- Hydrogéologie - L3 Pro CTH. cedric.legout@ujf-grenoble.fr

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1 - Hydrogéologie - L3 Pro CTH cedric.legout@ujf-grenoble.fr 1

2 2 2.

3 Bilan d eau en km 3 en France 3 Figure: D après Roux

4 Les enjeux associés aux ressources souterraines : utilisateurs Eaux de surface (hm 3 /an) Eaux de source (hm 3 /an) Eaux souterraines pompées (hm 3 /an) Total (hm 3 /an) Collectivités industries Centrales thermiques agriculture total Figure: D après SVT, 2 nde, Hachette,

5 Plan 1. Caractéristiques d un milieu poreux 2. Écoulement d eau dans un milieu poreux 3. Les différents types d aquifères 4. Applications à quelques cas 5

6 1- Caractéristiques d un milieu poreux Très faiblement saturé Sol/zone non saturée Partiellement saturé Sol-altérite-roche /zone saturée Quasi-saturé agrégats eau air 6

7 milieu triphasique Va Ma Gaz (air) Ve Vv Vt Ml Me Liquide (eau) Vs Ms Solide 7

8 Distribution granulométrique: Courbes mono et poly dispersées, mono et mutli modes Comment les obtenir? v = 2r 2 e g( ρs ρ ) 9µ 8

9 Figure: D après Udden (1914) et Wentworth (1922) 9

10 La structure du milieu poreux «La structure désigne le mode d'assemblage, l'arrangement des particules minérales du sol et les liaisons éventuelles avec les colloïdes ou d'autres éléments» Arrangements typiques: Arrangement cubique Arrangement hexagonal compact 10

11 Porosité totale : n n = = V V V v t t V V t s = 1 V V s t = 1 ρd ρ s Comment mesurer la porosité? Quelques valeurs de porosité Argile. 0,4-0,6 m 3 /m % Sables fins. 0,4-0,5 m 3 /m % Sables moyens. 0,35-0,4 m 3 /m % Sables grossiers. 0,25-0,35 m 3 /m % graviers. 0,2-0,3 m 3 /m % 11

12 Porosité efficace = Volume eau gravitaire Volume total TYPES DE RESERVOIRS POROSITE EFFICACE (%) graviers 25 sables 15 limons 2 vase argileuse 0.1 calcaires fissurés 2 à 10 craie 2 à 5 granite fissuré 0,1 à 2 basalte fissuré 8 à 10 schistes 0,1 à 2 Figure: Différents types d'eau au voisinage d'un grain dans un aquifère (Polubrina-Kochina in Castany) 12

13 Etat énergétique de l eau dans le milieu poreux Le potentiel de l eau dans le milieu poreux correspond à la différence d énergie libre entre l eau du milieu poreux et une eau de référence, libre et pure à la pression atmosphérique. Le potentiel traduit l état de liaison de l eau du milieu poreux ou la quantité d énergie qu il faudrait exercer pour l extraire. Le potentiel s exprime sous forme d une énergie par unité de quantité de matière, de volume, de masse ou de poids 13

14 E = Ec +Ep avec Ec <<<<Ep Plusieurs types d énergie potentielle: Potentiel gravitaire ψ g Potentiel de pression ψ p (positif ou négatif) Potentiel de pression osmotique ψ o (potentiel négligeable en sols non salés) ψ = ψ g + ψ p + ψ o 14

15 Principales forces agissant sur un volume d eau du sol: force de gravité force de pression énergie potentielle énergie de pression hydrostatique (nappe) ou capillaire (ZNS) Très faiblement saturé Zone non saturée Nappe Partiellement saturé Quasi-saturé grains eau air 15

16 Le potentiel de gravité s écrit: ψ g = M i g z = V i ρ g z [J/mol] ψ g = ρ g z [J/m 3 ] [Pa] 16

17 La phase liquide est soumise à la pression atmosphérique Son état de pression varie autour de celle-ci en fonction des forces auxquelles elle est soumise (hydrostatique ou capillaire) Le potentiel de pression s écrit : ψ p = V i (p e p at ) = V i p e [J/mol] ψ p = p e [J/m 3 ] [Pa] Dans la nappe : h 1 ψ p = p e = ρ g h 1 > 0 17

18 Expression du potentiel total sous forme d une énergie par unité de : quantité de matière: ψ = ψ p + ψ z [J mol -1 ] volume: ψ = ρ g h + ρ g z [J m 3 ] [Pa] masse: ψ = g h + g z [J/kg] poids: ψ = h + z [J/N] [m] 18

19 Notion de charge hydraulique H Potentiel de gravité // charge de gravité Potentiel de pression // charge de pression: hydrostatique matricielle z h Potentiel total // charge hydraulique totale H 19

20 2- Écoulement de l eau dans un milieu poreux Sens des écoulements Z, altitude Z, altitude 150 cm 100 cm Zone plus humide 50 cm 0 H, charge hydraulique 50 cm 150 cm 100 cm Zone plus sèche 50 cm 0 H, charge hydraulique 50 cm Zone plus sèche Direction des écoulements 100 cm 150 cm Direction des écoulements Zone plus humide 100 cm 150 cm 20

21 Ecoulement selon grad H 21

22 Ecoulement en milieu saturé Loi de Darcy (1856) Η Q H = S K s [ m s L 3 1 ] avec Ks la conductivité hydraulique à saturation du milieu [L/T] souvent exprimée en densité de flux ou vitesse de filtration: q Q H = = K s [ ms S L 22 1 ]

23 La conductivité hydraulique à saturation Ordres de grandeurs Ks (m /s) m/j 10 m/j 1 m/j 0.1 m/j Perméabilité Perméable Semi-perméable Imperméable Type de sol Gravier sans sable ni éléments fins Sable avec gravier Sable grossier à sable fin Sable très fin Limons grossiers à limons argileux Argile limoneuse à argile homogène D après Musy et Soutter, 1991! Ks varie aussi et surtout avec la structure (compaction, labour, battance) Roches fissurées Calcaires et roches solubles 23

24 Notion de perméabilité intrinsèque, k K s = k ρ g µ Ks dépend du milieu (k) et du fluide (ρ/µ) k dépend de la texture et de la STRUCTURE qui influent sur les vitesses porales et les trajectoires (tortuosité)! µ varie avec la température 24

25 3- Les différents types d aquifères Définitions Aquifère: milieu poreux totalement saturé en eau (contenant+contenu) Nappe: ensemble du volume d eau compris dans la partie saturée d un aquifère 2 types de nappe Nappe à surface libre Nappe captive 2 types de porosité interstitielle fissures et fractures Figure: Schéma d une nappe captive. D après Champoux et Toutant,

26 Nappes libres Nappe de vallée: climats tempérés, sols à surface perméable, ex des nappes sur socle (massif armoricain) ex de la nappe de la craie (Nord de la France) Figure: D après De Marsilly (1986). Hydrogéologie quantitative 26

27 ! L échelle verticale était exagérée (*100) dans le schéma précédent! En réalité: Équipotentielles quasi verticales Lignes de courant quasi horizontales Figure: D après De Marsilly (1986). Hydrogéologie quantitative 27

28 pg2 pg3 pg4 pg5 pg6 Deux caractéristiques majeures: faible profondeur en général fluctuations de la surface libre rivière nappe Figure: Donnée du bassin versant de Naizin. Source UMR SAS. 28

29 Nappe de vallée: cas particulier en pays aride faible infiltration ruissellement de surface temporairement important formation de rivières temporaires, principale source d alimentation des nappes Figure: D après De Marsilly (1986). Hydrogéologie quantitative 29

30 Nappe alluviale: localisée dans les alluvions/colluvions le long d un cours d eau Equilibre avec le niveau de la rivière: Épaisseur et perméabilité variable: 100 m 30

31 Entrée de la plaine: la rivière alimente la nappe, les équipotentielles sont serrées, l écoulement est rapide Plaine: écoulement lent, rivière et nappe à l équilibre Sortie de la plaine: la nappe aliment la rivière (zone humide) Figure: D après De Marsilly (1986). Hydrogéologie quantitative 31

32 Nappes captives Forage: l eau remonte au dessus du plancher supérieur sous l effet de la pression. Nappe artésienne: l eau remonte au dessus de la surface topographique 32

33 ! Une nappe libre présente une surface piézométrique qui coincide avec la surface de la nappe Nappes superposées Figure: D après De Marsilly (1986). Hydrogéologie quantitative 33

34 Milieux fissurés fracturés Figure: Schéma d un aquifère fissuré fracturé 34

35 Milieux karstiques Figure: Représentation d un karst (Source: BRGM). Figure: Presses Univ. de Franche Comté). 35

36 Processus de karstification CaCO3 + CO2 +H2O = Ca(HCO 3 ) 2 Si la roche ne contient pas 65% de calcite au minimum, le processus de karstification ne se produit pas Capacité de dissoudre la calcite dépend de la teneur en CO2 de l eau: Température: plus elle est basse, plus l'eau peut contenir de CO2: régions polaires ou de haute montagne. Végétation: un sous-sol contenant beaucoup de matière organique dégage du CO2: milieux forestiers. Force ionique de l'eau: plus elle augmente, plus l'eau peut contenir de CO2: milieux marins. 36

37 Le karst du Vercors Plusieurs épisodes de karstification Fin crétacé inférieur Fin crétacé supérieur Tertiaire Quaternaire (pas la plus intense) 2 localisations principales dans le Vercors Urgonien: grandes salles et galeries Calcaires à silex du sénonien supérieur (fissures surtout verticales, chenaux étroits) Peu de communication entre les 2 systèmes: Lauzes du sénonien inférieur = imperméable sauf dans le cas de faille recoupant l ensemble de la série 37

38 Les eaux de Sassenage ont 3 origines: 38

39 BV topographique BV hydrogéologique Figure: Distinction entre BV réel et BV topographique (Doc. M. Lelay) Figure: Exemple de modifications de la délimitation du BV suite à des modifications anthropiques (D après A. Musy, le BV et son complexe). 39

40 BV topographique BV hydrogéologique Exemple du Vercors 40

41 Localisation des différentes nappes régions montagneuses: nappes rares et fragmentaires dues au morcellement des réservoirs régions de plateau sédimentaire calcaire: Jura, Vaucluse, Grands Causse karst-circulation plus proche d un système de drainage par rivière souterraines bassin sédimentaires: Parisien km², Aquitain km² alternance de roche perméable et peu perméable, nappe libre puis succession de nappe captive plaine alluviale: présent le long des cours d eau, région sur socle: 1/3 France Massif Central, Bretagne, Vosges, Ardennes, granites, schistes, réserve en eau superficielle dans l arène, essais de pompage dans les zones de fracturation 41

42 42

43 Prélèvement des eaux souterraines en France Grandes nappes libres 4,4 millions de m3 par jour Nappes captives 2,7 Nappes alluviales 6 Figure: D après Roux 43

44 Quels temps de transfert? Types d'aquifères vitesses calculées (m/an) vitesses par traceurs (m/an) temps de séjours (an/km) Sables verts du Bassin de Paris Continental Intercalaire (Sahara) Alluvions du Rhin Alluvions du Rhône Aquifère karstique 10 à 100 m /heure 44