Partie 2. Quelques notions d Hydrogéologie Générale. Hydrogéologie : discipline qui a pour objet l étude de l eau souterraine

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1 Partie 2. Quelques notions d Hydrogéologie Générale Hydrogéologie : discipline qui a pour objet l étude de l eau souterraine 23

2 précipitations ruissellement infiltration évaporation Pluie = E + R + I Alimentation du réservoir «eau souterraine» Eau dans les - roches poreuses - roches fissurées - roches karstiques 24

3 2.1. L eau dans les les roches :: notion de de porosité des roches 2.2. L eau dans les les roches :: notion de de perméabilité des roches 2.3. Energie et et écoulement de de l l eau dans les les roches 2.4. Aquifères et et nappes d eau souterraine 2.5. Emmagasinement des aquifères 2.6. Bilan hydrique d un aquifère 2.7. Les sources 2.8. Catégories d eau souterraine à boire 25

4 L eau dans les roches Notion d aquifère Notion de nappe d eau souterraine Nappe : contenu en eau mobile de l aquifère 26

5 2.1. L eau dans les roches Notion de porosité des roches Capacité de stockage des roches 27

6 Aquifère à porosité d interstices Roche meuble (graviers, sables) 28

7 Aquifère à porosité de fissures 29

8 Aquifère granitique granite massif Ag: arène granitique (altération du granite; sable grossier argileux); Gm: granite massif non fracturé ; Gf: granite fissuré ; Gdf: granite décompressé et fissuré ; Gfr: granite fracturé ; F : forage ; P : puits. 30 Doc APGB

9 Roche basaltique massive et et fracturée 31

10 Aquifères à porosité de fissures et de Aquifère à porosité de chenaux chenaux = aquifères karstiques Rivière souterraine fissures grotte chenaux 32

11 1 2 Formation de l aquifère karstique U_Laval 3 33

12 34

13 Porosité d'une roche = volume des volume de la vides roche Roche Nombre de litres d eau contenus dans un m 3 saturé de roche Porosité totale de la roche (%) Sables et graviers 200 à 400 litres 20 à 40 % Sables fins 300 à 350 litres 30 à 35 % Grès 50 à 250 litres 5 à 25 % Craie 100 à 400 litres 10 à 40 % Calcaire massif fissuré 10 à 100 litres 1 à 10 % Argiles 400 à 600 litres 40 à 60 % Schistes 10 à 100 litres 1 à10 % Granite fissuré 1 à 50 litres 0,1 à 5 % 35

14 Porosité totale et et porosité efficace des roches Vv : volume d'eau nécessaire pour saturer 1000 l de sable sec 1 m sable sec (Vt = 1000 l) sable saturé sable désaturé 1 m VL : volume d'eau s'égouttant du sable 36

15 Porosité totale et et porosité efficace des roches Vt : volume total de sable (phase solide + vides) Vv : volume d eau nécessaire pour saturer le sable (=volume des vides de la roche) VL : volume d eau récupéré par désaturation du sable VL < Vv différents types d eau dans une roche 37

16 A. A. État du du sable à saturation d'eau B. État du sable après écoulement libre de l'eau A B 38

17 Différents types d eau dans une roche Eau gravitaire = eau libre eau pouvant s écouler librement sous l effet de la gravité Eau liée = eau pelliculaire + eau adsorbée eau ne pouvant pas s écouler librement dans la roche 39

18 Porosité totale et et porosité efficace des roches porosité totale d une roche (nt) = volume des vides de la roche (Vv) / volume total de la roche (Vt) porosité efficace d une roche (ne) = volume d eau libre mobile dans la roche (VL) / volume total de la roche (Vt) 40

19 Roche Porosité totale de la roche (%) Porosité effective de la roche (%) Sables et graviers 20 à 40 % 15 à 25 % Porosité totale et et porosité efficace des roches Sables fins 30 à 35 % 10 à 15% Grès 5 à 25 % 2 à 15 % Craie 10 à 40 % 1 à 5 % Calcaire massif fissuré 1 à 10 % 1 à 5 % Argiles 40 à 60 % 1 à 2 % Schistes 1 à10 % 0.1 à 0.2 % Granite fissuré 0,1 à 5 % 0,1 à 0.2 % 41

20 2.2 L eau dans les roches. Notion de perméabilité des roches Capacité de conduction des roches 42

21 L Roche considérée : sables 43

22 L Roche considérée : graviers 44

23 L Q graviers > Q sables L 45

24 Q graviers > Q sables K graviers > K sables Perméabilité : aptitude des roches à se laisser traverser par l eau K (m/s) : coefficient de perméabilité des roches (ou conductivité hydraulique) 46

25 Perméabilité des roches Roches meubles Argiles Sables argileux Sables fins et limons Arènes granitiques Sables, graviers K(m/s) Roches massives fissurées Granites Roches cristallines Craie Schistes Calcaires, dolomies, grès, conglomérats K(m/s) Très peu perméable Peu perméable Perméable Très perméable 47

26 roches perméables en petit : roches meubles (sables, graviers, cailloutis, sédiments volcaniques...) perméables dans toute leur masse du fait de la présence de tout un réseau de pores plus ou moins interconnectés roches perméables en grand : roches fissurées et/ou fracturées, pratiquement imperméables à l'échelle de l'échantillon. Dans le cas des roches carbonatées s'y ajoute une dissolution qui agrandie les fractures et donne un relief caractéristique: le relief karstique 48

27 2.3. Energie et et écoulement de l eau souterraine. Loi de DARCY Q = S K i H Q i = gradient hydraulique = «Moteur de l écoulement»=(- H/L) K = conductivité hydraulique (m/s) S = section du tube = section de l écoulement (m²) Q = débit transitant dans la roche placée dans le tube (m 3 /s) Henri DARCY ( ) découvre cette loi en 1856 en travaillant sur les fontaines de la ville de Dijon. Le 150éme anniversaire de la découverte de la loi de Darcy a été célébré à Dijon en juin

28 2.4. Aquifères et nappes d eau souterraine 50

29 L aquifère Aquifère: formation géologique (réservoir) poreuse ou fracturée susceptible de contenir ou contenant une nappe d'eau.. En fait, le terme désignait habituellement non seulement la roche mais aussi l'eau. Pour éviter toute confusion on préfère actuellement n'employer ce terme que pour désigner la roche 51

30 La nappe d eau souterraine Nappe d'eau souterraine : masse d'eau continue et mobile contenue dans une formation géologique. Le terme «nappe aquifère» est ambigu car il désigne à la fois la masse d'eau et la roche réservoir. Nappe phréatique: nappe peu profonde (atteinte par les puits de particuliers: 0 à 50m). Nappe de subsurface :50 à 100 m de profondeur Nappe profonde : (au delà de 100 m). 52

31 Les types de nappe d eau souterraine Nappe libre Nappe captive 53

32 surface libre ou surface piézométrique de la nappe Aquifère à nappe libre = roche perméable I I NAPPE LIBRE I Sol Nappe libre = l eau souterraine est en contact direct avec l atmosphère Zone non saturée (roche + eau + air) Zone saturée = NAPPE SOUTERRAINE Roche imperméable substratum imperméable (G.Porel) 54

33 La nappe libre surface piézométrique au repos surface piézométrique en pompage captage zone non saturée nappe Aquifère substratum imperméable 55

34 Surface piézométrique et et écoulement des nappes libres 56

35 Sonde piézométrique 57 Doc BRGM

36 Points d observation : puits, forage, piézomètre Sens d écoulement de l eau Réalisation d une carte piézométrique 105 m 100 m 95 m 90 m 85 m 80 m 94 m? 92 m G.Porel Deux points d observation ne suffisent pas pour déterminer correctement le sens d écoulement 58

37 La nappe captive Surface piézométrique (fictive) aquifère à nappe captive H1 H2 roches imperméables Niveau de référence (niveau zéro) 59

38 La partie de l'aquifère la plus à gauche (aire d'alimentation) contient une nappe phréatique (libre) atteinte par le puits P. La surface piézomètrique de la nappe libre SPnl, lorsque l'aquifère est rempli, est représentée par le trait bleu. La partie de l'aquifère qui contient une nappe captive est à droite. Les forages F1 et F2 atteignent la nappe et l'eau y monte jusqu'à la surface piézomètrique SP2 lorsque l'aquifère est plein, alors qu'elle atteint par exemple la surface SP3 (, trait pointillé) lorsque l'aquifère est peu rempli. Le forage F2 est un forage artésien dans la mesure où l'eau peut s'écouler naturellement au-dessus du niveau du sol. 60

39 Nappe captive artésienne 61

40 Nappe libre Forte variation du niveau piézométrique suite aux précipitations Nappe captive Faible variation du niveau piézométrique suite aux précipitations 62

41 Différence nappe libre / nappe captive Nappe libre Contact direct avec l atmosphère Recharge (alimentation) rapide Pas de protection naturelle face aux pollutions de surface Nappe captive Pas de contact direct avec l atmosphère Recharge (alimentation) lente Protection naturelle face aux pollutions Eau généralement fortement minéralisée (non potable?) 63

42 Les nappes alluviales et les relations nappe-rivière U_Picardie 64

43 Rivière alimentée par la la nappe (Margat & Bodelle) 65

44 Relations nappe-rivière Inversion des relations par pompage dans la la nappe 66

45 Exemple d étude hydrogéologique :: la la nappe alluviale de de l Orb 67

46 Piézométrie de de la la nappe alluviale de de l l Orb et et interprétation des relations nappe-rivière 68

47 2.5. Emmagasinement des aquifères Aquifère à nappe libre Substratum imperméable toit imperméable Aquifère à nappe captive Substratum imperméable 69

48 Coefficient d emmagasinement des aquifères Aquifère à nappe libre : Coefficient d emmagasinement (S) = porosité efficace (ne) Aquifère à nappe captive : Coefficient d emmagasinement (S) << porosité efficace (ne) aquifère sableux nappe libre nappe captive porosité efficace coefficient d'emmagasinement 25 % 25% 25% 0.1 % 70

49 Vitesses d écoulement de de l eau l eau souterraine Milieu poreux 1 an 3 mètres/jour Milieu fissuré 3 à 6 mois 1 km 6 à 12 mètres/jour Milieu karstique 80 à 2500 mètres/jour 1 à 30 heures 71

50 2.6. Bilan en eau d un aquifère Les termes du bilan : P: précipitations brutes PE : précipitations efficaces ETR : évapotranspiration QS : ruissellement de surface IE : infiltration efficace QW : écoulement souterrain QT : écoulement total U_Picardie 72

51 Bilan et et écoulements à l échelle d un bassin versant E Lignes de crêtes P I Qs Qw QT (Musy, EPFL) 73

52 Infiltration efficace = Recharge des nappes Réserve utile du sol Infiltration efficace 74

53 Mesure des précipitations Un pluviomètre se compose d'une bague à arête chanfreinée, l'orifice qui surmonte un entonnoir conduisant au récepteur (seau). La quantité d'eau recueillie est mesurée à l'aide d'une éprouvette graduée. 75 Musy, EPFL

54 Les pertes par Evapotranspiration 76

55 L évapotranspiration 77

56 L infiltration 78 (Musy, EPFL)

57 Bilan d un aquifère Bilan hydrique du bassin de l'hallue (affluent de la rivière Somme) Superficie: 219 km² Précipitation annuelle :740 mm ETR annuelle: 502 mm Ruissellement :18 mm Infiltration à la nappe : 220 mm 79 U_Picardie

58 Réserves d un aquifère 80

59 2.7. Les sources (ou résurgences) Réapparition à la surface du sol des eaux souterraines 81

60 Source de déversement Source de débordement Source de trop-plein Source de dépression 82

61 83

62 2.8. Catégories d eau souterraine à boire Eaux du robinet (adduction publique) Eaux de source Eaux minérales En France, les eaux minérales naturelles et les eaux de source sont définies par le Décret relatif aux eaux minérales naturelles et aux eaux potables préemballées, amendé par le Décret Ces décrets transposent en droit français la Directive Européenne 80/777/CEE, amendée par la Directive 96/70/CE qui harmonisent les critères appliqués à l'eau à travers l'union Européenne. 84

63 Eaux du robinet (eaux souterraines d adduction publique) Eaux issues d'une source ou d'un puits foré Elles doivent répondre aux normes de potabilité (63 paramètres) des eaux de boisson et peuvent être traitées chimiquement (ex : chloration). 85

64 Eaux de source eaux issues d'une source ou d'un puits foré, protégés contre la pollution. Elles ne peuvent subir aucun traitement avant d'être mises en bouteille, sauf certaines eaux gazeuses auxquelles on a ajouté du gaz carbonique. L'eau de source doit être conforme aux normes de l'eau potable, n'a pas d'obligation d'avoir une composition minérale constante et caractéristique. 86

65 Eaux minérales Les eaux minérales naturelles proviennent de nappes souterraines protégées des pollutions. Deux grandes différences avec les eaux de sources : leurs caractéristiques (composition et goût) ne peuvent pas varier dans le temps; elles contiennent davantage de sels minéraux, ce qui leur donne dans certains cas des propriétés médicinales. Elles ne peuvent subir aucun traitement. Certaines sont naturellement gazeuses. Elles ne doivent pas nécessairement respecter tous les critères de potabilité de l'eau de distribution mais l'appellation "eau minérale naturelle" ne leur est accordée par le ministère de la Santé publique que sur la base d'un dossier complet. 87

66 Eaux thermominérales 88