L eau souterraine, une ressource vitale et méconnue! Philippe Renard! Université de Neuchâtel! Centre l Hydrogéologie et de Géothermie!
La perception des eaux souterraines! Saint-Léonard! http://www.lac-souterrain.com Rivière souterraine! Veines d eau! http://www.2000neu.ch
Plan de l exposé! 1. Le cycle de l eau! 2. Les eaux souterraines! 3. Quelques thèmes de recherche! 4. Conclusion!
1. Le cycle de l eau Histoire de l hydrologie, Cycle de l eau et son observation, Exploitation des eaux à l échelle globale
Qu est-ce que l hydrogéologie?! Hydrologie Science des eaux de surface Occurrence, mouvement sur Terre, dans les Océans et dans l Atmosphère! Hydrogéologie Science des eaux souterraines Occurrence, mouvement dans le sous-sol!
Cycle de l eau Per descendum! Source d Almyros, Crète Sources Rivières Mer Platon Théorie acceptée! 17ème siècle
Bernard Palissy! Première explication correcte du cycle de l eau! 1580
Pierre Perrault! Mesure précipitations pendant 3 ans à Paris! Estime le débit de la Seine! Montre que précipitation x surface du bassin versant = 6 fois le débit! Conclusion : Ce sont les pluies qui alimentent le cycle de l eau! 1674
Cycle de l eau Per ascensum! Précipitation Rivières Sources Evaporation Mer
L explication se précise! Meilleure précision des expériences, plus grand bassin versant! Indique que les infiltrations d eau de pluie se déplacent dans le sous-sol pour alimenter les sources! Edme Mariotte (1620-1694) 1693: Démontre que l évaporation des océans est suffisante pour alimenter les pluies continentales! Edmund Halley (1656-1741)
Bassin versant = BV! Limite de partage des eaux! Bassin versant de la rivière B! Bassin versant de la rivière A! Définition : Le bassin versant d une rivière est l aire qui est entièrement drainée par la rivière. Les limites du bassin versant sont des lignes de partage des eaux.! Remarque : On peut définir les BV à différentes échelles : on parle de bassin versant emboités.!
BV du Canton de Neuchâtel! SCAN kiraly ecoulements Stettler et Aragno, 2012!
Principaux BV de Suisse! Mer du Nord! Aare! Rhin! Limmat! Reuss! Méditerranée! Rhône! Doubs! Adriatique! Adige! Adda! Ticino! Mer Noire! Inn! km! Superficie 41 300 km 2! Atlas Hydrologique Suisse!
Equation de bilan hydrologique pour un BV! ET! P! P = ET + Q + ΔS! Etablie pour une année sur un BV! Q! an]! ET = Evapo-Transpiration [mm/ an]! P = précipitation [mm/ Evaporation physique du sol ou de la surface d eau plus transpiration des végétaux! Q = Débit sortant [mm/an]!écoulement de surface + souterrain! ΔS = Variation de stock [mm/an]!en moyenne 0 si équilibre!
Mesure des précipitations! Pluviomètre [mm/jour]! 500 stations en Suisse! Somme des précipitations par mois, par an! Pluviomètre! à auget basculant!
Précipitations annuelles moyennes [mm/an] à Neuchâtel! Stetler et Aragno 2012 Les précipitations varient en fonction de l altitude,! de l orientation des versants, etc..!
Mesure de l évaporation! évaporemètre Bac standardisé d évaporation Attention : Il faut aussi considérer l évapo-transpiration à beaucoup plus difficile à mesurer directement!
Mesure de débit ponctuel par jaugeage au moulinet! Moulinet : Instrument servant à mesurer la vitesse de l eau en un point, par la rotation d une hélice! débit = vitesse moyenne section!
Mesure du débit en continu par jaugeage sur déversoir! Déversoir = seuil: dispositif au dessus duquel l eau s écoule de manière contrôlée. Le déversoir étant calibré, on peut obtenir directement et continuellement la valeur de débit à partir de la hauteur d eau facile à mesurer en continu.! Déversoir dans une source! et seuil dans une rivière!
Bilan du Canton de Neuchâtel! P = 1400 mm/an! ET = 480 mm/an! Q = 920 mm/ an! Superficie du Canton = 802 km 2!
Consommation à Neuchâtel! Consommation Neuchâtel 2011 : 230 l / hab. / jour x 172 000 hab. x 365 jours = 14 Mio m 3 / an! Débit de ruissellement : 0.920 m / an x 802 Mio m 2 = 737 Mio m 3 / an! Stettler et Aragno, 2012!
Empreinte écologique sur l eau! L empreinte d un individu, d une communauté, d une entreprise! C est le volume total d eau douce utilisée! Pour produire les biens et services qui sont soit consommés soit produits! http://www.waterfootprint.org!
Empreinte sur l eau! m 3 / hab. / an % importé Moyenne mondiale 1385 Suisse 1528 85 Congo 552 2.9 Bolivia 3468 9.4 Canton de Neuchâtel : 1528 m 3 / hab. / an x 172 000 hab. = 262 Mio m 3 /an! Débit de ruissellement = 737 Mio m 3 / an!
Cycle de l eau : les flux annuels! Flux annuel moyen en milliers de km 3 /an Grotzinger and Jordan, 2011!
Milliers de! km 3 / an! Prélèvement mondial d eau! Estimation maximum eau exploitable = 6-8000 km 3 3! 2! Agriculture! 1! 0! 1900! 1920! Industrie! Municipalités! 1940! 1960! 1980! 2000! Margat et Tiercellin, 1998! Prélèvement en augmentation constante Agriculture = consommateur dominant
Consommation mondiale par secteur d activité! Toutes ressources confondues:! Agriculture: 2880 km 3 / année! Industrie: 975 km 3 / année! Collectivités: 300 km 3 / année! Perte dans les réservoirs: 275 km 3 / année! Postel et al., 1996!
Disponibilité de l eau au niveau mondial! Flux : m 3 /an! > 1000! 100-1000! 10-100! < 10! Fortes inégalités dans la répartition mondiale des ressources en eau
Prélèvement d eau douce par secteur économique! Ressources mondiales 2000-2001, World Resources Institute!
Prélèvement d eau douce par secteur économique! Ressources mondiales 2000-2001, World Resources Institute!
Consommation eau potable en Suisse! km 3 / an! Millions! d habitants! 1.4! 7! 1.2! 6! 1.0! 0.8! 0.6! Population! Lac! Forage / puits! 5! 4! 3! 0.4! 0.2! Consommation d eau! Eau de sources! 2! 1! 1910! 1930! 1950! 1970! 1990! 80 % = Eau souterraine
2. Les eaux souterraines Porosité, Recharge, Réserves, Perméabilité, Temps de séjour
Rapport du volume des vides dans un échantillon sur le volume de l échantillon.! Nombre sans dimension! S exprime soit en % soit un rapport entre 0 et 1! Valeurs usuelles entre 1 à 30 %! Porosité! n = V V vide total Becher! Gravier! Espace vide = pore! Pore saturé en eau!
Porosité primaire = espace inter-granulaire! Porosité secondaire = postérieure à la formation de la roche :! Fracturation! Dissolution!
Ruissellement! Pendant une pluie! Une partie de l eau s accumule sur le sol et ruisselle! Forme des petits ruisseaux! Coule vers les points bas! Vont dans les rivières! Harrel, 2013!
Infiltration / recharge! Une partie de l eau s infiltre dans les espaces vides du sol et des roches (les pores). Le débit qui atteint la nappe est appelé recharge. OFEFP, 2003!
L eau s infiltre et remplit l espace poreux des roches et des sédiments et s écoule lentement dans le sous-sol. En profondeur, les formations géologiques sont des réservoirs d eau. OFEFP, 2003!
Eau souterraine! Toute eau présente dans le sous-sol! Zone saturée : Zone du sous-sol dans laquelle l eau occupe complètement les pores des roches! Zone non saturée : Zone du sous-sol dans laquelle l eau occupe partiellement les pores ; entre la surface du sol et la zone saturée ;!
Zone saturée et nappe phréatique! Eau + air occupent les pores! Zone non-saturée! Niveau piézométrique! = altitude de la limite! Zone saturée! Eau remplit tous les pores!
Evaluation des réserves! Volume d eau contenu dans le sous-sol! n = V V vide total V = eau nv total
Le cycle de l eau : les stocks! Glaces Aquifères 2.97 % 4.34 10 7 km 3 1.05 % 1.54 10 7 km 3 95.96 % 1.40 10 9 km 3 Lacs et rivières Atmosphère 0.009 % 0.001 % 1.27 10 5 km 3 1.5 10 4 km 3 Océans 0.0001 % 2 10 3 km 3 Biosphère
Ecoulement eau souterraine! L eau s écoule sous l effet de la gravité! Zone non saturée : infiltration essentiellement verticale! Zone saturée : vers les zones de faibles altitudes et pressions! Zones d exutoire! Marshak, 2010!
(1803-1858) Henry Darcy (1856)!
Concept de perméabilité! Ecoulement possible si les pores sont connectés! Une forte perméabilité permet un écoulement rapide, une faible perméabilité l empêche.! Marshak, 2010!
Le dispositif expérimental! (Darcy + Ritter)! Q = débit de filtration " A = surface de la section du filtre " ΔH = différence de niveau d eau " Δl = distance entre les mesures " Darcy, 1856!
Résultat expérimental: loi de Darcy! Q A = K Δh Δl K est la conductivité! Hydraulique du matériau! Unité : m/s! Permet de calculer vitesse d écoulement de l eau!
Aquifères et Aquitards! Aquifère = Formation géologique qui contient de l eau et qui la transmet aisément! Aquitard = ne laisse pas passer l eau facilement! Marshak, 2010!
Essai de traçage Perte du voisinage Ponts de Martel Source Noiraigue
Photo: P. Renard / CHYN! Source de la Noiraigue!
Perte du Voisinage Perte de la Roche Berthoud Coupe sismique Date d injection du traceur 6 jours Source
Estimation des temps de séjour! Réservoir Proportion Volume Temps de séjour Océans et mer 96 % 4000 ans Glaciers 3 % 1600 9700 ans Eau souterraine 1 % 1 semaine 10 000 ans Lacs 0.01 % 10 ans Rivières 0.001 % 2 semaines Atmosphère 0.001 % 8 jours Organismes vivants 0.0001 % heures 1 semaine de Marsily, 2000
3. Quelques thèmes de recherche
Comprendre Rôle des eaux souterraines dans l asséchement de la Mer d Aral?!
Comment se sont formés les conduits?! Tulum, Mexico!
Est-ce que la contamination va atteindre l AEP?! Kölliken
Comment rendre l exploitation de la nappe durable? CAP BON (TUNISIE)
Un système naturel surexploité En 2002, plus de 9000 puits qui extraient 54 10 6 m 3 /an Intrusion d eau salée dans l aquifère
Méthode de l hydrogéologie quantitative! Observation et mesure sur le terrain! Sélection d un modèle physique (EDPs)! Conservation de la masse, loi de Darcy, etc.! Caractérisation du milieu:! Identification de la géometrie du système (3D)! Identification des valeurs des paramètres! Identification des conditions initiales et limites! Résolution des équations pour prévision!
Exemple du Cap Bon! Mesures terrain Prévision stochastique Modèle numérique Kerrou et al. (2013) Hydrogeology Journal
Modèle géométrique 3D du sous- sol
Exemple: Site de Columbus, USA! K varie fortement " Bianchi et al. (2011) Water Resources Research
Impact hétérogénéité! Panache de Bromide 503 jours après injection" Zheng et al (2011)
Kölliken Investigations très détaillées 170 forages de 5 à 50 m
Problème de la caractérisation! Volume à caractériser" Volume échantillonné" Volume échantillonné par forages : 6700 x 0.01 x π = 200 m 3! Volume à caractériser : 850 x 400 x 70 = 24 millions m 3!
Compréhension de l hétérogénéité! Imagerie Lidar" Ground Penetrating Radar" Modèle d hétérogénéité"
4. Conclusion
Toute l eau Eau souterraine + Lac + Rivières Lac + Rivières ga.water.usgs.gov
Une ressource importante! L eau souterraine constitue le plus grand stock d eau douce accessible sur terre! En général l eau souterraine n est pas dans des rivières souterraines ou des veines d eau mais dans les pores des roches! L eau dans les aquifères coule en permanence des zones de recharge vers les exutoires! L écoulement dans les nappes est lent! A l équilibre débit de recharge = débit à l exutoire! Si on exploite, on change l équilibre du système!
Une ressource stratégique! Suisse : eau potable 70-80 % souterraine! Pays arides : eau de surface non disponible toute l année! Plus difficile à exploiter que l eau de surface! Mais meilleure qualité! Mieux protégée vis à vis des pollutions! Disponibilité en saison sèche!
Thèmes de recherches! Ressources, Génie civil, Pollution, Energie! Méthodes d évaluation des incertitudes pour décider en connaissant les risques! Modèles permettant d intégrer données et connaissances existantes! Effets des changements climatiques! Croissance démographique!!
Pour en savoir plus! Margat, J. et J. R. Tiercelin, 1998, L eau en questions, Editions Romillat, Paris! de Marsily, G., 2000, L eau, Dominos, Flammarion! de Marsily, G., 2009, L eau, un trésor en partage, Dunod! Létolle, R. et M. Mainguet, 1993, Aral, Springer-Verlag! Postel, S., G.C. Daily, P. R. Ehrlich, 1996, Human appropriation of renewable fresh water, Science, Vol. 271, Février1996, pp. 785-788! Rocard, Y., 1989, La science et les sourciers, Dunod" Stettler, R. et Aragno O., 2012, L eau dans le canton de Neuchâtel, Bulletin de la Société Neuchâteloise des sciences naturelles, tome 132, p. 73-190" "