Intro Cycle de leau Aquifre Dynamique temp Vulnrabilit

Intro Cycle de l'eau Aquifère Dynamique temp. Vulnérabilité Conclu. Hydrogéologie 1ère année (2007 -2008) Strasbourg – Février 2008 Adrien Wanko & Sylvain Payraudeau Ch. 1 - 1

Intro Cycle de l'eau Aquifère Dynamique temp. Vulnérabilité Conclu. Pourquoi un enseignement d'hydrogéologie ? L'eau souterraine = composante du cycle de l'eau Ressource en eau Vulnérabilité Contrainte en génie civil Ch. 1 - 2

Intro Cycle de l'eau Aquifère Dynamique temp. Vulnérabilité Conclu. Objectifs de cet enseignement ØAvoir la maîtrise du rôle des matériaux constituant le sous sol et les structures hydrogéologiques, ØSavoir exploiter les connaissances hydrauliques afin de déterminer l’influence des matériaux géologiques sur la circulation et la qualité des eaux souterraines, ØAcquérir des méthodes quantitatives permettant la planification des captages, l’exploitation et la gestion de l’eau souterraine (objet des 8 h de TD). Ch. 1 - 3

Intro Cycle de l'eau Aquifère Dynamique temp. Vulnérabilité Conclu. Organisation de l'enseignement Organisation du cours : 15 h de cours (A. Wanko) 8 h de TD (R. Mosé, F. Lehmann, A. Wanko) Examen 24 h de mini-projet (R. Mosé, A. Wanko) Ch. 1 - 4

Intro Cycle de l'eau Aquifère Dynamique temp. Vulnérabilité Conclu. Plan du cours Chapitre I : La dynamique des eaux souterraines et leurs réservoirs Chapitre II : Notion d'hydrodynamique des eaux souterraines Chapitre III : Transport de polluants dans les eaux souterraines Chapitre IV : Notions de modèles hydrogéologiques Ch. 1 - 5

Intro Cycle de l'eau Aquifère Dynamique temp. Vulnérabilité Conclu. Chapitre I : La dynamique des eaux souterraines et leur réservoir A - Introduction B - Importance des eaux souterraines dans le cycle de l'eau C - Géométrie et structure des aquifères D - Dynamique temporelle E - Vulnérabilité des eaux souterraines F - Conclusion Ch. 1 - 6

Intro Cycle de l'eau Aquifère Dynamique temp. Vulnérabilité Conclu. Hydrogéologie : définitions ØDéfinition L’Hydrogéologie est la science des eaux qui se trouvent à l’intérieur du sol, avec en particulier un accent mis sur sa chimie, son mode de migration et ses relation avec l’environnement géologique. (Davis & De. Wiest, 1966) ØBut L’hydrogéologie, science de l’eau souterraine, a pour but d’en déterminer la situation, autrement dit les gîtes du minerai d’hydrogène, la quantité disponible, les qualités, en indiquant en même temps les moyens appropriés pour faire servir ces eaux besoins de l’humanité. On pourrait aussi adopter le nom d’Hydrologie souterraine. Ch. 1 - 7

Intro Cycle de l'eau Aquifère Dynamique temp. Vulnérabilité Conclu. Hydrogéologie : à l'interface de deux disciplines Attesté en 1802 : naturaliste français Lamarck Géologie Hydrogéologie Branche de l'hydrologie qui traite de l'eau souterraine en tenant compte des conditions géologiques. (hydrologie souterraine) Branche de la géologie qui traite de l'eau souterraine et notamment de son occurrence. Ch. 1 - 8

Intro Cycle de l'eau Aquifère Dynamique temp. Vulnérabilité Conclu. Hydrogéologie : Historique Platon et le Tartare Aristote et les montagnes de Thrace Thalès de Milet, Lucrèce et les vents de mer Descartes et les canaux souterrains Lamark (1802) Hydrogéologie Powell (1885) Hydric geology Lucas (1880) Palissy, Mariotte une conception nette des eaux souterraines. Hydrogéology Ch. 1 - 9

Intro Cycle de l'eau Aquifère Dynamique temp. Vulnérabilité Conclu. Références bibliographiques Intitulés Auteurs Date de publication Bibliothèques Cours d'hydrogéologie G. de Marsily 1980 INSA Essai d’hydrogéologie; : recherche, étude et captage des H 2 O souterraines Ed. Imbeaux 1930 Géologie Hydrogéologie: principes et méthodes Gilbert Castany 1982, 1998 Sciences Hydrogéologie quantitative G. De Marsily 1981 Géologie et Sciences Pollution des nappes d’eau souterraine en France Académie des sciences 1991 Médécine Modélisation de la pollution des sols et des nappes par des hydrocarbures Philippe Tardy 1996 Géologie Mesures piézométriques et essais de pompage dans les nappes souterraines R. Brémond, I. Cheret, C. Parsy 1961 Sciences Ch. 1 - 10

Intro Cycle de l'eau Aquifère Dynamique temp. Vulnérabilité Conclu. Références bibliographiques Ch. 1 - 11

Intro Cycle de l'eau Aquifère Dynamique temp. Vulnérabilité Conclu. Disponibilité mondiale des ressources en eau 3% (Jacques, 1996) 23% Ch. 1 - 12

Intro Cycle de l'eau Aquifère Dynamique temp. Vulnérabilité Conclu. Disponibilité mondiale des ressources en eau Europe Asie Afrique Amérique du Nord Amérique du Sud Australie 1. 6 7. 8 5. 5 4. 3 3. 0 1. 2 (volumes, en 106 km 3) (6. 8 %) (33. 3 %) (23. 5 %) (18. 48 %) (12. 8 %) (5. 1 %) Répartition des nappes souterraines dans le monde Ch. 1 - 13

Intro Cycle de l'eau Aquifère Dynamique temp. Vulnérabilité Conclu. Disponibilité mondiale des ressources en eau La ressource doit être >1500 m 3/hab/an pour considérer qu'il n’y a pas de problème. Là où la ressource en eau est insuffisante, l’eau est à l’origine de 30% des décès (20 millions d’hommes) et 80% des maladies. L’irrigation représente une part de 70% des ressources en eaux utilisées, alors que les terres irriguées ne représentent que 17% des terres arables et 1/3 des récoltes. Ch. 1 - 14

Intro Cycle de l'eau Aquifère Dynamique temp. Vulnérabilité Conclu. Description et mécanismes en jeu Stock : km 3 Atmosphère : 13 000 Glacier : 27 500 000 Lacs et rivières : 200 000 Océan : 1 350 000 Aquifères souterrains : 8 400 000 Ch. 1 - 15

Intro Cycle de l'eau Aquifère Dynamique temp. Vulnérabilité Conclu. Description et mécanismes en jeu ØLe cycle de l’eau ou cycle hydrologique décrit le constant mouvement de l’eau sur et sous la Terre. L’eau passe des états solides, liquides et gazeux dans ce cycle. ØLe moteur ØLe cycle à une échelle réduite -l’énergie solaire -la gravité Atmosphère Surface Précipitations ( pluie, grêle, neige) Surface Atmosphère Évaporation, sublimation, transpiration Ch. 1 - 16

Intro Cycle de l'eau Aquifère Dynamique temp. Vulnérabilité Conclu. Le cycle à une échelle réduite : Cas du bassin de l’Hallue Les abréviations courantes -P : précipitations, -PE : précipitation efficace, -E : évaporation, -T : transpiration, -ETR : évapo-transpiration, -R : ruissellement Bilan hydrique (débit en hm 3/an) dans le bassin de l’Hallue (Somme) Ch. 1 - 17

Intro Cycle de l'eau Aquifère Dynamique temp. Vulnérabilité Conclu. Schéma conceptuel d’un bilan hydrologique Part des eaux souterraines dans le cycle de l'eau Quels sont les temps de transit de l’eau dans les différents sous systèmes terrestres ? Ch. 1 - 18

Intro Cycle de l'eau Aquifère Dynamique temp. Vulnérabilité Conclu. Cycle de l’eau : temps de résidence Sous systèmes et échanges Temps de résidence Ch. 1 - 19

Intro Cycle de l'eau Aquifère Dynamique temp. Vulnérabilité Conclu. Cycle de l’eau : part des eaux souterraines Échanges entre les eaux superficielles et souterraines Variation spatiale du sens des échanges Variation temporelle du sens des échanges -Contribution des eaux sout. durant les crues ( ) -Contribution des eaux sup. durant les étiages ( ) Vulnérabilité à la pollution Ch. 1 - 20

Intro Cycle de l'eau Aquifère Dynamique temp. Vulnérabilité Conclu. Aquifères : définition Aquifère : réservoir d’eau souterrain, suffisamment poreux et suffisamment perméable pour être considéré comme une réserve exploitable par l’homme. Il contient une nappe d’eau (douce) : l’aquifère est le contenant et la nappe le contenu. une formation hydro-géologique, caractérisé par une certaine unité litho-stratigraphique et par une certaine unité de fonctionnement vis à vis du stockage et de la circulation des eaux souterraines, Exemple : sables albiens du bassin parisien, alluvions de la Crau Ch. 1 - 21

Intro Cycle de l'eau Aquifère Dynamique temp. Vulnérabilité Conclu. Aquifères schématisation Limite supérieure ou surface piézométrique Limite latérale Limite inférieure ou substratum (imperméable) Ch. 1 - 22

Intro Cycle de l'eau Aquifère Dynamique temp. Vulnérabilité Conclu. Types d’aquifères, Types de nappes Aquifères confinés / aquifères non confinés Ch. 1 - 23

Intro Cycle de l'eau Aquifère Dynamique temp. Vulnérabilité Conclu. Aquifère : intérêt d’étude 1 – Réservoir d’eau souterrain = configuration (dimensions + conditions aux limites) = structure (une ou des formations hydrogéologiques) 2 – Processus internes = hydrodynamiques (FONCTION de STOCKAGE et de CONDUITE) = hydrochimique (FONCTION d'échange géochimique) = hydrobiologique 3 – Interaction avec l'environnement (cycle de l'eau) (Partie B et E) 4 – Variabilité dans l'espace 5 – Variabilité dans le temps (Partie D) Ch. 1 - 24

Intro Cycle de l'eau Aquifère Dynamique temp. Vulnérabilité Conclu. Configuration : dimensions Identification du bassin hydrogéologique (= bassin superficiel ? ) Thalweg Ligne de crête Exutoire Ch. 1 - 25

Intro Cycle de l'eau Aquifère Dynamique temp. Vulnérabilité Conclu. Configuration : dimensions Le cas de la Sorgues (Vaucluse) : contexte karstique Écoulement moyen annuel de 18. 5 m 3/s Bassin topographique Bassin géologique surface : 15 km 2 surface : 2500 km 2 écoulement en mm : 38 000 !!! écoulement en mm : 233 D'après Gaume – DEA STE – 2002 -2003 Ch. 1 - 26

Intro Cycle de l'eau Aquifère Dynamique temp. Vulnérabilité Conclu. Configuration : dimensions Bassin topographique A Bassin topographique B Source Bassin réel A Bassin réel B D'après Roche - Hydrologie de surface, Ed. Gauthier-Villars, Paris 1963. Ch. 1 - 27

Intro Cycle de l'eau Aquifère Dynamique temp. Vulnérabilité Conclu. Configuration : dimensions Ch. 1 - 28

Intro Cycle de l'eau Aquifère Dynamique temp. Vulnérabilité Conclu. Configuration : dimensions Ch. 1 - 29

Intro Cycle de l'eau Aquifère Dynamique temp. Vulnérabilité Conclu. Configuration : surface piézométrique Aquifère à nappe libre : Un matériau aquifère qui n'est pas recouvert d'un matériau moins perméable À la pression atmosphérique h charge hydraulique [L] z : altitude du substratum [L] h z Substratum Ch. 1 - 30

Intro Cycle de l'eau Aquifère Dynamique temp. Vulnérabilité Conclu. Configuration : surface piézométrique Vue de dessus Courbes piézométriques : égales charges (h) Rivière imperméable Vue de profil Profil de charge de la rivière Profil de charge de la nappe Courbes concaves en direction de l'écoulement (rivière nappe) Équilibre (nappe rivière) méandres Nappe soutenue Rétrécissement Courbes convexes en direction de l'écoulement (nappe rivière) Zone marécageuse Ch. 1 - 31

Intro Cycle de l'eau Aquifère Dynamique temp. Vulnérabilité Conclu. Configuration : surface piézométrique Aquifère à nappe libre : 3 types 1 - Nappe phréatique 2 - Nappe perchée 3 - Nappe "régionale" 1 - Si nappe proche de la surface = nappe phréatique (historiquement les premières exploitées) Substratum 2: Peu intéressante 3 : Ch. 1 - 32

Intro Cycle de l'eau Aquifère Dynamique temp. Vulnérabilité Conclu. Configuration : surface piézométrique Aquifère à nappe captive (ou nappe confinée ; confined aquifer) (variante semi-captive) : h > zeau Un matériau aquifère qui est recouvert d'un matériau imperméable h Cas 1 Pression Cas 2 (poids de la colonne) h z z. EAU Décompression Densité des matériaux 2. 5 bar/10 m Ex. bassin de Paris : sables albiens 600 m = 150 bar Décompression Artésianisme (coût) Ch. 1 - 33

Intro Cycle de l'eau Aquifère Dynamique temp. Vulnérabilité Conclu. Configuration : surface piézométrique Synthèse… Aquifère bi-couche Substratum Ch. 1 - 34

Intro Cycle de l'eau Aquifère Dynamique temp. Vulnérabilité Conclu. Structure : formations hydrogéologiques Aquifère : Réservoir souterrain = Formation perméable contenant de l'eau en quantités exploitables Formations : Perméable Semi-perméable Sable D'après Castany, 1982 Sable très fin Imperméable (strictement très rare) Argile Alternance formations perméables et semi-perméables = aquifère multicouche : calcaire de Champigny (La Marne et la Seine) Ch. 1 - 35

Intro Cycle de l'eau Aquifère Dynamique temp. Vulnérabilité Conclu. Structure : formations hydrogéologiques Où trouvent-on des aquifères ? 1 - Nappes alluviales 2 - Bassins sédimentaires 3 - Systèmes karstiques 4 - Socles fissurés 5 - Environnements volcaniques Ch. 1 - 36

Intro Cycle de l'eau Aquifère Dynamique temp. Vulnérabilité Conclu. Structure : formations hydrogéologiques 1 - Nappes alluviales : La Seine (haute normandie) www. arehn. asso. fr Bonnes caractéristiques hydrodynamiques, qualité des eaux permettant l'alimentation en eau potable mais : exploitation des alluvions (gravières), pompage pour irrigation (sols fins et grande disponibilité de l'eau) Ch. 1 - 37

Intro Cycle de l'eau Aquifère Dynamique temp. Vulnérabilité Conclu. Structure : formations hydrogéologiques 1 - Nappes alluviales : Plaine du Rhin Fossé d'effondrement Comblé d'alluvions récentes : (puissance du comblement 100 m) Matériaux saturés jusqu'à la surface Une des nappes les plus importantes d'Europe Horst Graben Ch. 1 - 38

Intro Cycle de l'eau Aquifère Dynamique temp. Vulnérabilité Conclu. Structure : formations hydrogéologiques 2 - Bassins sédimentaires Diversité de formations en strates ; Ex : Bassin de paris = 140 000 km² 10 aquifères séparés par formations semi-perméables Contrainte économique (sondage + équipement) + qualité de l'eau (ex. sels dissous f(profondeur)) Ch. 1 - 39

Intro Cycle de l'eau Aquifère Dynamique temp. Vulnérabilité Conclu. Structure : formations hydrogéologiques Ch. 1 - 40

Intro Cycle de l'eau Aquifère Dynamique temp. Vulnérabilité Conclu. Structure : formations hydrogéologiques 3 - Systèmes karstiques Dissolution des roches carbonatées Variations saisonnières importantes (10 aine de m) (Capacité limitée + transmissivité élevée) Source du Lez 1600 l/s (Hérault) ; Problèmes d'intrusion d'eau salée Vulnérabilité à la pollution (sol limité + infiltration rapide + avens) Ch. 1 - 41

Intro Cycle de l'eau Aquifère Dynamique temp. Vulnérabilité Conclu. Structure : formations hydrogéologiques 3 - Systèmes karstiques (Crochet, 1996) Ch. 1 - 42

Intro Cycle de l'eau Aquifère Dynamique temp. Vulnérabilité Conclu. Structure : formations hydrogéologiques 4 - Socles fissurés - Aquifères des massifs anciens (roche plutonique : granite ou métamorphique : gneiss ou plus rarement volcanique : basalte) 1: Formations superficielles perméables Arènes granitiques Couches d'altération Alluvions 2: Zones de fractures et de broyage de socle sans argiles ni filons de minéraux D'après Castany, 1982 3: Roches compactes fissurées du socles Intérêts de la prospection géophysique électrique ou sismique Ch. 1 - 43

Intro Cycle de l'eau Aquifère Dynamique temp. Vulnérabilité Conclu. Structure : formations hydrogéologiques 5 – Environnements volcaniques Roches compactes mais altérations + fracturations : Variabilités des matériaux : basaltes (coulées) , tufs (projections) Aquifères de Djibouti : Basaltes Complexe volcano-sédimentaire : île de la Réunion Massif central : usine d’embouteillage des eaux du Mont-Dore (tufs : réservoir de stockage des eaux d’infiltration) Ch. 1 - 44

Intro Cycle de l'eau Aquifère Dynamique temp. Vulnérabilité Conclu. Structure : propriétés / processus Propriétés de l'aquifère : Granulométrie Porosité Perméabilité Conductivité hydraulique ? Transmissivité Emmagasinement Lien entre propriétés et processus internes : = hydrodynamiques (FONCTION de STOCKAGE et de CONDUITE) = hydrochimique (FONCTION d'échange géochimique) = hydrobiologique Variabilité spatiale de ces propriétés Ch. 1 - 45

Intro Cycle de l'eau Aquifère Dynamique temp. Vulnérabilité Conclu. Structure : granulométrie (FONCTION de STOCKAGE) Milieu non consolidé : distribution de la taille des grains Pourcentage d'éléments qui traverse le tamis 100% d 10 : paramètre caractéristique d'un matériau 50% 10% d 10 0. 1 1 10 100 Log du diamètre du tamis (mm) Ch. 1 - 46

Intro Cycle de l'eau Aquifère Dynamique temp. Vulnérabilité Conclu. Structure : porosité (FONCTION de STOCKAGE) Porosité (pore) Vmatériau Vpore = Vvide = Veau + Vgaz Vtotal n = Q 1 Porosité de fissure Vpore Vtotal Eq 1. 1 Avec : Vpore et Vtotal [L 3] n (fraction entre 0 et 1 ou 0 et 100%) [adim. ] Ch. 1 - 47

Intro Cycle de l'eau Aquifère Dynamique temp. Vulnérabilité Conclu. Structure : porosité (FONCTION de STOCKAGE) Porosité et granulométrie : Type cubique n = 47. 6 % Type rhomboédrique n = 25. 9 % Ch. 1 - 48

Intro Cycle de l'eau Aquifère Dynamique temp. Vulnérabilité Conclu. Structure : différentes porosités Porosité ouverte : Rapport du volume des vides Eaux pelliculaires intercommunicants d'un + eaux capillaires milieu poreux à son volume total; ZOOM 2 ZOOM 1 Porosité efficace (ne) : Rapport du volume de l'eau extraite par gravité d'un milieu poreux initialement saturé à son volume total Porosité fermée : Porosité d'une roche ou d'un sol contenant des interstices ne communiquant pas entre eux Porosité totale >= porosité ouverte >= porosité efficace Ch. 1 - 49

Intro Cycle de l'eau Aquifère Dynamique temp. Vulnérabilité Conclu. Structure : différentes porosités Porosité primaire : Très faible pour roches plutoniques, métamorphiques, volcaniques Conductivité hydraulique faible : 10 -13 à 10 -11 m/s (métamorphique) 3000 an pour 1 m Porosité secondaire : Due à l'altération et à la fracturation Q 1 Ch. 1 - 50

Intro Cycle de l'eau Aquifère Dynamique temp. Vulnérabilité Conclu. Structure : porosités (ordres de grandeur) Roche Porosité totale % Porosité efficace % Matériaux non consolidés selon leur texture Gravier 25 : 35 20 : 30 Argile 45 : 55 0: 5 Roches sédimentaires détritiques Grès 0 : 10 0: 5 Grès fissurés 10 : 20 5 : 10 Roches carbonatées Roche massive 0: 5 Roche karstifiée 10 : 50 Roches cristallines Roche non fissurée Roche altérée <1 <1 30 : 50 10 : 30 30 : 35 10 : 15 D'après Banton et Bangoy Plaine d'Alsace : Ch. 1 - 51

Intro Cycle de l'eau Aquifère Dynamique temp. Vulnérabilité Conclu. Structure : Perméabilité k (FONCTION de CONDUITE) Perméabilité intrinsèque d'un matériau : - représente l'aptitude à laisser passer un fluide à travers lui - caractéristique propre du matériaux - noté k - [L²] ou [L 3 L-1] volume par unité de charge hydraulique - se mesure en Darce (10 -12 m²) AFNOR - se mesure en Darcy (0, 987 10 -12 m²) Ch. 1 - 52

Intro Cycle de l'eau Aquifère Dynamique temp. Vulnérabilité Conclu. Structure : Conductivité hydraulique K (FONCTION de CONDUITE) Conductivité hydraulique d'un matériau : (!!! K<>k) - représente l'aptitude à laisser passer un fluide à travers lui - correspond au coefficient de proportionnalité K (Darcy) - caractéristique du matériaux mais dépend du fluide - noté K - vitesse [LT-1] Expérience de Darcy (base de l'hydrogéologie quantitative) Alimentation en eau de la ville de Dijon (1856) Débit de l'eau traversant une colonne (L : 3. 5 m et ø : 0. 35 m) Débit proportionnel à la différence de charge entrée/sortie : h Débit inversement proportionnel à L h Q = K. S. L Eq 1. 2 Avec : Q : débit sortant [L 3 T-1] K : conductivité hydraulique [LT-1] S : section [L²] h : différence de charge [L] L : longueur [L] Ch. 1 - 53

Intro Cycle de l'eau Aquifère Dynamique temp. Vulnérabilité Conclu. Structure : Conductivité hydraulique K (FONCTION de CONDUITE) K = Caractéristique du matériaux mais dépend du fluide (de sa viscosité) K = ki. . g Eq 1. 3 Avec : K : conductivité hydraulique [LT-1] ki : perméabilité intrinsèque [L 3 L-1] : masse volumique [ML-3] g : constante de pesanteur [LT-²] : viscosité dynamique [ML-1 T-1] Ch. 1 - 54

Intro Cycle de l'eau Aquifère Dynamique temp. Vulnérabilité Conclu. Structure : Conductivité hydraulique K (FONCTION de CONDUITE) Ch. 1 - 55

Intro Cycle de l'eau Aquifère Dynamique temp. Vulnérabilité Conclu. Structure : Conductivité hydraulique K (FONCTION de CONDUITE) Détermination de la conductivité hydraulique (cf Chapitre II) 1 – Analyses granulométriques (mesures : moy. et variance) 2 – Micro-moulinet (vitesse de circulation d'eau ; puits) 3 – Essai pompage (vitesse de remontée eaux ; puits) P. Ackerer Ch. 1 - 56

Intro Cycle de l'eau Aquifère Dynamique temp. Vulnérabilité Conclu. Structure : conductivité hydraulique et porosité Pas de lien entre la porosité totale ou efficace et l'aptitude à laisser passer un fluide (conductivité hydraulique ou perméabilité) Distances plus importantes Gravier : Porosité totale = 23/35% Porosité efficace = 20/30% K = 1/10 -2 m. s-1 Distances + Eaux capillaires Eaux pelliculaires Tourbe : Porosité totale = 60/80% Porosité efficace = 45/70% K = 10 -3 /10 -2 m. s-1 Argile : Porosité totale = 45/55% Porosité efficace = 0/5% K = 10 -8 /10 -7 m. s-1 Ch. 1 - 57

Intro Cycle de l'eau Aquifère Dynamique temp. Vulnérabilité Conclu. Structure : Transmissivité : T (FONCTION de CONDUITE) Transmissivité d'un aquifère : - produit de la conductivité hydraulique par son épaisseur - noté T - [L²T-1] surface par unité de temps ou [L 3 T-1 L-1] débit par largeur unitaire d'aquifère - s'exprime en m². s-1 T = Ks. b Eq 1. 4 Avec : T : transmissivité [L 3 T-1 L-1] Ks : conductivité hydraulique à saturation[LT-1] b : épaisseur de l'aquifère, ou également appelé puissance de l'aquifère [L] Le concept de transmissivité suppose que l'écoulement dans la nappe est horizontal Déterminé par des essais de pompage Ch. 1 - 58

Intro Cycle de l'eau Aquifère Dynamique temp. Vulnérabilité Conclu. Structure : Coefficient d'emmagasinement : Ss et S (FONCTION de STOCKAGE) Coefficient d'emmagasinement spécifique (Ss) : - représente le rapport du volume d'eau libéré ou emmagasiné [L 3] par un volume unitaire d'un matériau [L-3] pour une variation de charge hydraulique [L-1] ("rendement de l'aquifère") - [L 3 L-3 L-1] ou [L-1] S = Ss. b Eq 1. 5 Avec : S : coefficient d'emmagasinement [adim. ] Ss : coefficient d'emmagasinement spécifique [L 3 L-3 L-1] b : épaisseur de l'aquifère, ou également appelé puissance de l'aquifère [L] D'après Mermoud, 2005 S = V A. H Eq 1. 6 Ch. 1 - 59

Intro Cycle de l'eau Aquifère Dynamique temp. Vulnérabilité Conclu. Structure : Coefficient d'emmagasinement : Ss et S (FONCTION de STOCKAGE) Aquifère à nappe libre : Variation de la charge hydraulique (h) = variation du niveau de l'eau (Z) D'où Coefficient d'emmagasinement (S) = porosité efficace (P) 0. 3 (30%) Aquifère à nappe captive : Variation de la charge hydraulique (h) = variation de pression Volume libéré/stocké = décompression/compression (eau+matériau+gaz) relativement limité si volume de l'aquifère constant Volume libéré/stocké = variation de volume Augmentation pression dilatation du matériau (gonflement) diminution pression rétractation du milieu (affaissement) S = 10 -6 à 10 -3 Ch. 1 - 60

Intro Cycle de l'eau Aquifère Dynamique temp. Vulnérabilité Conclu. Structure : variabilité spatiale Propriétés physiques et hydrodynamiques : variables dans les 3 directions de l'espace Si propriété identique dans toutes les directions de l'espace (x, y et z) : MATERIAU ISOTROPE Si propriété différente suivant les directions considérées : MATERIAU ANISOTROPE Q 1 Ex : conductivité hydraulique en milieu fracturé ou sédimentaire Ch. 1 - 61

Intro Cycle de l'eau Aquifère Dynamique temp. Vulnérabilité Conclu. Structure : variabilité spatiale A quelle échelle caractériser la structure et les propriétés hydrodynamiques de l'aquifère ? Porosité ? Conductivité hydraulique ? Volume Élémentaire Représentatif (VER) : volume >> dimensions des pores : Propriétés moyennes Sable grossier Echelle n° 1 (0. 1 cm) Echelle n° 2 (1 cm) Ch. 1 - 62

Intro Cycle de l'eau Aquifère Dynamique temp. Vulnérabilité Conclu. Structure : variabilité spatiale Porosité 2 VER Matériau homogène ' Hétérogène 0 Echelle (m) VER selon granulométrie ? Sphère = 30. Dmoyen des grains Ch. 1 - 63

Intro Cycle de l'eau Aquifère Dynamique temp. Vulnérabilité Conclu. Dynamique temporelle des eaux souterraines P : 700 mm ETR : 400 mm (60%) Variation temporelle liée à la recharge Recharge = P - ETR - Stock - Ru Ru : 25 à 35% Zone racinaire ? Re 5 à 15% Zone non saturée Porosité (10%) … Aquifère Ch. 1 - 64

Intro Cycle de l'eau Aquifère Dynamique temp. Vulnérabilité Conclu. Dynamique temporelle des eaux souterraines http: //www. eaux-tursan. fr/origine_eau. php Ch. 1 - 65

Intro Cycle de l'eau Aquifère Dynamique temp. Vulnérabilité Conclu. Dynamique temporelle des eaux souterraines 30 ans Ch. 1 - 66

Intro Cycle de l'eau Aquifère Dynamique temp. Vulnérabilité Conclu. Dynamique temporelle des eaux souterraines Ch. 1 - 67

Intro Cycle de l'eau Aquifère Dynamique temp. Vulnérabilité Conclu. Dynamique temporelle des eaux souterraines 2 ans Ex 1 : bassins versants bretons ( 10 ha) (Thèse Charlotte Martin, 2003) Faible amplitude (1. 2 m) 1 mois niveau piézométrique peu réactif à la pluie (/niveau des rivières) Ch. 1 - 68

Intro Cycle de l'eau Aquifère Dynamique temp. Vulnérabilité Conclu. Dynamique temporelle des eaux souterraines Relation eaux souterraines – eaux de surface : crue (Tiré de Mérot et al. , 1995 : séparation chimique et isotopique des écoulements) Eaux souterraines = 42% Eaux des versants = 38% Zone riparienne = 10% Eaux de pluie = 10% Rappel : valeur de K (10 -3 à 10 -6 m. s-1) Quels processus ? Ch. 1 - 69

Intro Cycle de l'eau Aquifère Dynamique temp. Vulnérabilité Conclu. Dynamique temporelle des eaux souterraines Processus possible : effet piston Transfert lent de l’eau : (K = 30 à 120 mm/h alluvion perméable) charge h Analogie avec une colonne de sol Transmission rapide de l’onde de pression Limite de l’hypothèse = le bassin a une capacité d’emmagasinement +/- grande Versant Ch. 1 - 70

Intro Cycle de l'eau Aquifère Dynamique temp. Vulnérabilité Conclu. Vulnérabilité des eaux souterraines Vulnérabilité à la pollution : 1 - "Pollution" résultante des activités humaines (bruit de fond géochimique) 2 - Normes de qualité de l'eau 3 - Devenir du polluant dans les eaux souterraines : migration (auto-épuration/dilution) 4 - Carte de vulnérabilité 5 - Prévention Ch. 1 - 71

Intro Cycle de l'eau Aquifère Dynamique temp. Vulnérabilité Conclu. Vulnérabilité des eaux souterraines Enjeux de protection de la qualité des eaux souterraines Bassin Rhin-Meuse : utilisation des eaux souterraines 99% des points d’eau 95% des volumes prélevés Avantage : Qualité des eaux moins sujette aux variations (/eau de surface) Inconvénient : Si normes de potabilité dépassée : effet de la réduction des pollutions sur long terme Ch. 1 - 72

Intro Cycle de l'eau Aquifère Dynamique temp. Vulnérabilité Conclu. Vulnérabilité des eaux souterraines Temps de transfert : Double fonction de la distance à la rivière et du milieu parcouru (Molénat, 1999 : bassin de Naizin) Ch. 1 - 73

Intro Cycle de l'eau Aquifère Dynamique temp. Vulnérabilité Conclu. Vulnérabilité des eaux souterraines 1 - "Pollution" résultante des activités humaines N'est pas pris en compte : dissolution des minéraux Eaux minérales et thermales (bruit de fond géochimique) Ex : contamination des puits (50% du million de puits construits) Origine de l'arsenic : alluvions épaisses avec transfert lent (centaines, milliers d’années à filtrer à travers ces dépôts avant de rejoindre la mer) Enrichissement en arsenic des eaux au contact des alluvions d'une pollution (phénomène naturel) Ch. 1 - 74

Intro Cycle de l'eau Aquifère Dynamique temp. Vulnérabilité Conclu. Vulnérabilité des eaux souterraines 1 - "Pollution" résultante des activités humaines Types de polluants Polluants physiques : chaleur / Matière en suspension / radioactivité Polluants chimiques : sels minéraux dissous (NO 3) / sulfate et chlorure Micropolluants: Métaux lourds, pesticides et détergents Hydrocarbures Sources de polluants Origines domestiques et urbaines / agricole / industrielle Ch. 1 - 75

Intro Cycle de l'eau Aquifère Dynamique temp. Vulnérabilité Conclu. Vulnérabilité des eaux souterraines 1 - "Pollution" résultante des activités humaines Etapes du devenir des polluants 1 – Introduction du polluant (sol, rivière) 2 – Migration et évolution (zone non saturée) 3 – Propagation et évolution dans l'aquifère Introduction : Type Dose Volume d'eau Migration et Evolution Propagation et Evolution Castany (1982) Zone non saturée Surface piézométrique Aquifère à nappe libre Ch. 1 - 76

Intro Cycle de l'eau Aquifère Dynamique temp. Vulnérabilité Conclu. Vulnérabilité des eaux souterraines 1 - "Pollution" résultante des activités humaines Devenir dans la zone non saturée 1 – Mécanismes physiques : miscibilité avec l'eau, densité, dilution 2 – Mécanismes hydrodynamiques : Vitesse, temps de séjour Auto-épuration dans "sol" [polluants] 5 – Mécanismes physico-chimiques : Adsorption/désorption 3 – Mécanismes hydrochimiques : Dissolution, précipitation, … 4 – Mécanismes hydrobiologiques : Biodégradation Ch. 1 - 77

Intro Cycle de l'eau Aquifère Dynamique temp. Vulnérabilité Conclu. Vulnérabilité des eaux souterraines 1 - "Pollution" résultante des activités humaines Devenir dans la zone saturée Auto-épuration dans l'aquifère [polluants] Peu d'oxygène, peu de matières organiques, peu de micro-organismes 1 – Mécanisme de dilution : f(transmissivité de la nappe) 2 – Mécanismes physico-chimiques : auto-épuration ex : Pyrite sur [Nitrates] 14 NO 3 - + 5 Fe. S 2 + 4 H+ 7 N 2 + 10 SO 42 - + 5 Fe 2+ + 2 H 2 O (Gascuel, 2005) Ch. 1 - 78

Intro Cycle de l'eau Aquifère Dynamique temp. Vulnérabilité Conclu. Vulnérabilité des eaux souterraines 2 – Normes Nitrates (2003) Fortes teneurs (25 -50 mg/l) Sud du Fossé rhénan (Bâle à Strasbourg) Culture du maïs Sols filtrants Dilution de la nappe < 10 mg. L-1 10 < < 25 mg. L-1 25 < < 50 mg. L-1 > 50 mg. L-1 Ch. 1 - 79

Intro Cycle de l'eau Aquifère Dynamique temp. Vulnérabilité Conclu. Vulnérabilité des eaux souterraines 2 – Normes Pesticides : Atrazine et métabolites (2003) Interdit (1991 – All. ) (2003 – Fr. ) < limites de détection lim. < < 0. 1 g. L-1 > 0. 1 g. L-1 Ch. 1 - 80

Intro Cycle de l'eau Aquifère Dynamique temp. Vulnérabilité Conclu. Vulnérabilité des eaux souterraines 2 – Normes Pesticides : (sauf atrazine et métabolites) (2003) < limites de détection lim. < < 0. 1 g > 0. 1 g Ch. 1 - 81

Intro Cycle de l'eau Aquifère Dynamique temp. Vulnérabilité Conclu. Vulnérabilité des eaux souterraines 4 - Carte de vulnérabilité Objectifs : Prévention (zones sensibles) et protection (périmètres de captage) Facteurs de la vulnérabilité : État et caractéristique du sol et sous-sol (couverture, rhizosphère, épaisseur, perméabilité) Profondeur de la surface piézométrique (temps de résidence dans la zone non-saturée auto-épuration) Paramètres de l'écoulement de l'eau souterraine (conductivité, vitesse d'écoulement) Conditions d'alimentation (temps de renouvellement) Ch. 1 - 82

Intro Cycle de l'eau Aquifère Dynamique temp. Vulnérabilité Conclu. Vulnérabilité des eaux souterraines 4 - Carte de vulnérabilité : conception Méthode DRASTIC Questions ? : Quels critères ? Quels poids ? HENTATI et al. , 2005 Sfax-Agareb (Sud-Est tunisien) Ch. 1 - 83

Intro Cycle de l'eau Aquifère Dynamique temp. Vulnérabilité Conclu. Vulnérabilité des eaux souterraines 4 - Carte de vulnérabilité : conception Vulnérabilité + Pression polluante = carte du risque HENTATI et al. , 2005 Sfax-Agareb (Sud-Est tunisien) Ch. 1 - 84

Intro Cycle de l'eau Aquifère Dynamique temp. Vulnérabilité Conclu. Vulnérabilité des eaux souterraines 5 – Lutte contre la pollution - Prévention Réglementation : périmètre de protection captage (loi sur l'eau 1992) Prévention : source de Vittel (50 km²) Société Vittel/Agence de l'eau Rhin-Meuse/profession agricole) « Comment assurer, dans l’eau sous la zone racinaire, un taux de 10 mg/l de nitrates et de 0 mg/l de pesticides ? » Solutions : Contrat Achat de 50% des terres; Maïs interdit; Conseil gratuit; … 24 millions € / 7 ans Ch. 1 - 85

Intro Cycle de l'eau Aquifère Dynamique temp. Vulnérabilité Conclu. Vulnérabilité des eaux souterraines 5 – Lutte contre la pollution - Prévention Prévision : outils de simulation (modèles hydrodynamiques et hydrochimiques) Remédiation : Quelques essais (BRGM) pour les [Nitrates] mais très coûteux Injection de méthanol ou sucre autour du forage (substrat pour bactéries dénitrifiantes – besoin d'oxygène!!! Donc limitée à nappe libre) La prévention reste la technique la plus efficace ! Ch. 1 - 86

Intro Cycle de l'eau Aquifère Dynamique temp. Vulnérabilité Conclusion 1 - Couplage : eau de surface/eau souterraine P 2 – Aquifère et types d'aquifère ETR QS Non saturée QW Nappe libre Nappe captive Saturée 5 – Dynamique temporelle du niveau piézométrique 6 – Vulnérabilité des eaux souterraines QT = QS + QW 3 – Configuration et structure de l'aquifère Lien entre propriétés et processus (Fonctions de stockage et de conduite) 4 – Prise en compte de l'hétérogénéité des propriétés (notion d'échelle : VER) Ch. 1 - 87

Intro Cycle de l'eau Aquifère Dynamique temp. Vulnérabilité Conclu. Bibliographie Dictionnaire d'hydrogéologie : définitions http: //www. cig. ensmp. fr/~hubert/glu/HINDFRHG. HTM Ouvrages : Principes et méthodes de l'hydrogéologie, Castany (1982) Hydrogéologie, Banton et Bangoy (1997) Comprendre et estimer les écoulements souterrains et le transport des polluants, De Marsily (1996) Ch. 1 - 88