Introduction à l hydrogéologie

Introduction à l hydrogéologie Lpro RQEE, 2013 2014 I Introduction, cycle de l eau II De l eau dans les roches III Les différentes unité hydrogéologiques IV Exploitation des nappes V Géochimie de Eaux souterraines Danièle Valdés Lao

1 INTRODUCTION 1,9 % < 0,001 % < 0,01 % 0,6 % 97,4 %

Le cycle de l eau

Le cycle de l eau Précipitations Evapotranspiration et interception Précipitations Evaporation

La répartition des eaux sur Terre Fraction des Réservoir réserves totales [%] Eaux océaniques 96,5379 Fraction des réserves d'eau douces [%] Eaux souterraines totales 1,6883 Nappes d'eau douce 0,7597 30,0606 Eau du sol 0,0012 0,0471 Glaciers et couverture neigeuse permanente 1,7362 68,6972 Antarctique 1,5585 61,6628 Groenland 0,1688 6,6801 Arctique 0,006 0,2384 Régions montagneuses 0,0029 0,1159 Permafrost 0,0216 0,8564 Réservoir Temps de renouvellement Temps de renouvellement (Jacques, 1996) (Gleick, 1993) Océans 2500 ans 3100 ans Calottes glaciaires 1000 10'000 ans 16000 ans Eaux souterraines 1500 ans 300 ans Eaux du sol 1 an 280 jours Lacs 10 20 ans 1 100 ans (eaux douces) 10 1000 ans (eaux salées) Cours d'eau 10 20 jours 12 20 jours Eau atmosphérique 8 jours 9 jours Biosphère Quelques heures Réserves d'eau dans les lacs 0,0127 Douces 0,0066 0,2598 Salées 0,0062 Marais 0,0008 0,0327 Rivières 0,0002 0,0061 Eau biologique 0,0001 0,0032 Eau atmosphérique 0,0009 0,0368 Réserves totales 100 Réserves d'eau douce 2,53 100

Bilan hydrique P: précipitations (liquide et solide) [mm], S: ressources (accumulation) de la période précédente (eaux souterraines, humidité du sol, neige, glace) [mm], R: ruissellement de surface et écoulements souterrains [mm], E: évaporation (y compris évapotranspiration) [mm], S + DS : ressources accumulées à la fin de la période [mm]. Autre écriture, à l échelle d un bassin versant, dans un laps de temps donné P = Q + ETR + ΔR (u+h) P= Précipitations (qui entre sur le BV) Q= écoulements (qui sort du BV) ETR= évapotranspiration (qui sort du BV) DR= variations des réserves Ru (sol) ou Rh (sous sol) (qui entre ou sort du BV)

Bilan hydrique Exemple de Rennes (moyennes calculées sur 20 ans à Rennes) P: précipitations; E: évapotranspiration ; I: infiltration Période 1 Période 2 Période 3 Période 4

Bilan hydrique Exemple de Rennes (moyennes calculées sur 20 ans à Rennes) P: précipitations; E: évapotranspiration ; I: infiltration 2 et 3: mise en charge des nappes par infiltration 4 et 1: utilisation des ressources en eau du sol puis déficit hydrique en surface

2 DE L EAU DANS LES ROCHES Facteurs lithologiques alluvions

2 DE L EAU DANS LES ROCHES Facteurs lithologiques calcaire granite

2 types de milieu hydrogéologique Milieux d interstices milieu poreux uniquement interstices : sables, alluvions interstices et fissures : grès Milieux fissurés roches cristallines et de socle (granites, gneiss, schistes) roches carbonatées (calcaires, dolomies) milieux karstiques

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

Application : mesures de porosité 1) On dispose d un échantillon de sable albien du Bassin Parisien L échantillon cubique de 10cm de côté préalablement séché. Après avoir introduit 280cm 3 de mercure, l échantillon est saturé. Quelle est sa porosité? n t = 0.28 ou 28 % 2) Quelle est la quantité d eau (en litres) contenue dans un bloc de grès de 1m3 saturé dont la porosité est de 20%? V eau = 200 l

Application : porosité totale d un matériau idéal Quelle est la porosité d un sable composé de grains sphériques de rayon R? (volume = 4*3*3 grains) n t = 0.47 ou 47 % Et de celui ci? (r = 0,4R) n t = 0.44 ou 44 %

Evolution de la porosité efficace avec la granulométrie Cours Hydrogéol. UPMC L PRO 2011 15/33

Milieu poreux Milieu fracturé

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

Zone non saturée Profil d humidité 3 phases : eau + roche + air 2 phases : eau + roche θ = teneur en eau du sol

Carte piézomètrique H1 Zone non saturée Surface piézométrique Zone saturée H2 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.

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 Loi de Darcy i= V= Vitesse d écoulement (m/s) K= perméabilité (m/s) i= gradient hydraulique

Ordres de grandeur de perméabilité

3 groupes de roches les roches poreuses mais imperméables: essentiellement les roches argileuses dont le diamètre des pores est tellement petit que la circulation y est quasiment nulle. les roches poreuses, perméables en petit: ces roches sont cohérentes (comme le calcaire, le grès, la craie... et dans ce cas peuvent présenter en plus une perméabilité de fissures "en grand") ou meubles (sables, graviers, cailloutis, sédiments volcaniques...) les roches non poreuses, perméables en grand: pratiquement imperméables à l'échelle de l'échantillon, ces roches sont cependant fracturées et renferment de grandes quantités d'eau, souvent exploitables. Dans le cas des roches carbonatées s'y ajoute une dissolution : le relief karstique.

3 LES DIFFERENTES UNITES HYDROGEOLOGIQUES Aquifère (lit. porte l eau) : 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 (points de vue chimique et hydraulique). 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 AQUIFERE Roche imperméable

Les différents types d aquifères 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)

Nappe libre = contact direct avec l atmosphère

Carte piézomètrique Ex nappe de la craie dans le nord de la france Nappe libre = contact direct avec l atmosphère

Les différents types d aquifères Nappe captive = pas de contact direct avec l atmosphère Artésianisme Nappe captive Infiltration nulle Nappe libre Infiltration possible NP Roche imperméable Forage Roche imperméable

Nappe semi-captive Semi- Imperméable Imperméable Profil de surface piézométrique Aquifère non saturé Aquifère saturé Profil de surface libre

Différences 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 de surface Eau généralement fortement minéralisée

Les conditions aux limites des réservoirs aquifères EXEMPLES Nappe libre infinie Une nappe peut être considérée comme infinie tant que l effet d une limite n intervient pas. Nappe libre avec limite d alimentation (semi infinie) Nappe libre avec limite à potentiel imposé Imperméable Aquifère saturé Aquifère non saturé Profil de surface libre Niveau imposé

Les limites des réservoirs aquifères Nappe captive infinie Nappe captive semi infinie Nappe captive avec limite à potentiel imposé Imperméable Aquifère saturé Profil de surface piézométrique Profil de surface libre

Interaction nappe/rivière : exemple d une nappe alluviale

Interaction nappe/rivière : exemple d une nappe alluviale Niveau de la rivière déconnecté du niveau de la nappe, écoulement possible de la rivière vers la nappe Niveau de la rivière au dessus du niveau de la nappe, la rivière recharge la nappe Niveau de la rivière au dessous du niveau de la nappe, la nappe recharge la rivière

Aquifère sédimentaire multi couche exemple du bassin de Paris

Aquifère karstique

Aquifère de socle Altérites: le rôle de réservoir Horizon fissuré: rôle de système conducteur

Aquifères en milieux volcanique Heilweil et al. 2009 (Cap Vert)

4 EXPLOITATION DES NAPPES La productivité d'une couche aquifère est sa capacité à fournir de l eau, elle dépend de la perméabilité ainsi que de l épaisseur En France * 46% des eaux souterraines prélevées proviennent d'aquifères à nappe libre liées à des cours d'eau (nappe alluviale), ce qui représente 2.200 hm 3 par an; * 33% proviennent des aquifères à nappes libres non liées aux cours d'eau directement mais alimentées par des eaux de pluie principalement (ou par d'autres aquifères), ce qui représente 1.600 hm 3 par an; * et enfin 21% proviennent d'aquifères à nappes captives, 1.000 hm 3 sont ainsi pompés annuellement.

4 EXPLOITATION DES NAPPES d'après SVT, 2nde, Hachette, 1997) eaux de surface eaux de source eaux souterraines pompées total (hm 3 /an) utilisateurs volume (hm 3 /an) % par utilisateur % par type d'eau volume (hm 3 /an) % par utilisateur % par type d'eau volume (hm 3 /an) % par utilisateur % par type d'eau collectivités (eau potable) 1700 40 8 900 20 100 1700 40 35 4300 industries 3500 64 12 0 0 2000 36 42 5500 centrales thermiques 12000 100 56 0 0 0 0 12000 agriculture 4100 79 19 0 0 1100 21 23 5200 tous utilisateurs (% par type d'eau) 21.300 79 900 3 4800 18 27.000

5 GEOCHIMIE DES EAUX SOUTERRAINES la minéralisation et la qualité des eaux souterraines cations (mg/l) anions (mg/l) Ca Mg Na K HCO3 SO4 Cl NO3 Vichy 78 9 1744 115 4263 182 329 0 Contrexéville 467 84 7 3 377 1192 7 Evian 78 24 5 1 357 10 2,2 3,8 Volvic 10,4 6 8 5,4 64 6,7 7,5 4 socle granitique massif granitique des Vosges formations glaciaires d'âge quaternaire cendres et scories volcaniques Contexte géologique Sédimentaire avec halite Sédimentaire avec gypse Sédimentaire avec calcite Cristallin ( granite, basalte,...) Remontée de CO 2 magmatique par faille Type d'eau chlorurée sodique sulfatée calcique bicarbonatée calcique oligominérale carbogazeuse

5 GEOCHIMIE DES EAUX SOUTERRAINES les pollutions et la protection des eaux souterraines Le terme de pollution désigne la dégradation d'un milieu naturel à la suites de la contamination par des agents toxiques (essentiellement liés à la production d'énergie, aux activités industrielles et à l'agriculture) Principaux types de polluants: Les micro polluants métalliques : généralement liés aux activités industrielles par rejets d'effluents et par lessivage de produits stockés sur un sol. Les nitrates et autres composés azotés et les pesticides : généralement liés aux activités agricoles (engrais, ) Les autres substances minérales (Chlorures, sulfates, fluor, cyanure, arsenic issues de l'activité humaine et susceptibles de polluer les nappes de façon ponctuelle. Les détergents Les hydrocarbures Les pesticides Les phtalates Les produits pharmaceutiques (antibiotiques, hormones, ) pollutions microbiologiques: microorganismes, virus, bactéries et protozoaires, voire des champignons et des algues. Proviennent de fosses septiques, des décharges, des épandages d'eaux usées, de l'élevage, de matières fermentées, de cimetières, du rejet d'eaux superficielles

5 GEOCHIMIE DES EAUX SOUTERRAINES les pollutions et la protection des eaux souterraines La pollution en nitrates Directive Cadre Européenne sur l Eau (2000/60/CE) impose d ici 2015 un bon état quantitatif et qualitatif Est ce compatible avec les temps de renouvellement si longs?