L = H1 H L 2 Dans l exercice précédent, calculez le gradient hydraulique entre A et B, A et C, B et C, B et D, A et D. Commentez.

19 Exercice : Soient 3 forages réalisés dans des aquifères indépendants et dont les fluides sont de nature différentes AQUIFERE MASSE VOLUMIQUE ρ en kg.m -3 COTE BASE DU TUBE z en m CHARGE H en m A 999,00 55,00 B ,34 54,67 C ,95 51,88 1 Dessinez la configuration des 3 forages 2 calculez la charge hydraulique équivalente à la masse volumique de l eau douce dans chaque forage 3 dans quel sens se font les transferts entre aquifères?

20 H (eau douce) en A = 55 m H (eau douce) en B = 55,63 m H (eau douce) en C = 56,32 m Drainance verticale ascendante pour l eau douce

21 Réalisation d une carte piézométrique Réalisation d un premier forage Réalisation d un second forage H = 94 m H = 94 m H = 92 m

22 Réalisation d une carte piézométrique 94 m? 92 m

23 102,5 m 99 m 94 m? 90 m 88 m 88 m 82 m Points d observation : puits, forage, piézomètre, source 97 m 92 m 90 m 85 m Cote piézométrique interpolée 92,5 m 94 m 84 m 79 m

24 92 m 94 m? Isopièze

25 94 m? 92 m Points d observation : puits, forage, piézomètre, source Sens d écoulement de l eau Deux points d observation ne suffisent pas pour déterminer correctement le sens d écoulement

26 Diverses configurations d écoulement Zone divergente Zone convergente Pompage Zone d alimentation Barrière imperméable

27 Relation Nappe/Rivière : nappe drainée par la rivière plateau infiltration de la pluie vallée puits ou forage Rivière rivière nappe écoulement roche poreuse surface de la nappe (niveau de l eau dans les puits) couche imperméable formant la base de la nappe

28 Relation Nappe/Rivière : nappe alimentée par la rivière puits ou forage Rivière ruissellement oued en crue infiltration nappe surface de la nappe (niveau de l eau dans les puits) roche poreuse base de la nappe écoulement

29 N Cote de la nappe libre (m) Réseau hydrographique et sens d écoulement m

30 N Cote de la nappe libre (m) Réseau hydrographique et sens d écoulement m

31 Plan du cours Introduction - Cycle de l eau 1. De l eau dans les roches 2. Les écoulements souterrains charge hydraulique cartes piézométriques Perméabilité loi de Darcy 3. Transport, traçages, pollution des nappes 4. Le forage, les puits et les pompages

32 Perméabilité loi de Darcy Aire d alimentation Surface piézométrique 1000 m 5 m m K Substratum imperméable Aquifère Surface piézométrique 00 m Comment s écoulent les eaux souterraines? Substratum imperméable

33 Influence de la section d écoulement L H Eau Eau + roche Q = f (S) Q + Q-

34 Influence de la charge hydraulique H 1 L H 2 Eau Eau + roche Q = f (S,H) Q + Q-

35 Influence des propriétés du milieu Notion de conductivité hydraulique / perméabilité H Q = f (S,H, milieu) Milieu 1 Q- L Milieu 2 Q + K2 > K1 K K représente l aptitude du milieu à se laisser traverser par l eau sous l effet d un gradient hydraulique Exprime la résistance du milieu à l écoulement de l eau qui le traverse Unité LT -1, (m/s)

36 K : conductivité hydraulique (m/s) Roches meubles Argiles Sables argileux Sables fins et limons Arènes granitiques Sables, graviers Roches consolidées Schistes Granites Roches cristallines Craies Calcaires, dolomies, grès, conglomérats Très peu perméable Peu perméable Perméable Très perméable

37 Loi de DARCY ( ) Q= S K H L Q : Débit (m 3 /s) S : Section d écoulement (m 2 ) K : Conductivité hydraulique (m/s) (perméabilité) H : Gradient de charge (m) L : Longueur du milieu poreux (m) Conditions de validité de la loi de Darcy : - écoulement laminaire ( lignes de courant continues, rectilignes, individualisées), - aquifère continu, - milieu isotrope (K identique dans toutes les directions de l espace), - réservoir homogène. Darcy pas applicable aux milieux très hétérogènes (karsts) et lorsque la vitesse est très élevée (au voisinage des captages).

38 H H1 H2 Q = SK H L = SK H1 L H 2

39 Application : calcul d un débit Application : K=10-5, L=1m, h1-h2 : 1cm

40 Vitesse de Darcy et vitesse réelle Q= S K H L V Darcy = K H L La vitesse réelle dépend de la porosité efficace (n eff ) de l échantillon V = réelle V Darcy n eff

41 Vitesse de Darcy et vitesse réelle Si l échantillon est de porosité n=0.1, quelle est la vitesse réelle des particules de fluide?

42 Exercice : Calculer la perméabilité de l échantillon suivant : - Diamètre : 76 mm Longueur : 10 cm Débit : 0,555 ml/min Sous pression de 20 bars (1 bar = 10 5 Pa) Carotte d argile Argile : Φ 76 mm, l 10 cm 1 bar = 10 m d eau P = 20 bars P = 0 bars

43 Exercice : Perméamètre à charge constante Quelle est la perméabilité de l échantillon? Charge constante H1 = 10 m H2 = 9.95 m Q = 100 cm 3 en 12 min Testigo L = 15 cm Section perméamètre 5 cm *5 cm

44 Exercice : calculez le débit qui s écoule dans cet aquifère. Aire d alimentation Surface piézométrique 1000 m Conductivité hydraulique : K = m/s 5 m m K Substratum imperméable Q = m 3 /s Q = 22 m 3 /h Aquifère Surface piézométrique 00 m Substratum imperméable

45 Les aquifères multicouches Q K 1 e 1 K 2 e 2 K n e n EN PARALLELE Couches parallèles à l écoulement K // i= n i= 1 = i= n i= 1 K e i e i i EN SERIE Couches perpendiculaires à l écoulement Q e 1 e 2 K 1 K 2 e n K 1 K = i= n i= 1 i = n i= 1 e ei K i i

46 Exercice : débit dans un aquifère multi-couches Calculer la perméabilité équivalente verticale d un aquífère multi-couches? e1 = 30 m e2 = 15 m e3 = 22m K1 = 7 m / j K2 = 78 m / j K3 = 17 m / j A Milieu 1 Milieu 2 Milieu 3 e1 K1 e2 K2 e3 K3 B C D E K v? Kv i= n i= 1 = i = n i= 1 e ei K i i Kv = 1. 3 * 10-4 m/s

47 Lac Couche horizontale perméable tranchée K 1 = 1*10-3 m/s K 2 = 6*10-4 m/s Longueur de la tranchée = 5 m Exercice : - Calculer le débit qui arrive à la tranchée dans chaque configuration - Tracer la coupe piézometrique pour chaque configuration.