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Hydrogéologie

Hydrogéologie. 1ère année (2007-2008) Strasbourg – Février 2008 Adrien Wanko & Sylvain Payraudeau. Pourquoi un enseignement d'hydrogéologie ?. L'eau souterraine = composante du cycle de l'eau Ressource en eau Vulnérabilité Contrainte en génie civil. Objectifs de cet enseignement.

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Presentation Transcript

  1. Hydrogéologie 1ère année (2007-2008) Strasbourg – Février 2008 Adrien Wanko & Sylvain Payraudeau

  2. Pourquoi un enseignement d'hydrogéologie ? L'eau souterraine = composante du cycle de l'eau Ressource en eau Vulnérabilité Contrainte en génie civil

  3. Objectifs de cet enseignement • Avoir la maîtrise du rôle des matériaux constituant le sous sol et les structures hydrogéologiques, • Savoir exploiter les connaissances hydrauliques afin de déterminer l’influence des matériaux géologiques sur la circulation et la qualité des eaux souterraines, • Acquérir des méthodes quantitatives permettant la planification des captages, l’exploitation et la gestion de l’eau souterraine (objet des 8 h de TD).

  4. 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)

  5. 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

  6. 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

  7. Hydrogéologie : définitions • Définition 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 & DeWiest, 1966) • But 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 aux besoins de l’humanité. On pourrait aussi adopter le nom d’Hydrologie souterraine.

  8. Hydrogéologie : à l'interface de deux disciplines Attesté en 1802 : naturaliste français Lamarck Géologie Hydrologie 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.

  9. Lucas (1880) Hydrogéology Powell (1885) Hydric geology Hydrogéologie : Historique Platon et le Tartare Lamark (1802) Aristote et les montagnes de Thrace Hydrogéologie Thalès de Milet, Lucrèce et les vents de mer Descartes et les canaux souterrains Palissy, Mariotte une conception nette des eaux souterraines.

  10. Références bibliographiques

  11. Références bibliographiques

  12. Disponibilité mondiale des ressources en eau 3% (Jacques, 1996) 23%

  13. Répartition des nappes souterraines dans le monde Disponibilité mondiale des ressources en eau (volumes, en 106 km3) Europe 1.6 (6.8 %) Asie 7.8 (33.3 %) Afrique 5.5 (23.5 %) Amérique du Nord 4.3 (18.48 %) Amérique du Sud 3.0 (12.8 %) Australie 1.2 (5.1 %)

  14. Disponibilité mondiale des ressources en eau La ressource doit être >1500 m3/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.

  15. Description et mécanismes en jeu Stock : km3 Atmosphère :13 000 Glacier :27500 000 Lacs et rivières :200 000 Océan :1 350000 000 Aquifères souterrains :8400 000

  16. Le moteur -l’énergie solaire -la gravité Précipitations ( pluie, grêle, neige) Atmosphère Surface Surface Atmosphère Évaporation, sublimation, transpiration Description et mécanismes en jeu • Le cycle de l’eau Le cycle de l’eau ou cycle hydrologique décrit le constant mouvement de l’eausur et sous la Terre. L’eau passe des états solides, liquides et gazeux dans ce cycle. • Le cycle à une échelle réduite

  17. 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 hm3/an) dans le bassin de l’Hallue (Somme)

  18. 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 ?

  19. Cycle de l’eau : temps de résidence Temps de résidence Sous systèmes et échanges

  20. -Contribution des eaux sout. durant les crues ( ) -Contribution des eaux sup. durant les étiages ( ) Vulnérabilité à la pollution 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

  21. 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

  22. Limite latérale Limite latérale Aquifères schématisation Limite supérieure ou surface piézométrique Limite inférieure ou substratum (imperméable)

  23. Types d’aquifères, Types de nappes Aquifères confinés / aquifères non confinés

  24. 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)

  25. Configuration : dimensions Identification du bassin hydrogéologique (= bassin superficiel ?) Thalweg Ligne de crête Exutoire

  26. Configuration : dimensions Le cas de la Sorgues (Vaucluse) : contexte karstique Écoulement moyen annuel de 18.5 m3/s Bassin géologique surface : 2500 km2 écoulement en mm : 233 Bassin topographique surface : 15 km2 écoulement en mm : 38 000 !!! D'après Gaume – DEA STE – 2002-2003

  27. Bassin topographique A Bassin topographique B Source Bassin réel A Bassin réel B Configuration : dimensions D'après Roche - Hydrologie de surface, Ed. Gauthier-Villars, Paris 1963.

  28. Configuration : dimensions

  29. Configuration : dimensions

  30. 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

  31. 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 Rétrécissement Courbes convexes en direction de l'écoulement (nappe  rivière) Zone marécageuse Courbes concaves en direction de l'écoulement (rivière  nappe) Équilibre (nappe  rivière) méandres Nappe soutenue

  32. 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 :

  33. h Cas 1 Cas 2 h Décompression Décompression Artésianisme (coût) Configuration : surface piézométrique Aquifère à nappe captive (ou nappe confinée ; confined aquifer) (variante semi-captive) : Un matériau aquifère qui est recouvert d'un matériau imperméable h > zeau Pression (poids de la colonne) zEAU z Densité des matériaux  2.5 2.5 bar/10m Ex. bassin de Paris : sables albiens 600m = 150 bar

  34. Aquifère bi-couche Substratum Configuration : surface piézométrique Synthèse…

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

  36. Structure : formations hydrogéologiques Où trouvent-on des aquifères ? 1 - Nappes alluviales 2 - Bassins sédimentaires 3 - Systèmes karstiques 4 - Socles fissurés 5 - Environnements volcaniques

  37. 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)

  38. Structure : formations hydrogéologiques 1 - Nappes alluviales : Plaine du Rhin Fossé d'effondrement Comblé d'alluvions récentes : (puissance du comblement  100m) Matériaux saturés jusqu'à la surface Une des nappes les plus importantes d'Europe Horst Graben

  39. 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))

  40. Structure : formations hydrogéologiques

  41. Structure : formations hydrogéologiques 3 - Systèmes karstiques Dissolution des roches carbonatées Variations saisonnières importantes (10aine 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)

  42. Structure : formations hydrogéologiques 3 - Systèmes karstiques (Crochet, 1996)

  43. 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 3: Roches compactes fissurées du socles D'après Castany, 1982 Intérêts de la prospection géophysique électrique ou sismique

  44. 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)

  45. 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

  46. Structure :granulométrie (FONCTION de STOCKAGE) Milieu non consolidé : distribution de la taille des grains Pourcentage d'éléments qui traverse le tamis 100% d10 : paramètre caractéristique d'un matériau 50% 10% d10 Log du diamètre du tamis (mm) 100 10 0.1 1

  47. Q1 Structure :porosité (FONCTION de STOCKAGE) Porosité (pore) Vmatériau Vpore = Vvide = Veau + Vgaz Vtotal Vpore Vtotal n = Eq 1.1 Avec : Vpore etVtotal [L3] n (fraction entre 0 et 1 ou 0 et 100%) [adim.] Porosité de fissure

  48. Structure :porosité (FONCTION de STOCKAGE) Porosité et granulométrie : Type cubique Type rhomboédrique n = 25.9 % n = 47.6 %

  49. Porosité ouverte : Rapport du volume des vides intercommunicants d'un milieu poreux à son volume total; Eaux pelliculaires + eaux capillaires 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 Structure :différentesporosités Porosité totale >= porosité ouverte >= porosité efficace

  50. Q1 Structure :différentesporosités Porosité primaire : Très faible pour roches plutoniques, métamorphiques, volcaniques Conductivité hydraulique faible : 10-13 à 10-11 m/s (métamorphique)  3000 an pour 1m Porosité secondaire : Due à l'altération et à la fracturation

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