CHAPITRE 01 RAPPELS DHYDRODYNAMIQUE LES DIFFRENTS TYPES DAQUIFRES

CHAPITRE 01 RAPPELS D’HYDRODYNAMIQUE, LES DIFFÉRENTS TYPES D’AQUIFÈRES…….

1. INTRODUCTION Dans la dernière décennie, les techniques de recherche, d’exploitation et de protection ont beaucoup progressé et ont permis une meilleure compréhension des eaux souterraines et de leur intégration dans le cycle de l’eau. Le mouvement de l’eau dans le sol et le sous sol représente une étape d’un grand circuit à la surface de la terre : le cycle global de l’eau. L’infiltration est la principale source d’approvisionnement des nappes souterraines. Elle provient des précipitations efficaces, c'est-à-dire la partie des précipitations qui n’est pas reprise par le ruissellement ou l’évapotranspiration. L’infiltration entretient par son action un flux constant qui alimente les nappes. Cela explique dans la quasitotalité des pays où il pleut, le sous sol renferme de l’eau. Cette teneur en eau est fonction de différents paramètres hydrodynamiques de l’aquifère tels que la porosité, la perméabilité ou le coefficient d’emmagasinement des roches. La circulation de l’eau dans les nappes obéit aux lois de l’hydraulique souterraine et demeure soumise à divers paramètres tels que la transmissivité, le gradient de charge hydraulique ou le coefficient de perméabilité. D’autres paramètres tels que configuration et structure des aquifères, permettent de préciser ce schéma général.

2. CYCLE DE L’EAU

SYSTÈMES HYDROLOGIQUES est un système: ØDynamique, ØSéquence d’espace et de temps, Øfraction du cycle de l’eau On distingue trois types de systèmes hydrologiques: Le bassin hydrologique (l’alimentation du bassin hydrologique, supposé clos, provient des précipitations efficaces) Le bassin hydrogéologique (L’alimentation du bassin hydrogéologique se fait par infiltration des précipitations efficaces) L’aquifère avec sa nappe d’eau souterraine.

Figure 02: Bassin versant hydrologique et hydrogéologique

Notion d’Aquifère 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

DIFFÉRENTS TYPES D’AQUIFÈRE Aquifère à nappe libre La formation aquifère n’est pas saturée sur toute son épaisseur. Il existe entre la surface de la nappe et la surface du sol, ou la base de la formation argileuse supérieure lorsqu’elle existe, une zone de terrain non saturé contenant de l’air. Le niveau de la nappe est appelé niveau piézométrique, la surface piézométrique représente la limite supérieure de l’aquifère, c’est la limite hydrodynamique.

Aquifère à nappe captive La formation aquifère est saturée sur toute son épaisseur ; elle est limitée vers le haut par une couche imperméable ou semi perméable. Le niveau statique est virtuel tant qu’un forage ou un piézomètre n’a pas atteint l’aquifère. Il se trouve toujours au-dessus de la base de la couche imperméable supérieure. Le forage est dit artésien lorsque le niveau statique se trouve au dessus du sol, le forage est dit artésien jaillissant ; il s’écoule naturellement sans pompage

Aquifère à nappe semi-captive ou à drainance L’importance du mécanisme de drainance repose sur le fait que des débits importants peuvent traverser des horizons semi-perméable lorsque la superficie de cet horizon est grande et qu’il existe une différence de pression de part et d’autre de cet horizon. D’après G. Castany, le toit ou le substratum (ou les deux) de l’aquifère sont souvent constitués par une formation hydrogéologique semi-perméable. Celle-ci permet, dans certaines conditions hydrodynamiques favorable (différence de charge) des échanges d’eau avec l’aquifère superposé ou sous-jacent. Ce phénomène, appelé drainance, implique un aquifère de nappe semicaptive

Aquifères complexes: aquifères multiples ou multicouches. Les systèmes aquifères multicouches, plus ou moins profonds, peuvent échanger des flux de drainance à travers les couches semi-perméables

Porosité et perméabilité, Y a-t- il une différence?

Un aquifère correspond à une formation géologique qui permet l'écoulement d'une quantité d’eau suffisante pour une exploitation utile. Deux types de milieux géologiques contiennent des aquifères : � le roc fracturé qui constitue la croûte terrestre. On parle alors d'aquifère de roc fracturé. � les dépôts meubles qui sont l’ensemble des sédiments qui proviennent de l’érosion du socle rocheux et qui le recouvrent. On parle alors d'aquifère granulaire, lorsque les sédiments sont suffisamment perméables. Ces milieux sont définis par leurs propriétés intrinsèques dont les plus importantes sont la porosité et la conductivité hydraulique. La porosité est constituée des interstices formés par des fractures du roc ou des espaces vides entre les grains des dépôts meubles. Plus la porosité du milieu est élevée, plus il y a d’espace disponible pour emmagasiner de l’eau. La conductivité hydraulique est l’aptitude d’un matériau à se laisser traverser par l’eau. Plus la conductivité hydraulique du milieu est élevée, plus il est perméable, et plus l’eau peut y pénétrer et circuler facilement. Ces propriétés définissent le caractère aquifère ou aquitard du milieu (Figure 1). L'aquifère est le nom donné à une formation géologique saturée en eau et suffisamment perméable pour permettre son pompage. À l’inverse, un aquitard, bien qu’il puisse être saturé d’eau, n’est pas suffisamment perméable pour qu’il soit possible d’y extraire l’eau (ex: argile, shale, schiste). Il agit comme barrière naturelle à l’écoulement pouvant isoler un aquifère de la surface, contribuant ainsi à protéger ce dernier des contaminants venant de la surface.

Figure : Définitions principales

Porosité la porosité totale est la propriété d’une formation géologique de comporter des vides ou pores, interconnectés ou non, elle est exprimé en pourcentage, par le rapport du volume des vides Vv d’un milieu, au volume total Vt de l’échantillon. n = Vv/Vt la porosité efficace, notée ne, est le rapport du volume d’eau gravitaire, Ve, que le réservoir peut contenir à l’état saturé, puis libérer sous l’effet d’un égouttage complet, à son volume total, Vt ne= Ve/Vt La porosité est indépendante du diamètre des grains mais dépend de l’arrangement des grains les uns par rapport aux autres ainsi que de l’étalement de la granulométrie.

Lorsque les roches sont suffisamment fracturées, elles constituent un aquifère et des puits peuvent y être aménagés pour exploiter l’eau souterraine. La majorité de l’eau souterraine est contenu dans les pores de la roche, mais ceux-ci sont très peu connectés, ne permettant pas une circulation efficace de l’eau. Pour leur part, les fractures dans la roche contiennent moins d’eau mais permettent une circulation d’eau souterraine souvent suffisante pour le captage L’aptitude de ces aquifères à libérer de l’eau dépend donc de l’ouverture des fractures et de l’interconnexion entre les diverses fractures qui constituent le réseau.

Tableau 02 : Valeur moyenne de la porosité efficace pour les principaux types de réservoirs. Arrangement cubique des gains Type de réservoirs Porosité efficace Gravier gros Gravier fin Gravier plus sable Alluvions Sable gros Sable fin Sable gros plus argile Argile Calcaire fissuré Grés fissuré Granite fissuré Basalte fissuré Schistes Sable dunaire Tuf 30 20 15 à 25 8 à 10 20 10 5 3 2 à 10 2 à 15 0, 1 à 2 8 à 10 0. 1 à 2 38 20 Arrangement rhomboédrique des gains Il faut préciser qu’une formation poreuse n’est pas nécessairement perméable. Par contre une formation perméable est, par définition, poreuse. La porosité est fortement influencée par l’arrangement des grains. Elle décroit de 47. 6 % pour un arrangement cubique à 25. 9% pour un arrangement rhomboédrique. Dans la pratique, les milieux naturels, généralement < 10%, une valeur de 15% est déjà une valeur exceptionnelle au sein d’un aquifère.

CARACTÉRISTIQUE DU RÉSERVOIR ET DE LA NAPPE Les lois et principes qui gouvernent la circulation des eaux souterraines peuvent être déduits des lois fondamentales de la physique des fluides. Au préalable, il est nécessaire d’admettre que les eaux souterraines suivent un écoulement laminaire dans la plus grande partie de leur trajet. Des écoulements turbulents peuvent apparaitre parfois à proximité immédiate des zones de captage (crépines) ; ils sont alors dus à l’accroissement des vitesses de circulation de l’eau mais ce phénomène reste limité dans l’espace. Ecoulement de l’eau souterraine Comme nous l’avons dit, les eaux souterraines sont la plupart du temps soumises à un écoulement laminaire. Les modalités de cet écoulement, dans un aquifère sont schématisées par un quadrillage de ligne de courant et de lignes équipotentielles. Ceci constitue un réseau d’écoulement.

PERMEABILITE La perméabilité est l’aptitude d’une formation géologique, consolidée ou non, à être traversée par un fluide sous l’effet d’un gradient hydraulique. Elle exprime la résistance du milieu à l’écoulement de l’eau qui la traverse. Elle peut être mesurée par deux paramètres : le coefficient de perméabilité et la perméabilité intrinsèque. Tableau 01 : valeur du coefficient de perméabilité et influence de la granulométrie (cas de formation meuble, type sable ou gravier). D’après G. Castany, 1982.

Figure 06 : Modèle de flux souterrain Le flux souterrain peut être calculé entre deux lignes de courent par l’équation : Q=L. b. K. Δh/Δx Avec : Q : flux en m 3/s L : distance entre deux lignes de courant en mètres. b : épaisseur de la partie saturée de l’aquifère en mètres K : conductivité hydraulique en m/s. Δh/Δx : représente le gradient hydraulique, sans dimension.

karst : ensemble des formes superficielles et souterraines engendrées par la dissolution de certaines roches, et en particulier des roches calcaires. le Petit Larousse

Taurus, Turquie

PN Plitvice, Croatie

Le coefficient de perméabilité, noté K, est définit par la loi de Darcy, c’est le volume d’eau gravitaire en m 3 traversant en une unité de temps (seconde), sous l’effet d’une unité de gradient hydraulique, une unité de section en m 2, orthogonale à la direction de l’écoulement, dans les conditions de validité de la loi de Darcy (à la température de 20°C). il a la dimension d’une vitesse et s’exprime en m/s.

Conductivité hydraulique

Perméabilité et loi de Darcy

1. Influence de la section d’écoulement

2. Influence de la charge hydraulique

3. Influence des propriétés du milieu

Loi de darcy(1802 -1858) Des études préliminaires sur les modalités de l’écoulement laminaire ont été effectuées par G. Hagen (1839) et J. M. Poiseuille (1846). Elles ont montré que la valeur du flux était directement proportionnelle au gradient hydraulique. Plus tard, en 1856, Darcy, vérifier cette relation et établit expérimentalement l’équation de base de l’hydraulique souterraine , connu sous le non de l’équation de Darcy. Elle est applicable sur le terrain dans des conditions bien définies et permet de calculer le débit d’une nappe à partir du coefficient de perméabilité du réservoir. Figure : expérience de darcy appliquée à l’écoulement horizontal d’une nappe.

1. Calcul de la perméabilité à charge constante ( par la loi de Darcy)

Cette expérience est transposable à l’écoulement « horizontal » d’une nappe Formule de Darcy : Q = K. S. Dh/L Si l’on divise les deux membres par S, on obtient : Q/S = K. i Q/S = V est appelée vitesse de filtration.

Les aquifères multicouches

1. Calcul de la perméabilité à charge variable