- Hydrogéologie - L3 Pro CTH cedric.legout@ujf-grenoble.fr 1
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Bilan d eau en km 3 en France 3 Figure: D après Roux
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 1700 900 1700 4300 industries 3500 0 2000 5500 Centrales thermiques 12000 0 0 12000 agriculture 4100 0 1100 5200 total 21300 900 4800 27000 Figure: D après SVT, 2 nde, Hachette, 1997 4
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
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
milieu triphasique Va Ma Gaz (air) Ve Vv Vt Ml Me Liquide (eau) Vs Ms Solide 7
Distribution granulométrique: Courbes mono et poly dispersées, mono et mutli modes Comment les obtenir? v = 2r 2 e g( ρs ρ ) 9µ 8
Figure: D après Udden (1914) et Wentworth (1922) 9
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
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 3 40-60 % Sables fins. 0,4-0,5 m 3 /m 3 40-50 % Sables moyens. 0,35-0,4 m 3 /m 3 35-40 % Sables grossiers. 0,25-0,35 m 3 /m 3 25-35 % graviers. 0,2-0,3 m 3 /m 3 20-30 % 11
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
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
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
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
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
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
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
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
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
Ecoulement selon grad H 21
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 ]
La conductivité hydraulique à saturation Ordres de grandeurs Ks (m /s) 10-1 10-2 10-3 10-4 10-5 10-6 10-7 10-8 10-9 10-10 10-11 100 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
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
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, 1988. 25
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
! 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
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
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
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
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
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
! 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
Milieux fissurés fracturés Figure: Schéma d un aquifère fissuré fracturé 34
Milieux karstiques Figure: Représentation d un karst (Source: BRGM). Figure: Presses Univ. de Franche Comté). 35
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
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
Les eaux de Sassenage ont 3 origines: 38
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
BV topographique BV hydrogéologique Exemple du Vercors 40
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 150 000 km², Aquitain 50 000 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
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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
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 3 250-300 Continental Intercalaire (Sahara) 2-3 4 300-500 Alluvions du Rhin 1700 100-2000 0.5-1 Alluvions du Rhône 1800 0.5 Aquifère karstique 10 à 100 m /heure 44