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IUP/GSI: Notions d’Hydrogéologie Lorenzo Spadini. 1. Composition des eaux continentales 2. Définition et exemples d’aquifères Cycle hydrique Aquifères alluvionnaires Aquifères karstiques Aquifères fissurés Aquifères multicouches, aquifères captifs, porosité & perméabilité
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IUP/GSI: Notions d’HydrogéologieLorenzo Spadini • 1. Composition des eaux continentales • 2. Définition et exemples d’aquifères • Cycle hydrique • Aquifères alluvionnaires • Aquifères karstiques • Aquifères fissurés • Aquifères multicouches, aquifères captifs, porosité & perméabilité • 3. La carte piézométrique • Hydrogéologie régionale… • Carte piézométrique, hydroisohypses, surface piézométrique • Méthode d’interpolation triangulaire • Axes d’écoulements: avec exercice • 4. La loi de Darcy • Porosité et Perméabilité • La loi de Darcy
Cycle de l’eau • Eau de pluie: PEU CHARGEE:eau pure + gaz dissous (N2, O2, CO2, HCO3- ) • Eau souterraine: CHARGE MOYENNE:Cations majeurs: Ca++,Mg++,K+, Na+Anions majeurs: HCO3-,SO42-, NO3-, Cl-Composant neutre:Si(OH)4,.Dissolution des minéraux constituant les roches de l’aquifère: Solubilités et Vitesses de dissolution des minéraux: -. Eau hydrothermale FORTEMENT CHARGEECations: Fe(II), + cations eau potableAnions: H2S au lieu de SO42-Degazage de H2S toxique et très nauséabonde, et l’oxidation du Fer de Fe(II) en Fe(III) suite au contacte avec l’oxygène. Eau de mer: TRES FORTEMENT CHARGEECations majeurs: Na+, Mg++,Ca++, K+,Anion majeurs: Cl-, SO42-,Océan = bassin d’évaporation: Na+ et Cl-, sont très solubles >> concentrations élevées
Composition des eaux minérales PERRIER
Zone d’alimentation relativement importante Le Bassin versant précipitations Evaporation neige transport sédiments risques morphologie infiltration propagation crue pollution inondations hydrologie urbaine échanges nappe rivière Zone d’alimentation d’importance réduite
1) Aquifères alluvionnaires • Remplissage alluvionnaire • Limite zone saturée ZS vs. zone non saturée ZNS • Battement de nappes • Définition possible d’une surface piézométrique (~ hauteur d’eau pour les nappes libres)
Calcite composante minérale essentielle Eau circulant dans des chenaux sur différents niveaux, du fait… 2) Aquifères karstiques • Circulation rapide>> filtration peu efficace, >> dégradation incomplète de la matière organique >> problèmes de qualités de l’eau (germes pathogènes, matières fécales, turbidité) >> Traitement de l’eau ayant circulé dans ces massifs • Système sensible aux crues>> débit des sources variables, >> crues ~ pièges de spéléologues >> Qualité de l’eau très variable (orage synonyme d’arrivées d’eaux turbides). • L’eau se fait rare en surface> peu de centres urbains sur les plateaux (exemples : massif du Vercors, Chartreuse) • Difficile localisation de l’eau dans le sous-sol a partir de la surface>> recherche d'eau fastidieuse, forages profonds.
3) Milieux fissurés Colonne d’eau à élévation importante >> forte charge Tunnel • Eau circulant dans les fissures générées par contraintes tectoniques • Pas de desseins de dissolution chimiques prépondérantes à grande échelle < > karst • Risques géotechniques en fonction de charges d’eau potentiellement importantes • Filtration, qualité etc. simile karst.
Aquifères alluvionnaires comparés aux milieux fissurés: Facilité de prédiction de la présence d’eau: La présence d’une zone saturée et d’un milieu poreux constitué de ‘petits pores interconnectés’ (interstices entre galets, grains de sables & fines) permet naturellement une facile prédiction du niveau d’eau dans le sous-sol d’un point à l’autre. Bonne filtration, vitesses de circulation faibles> meilleure qualité, effets de crues relativement ‘tamponnés’ par l’important ‘volume’ disponible en sous-sol (battements de nappes), etc.
Symbole de limite de captivité Nappe captive Nappe libre Formation imperméable ZNS Surface piézométrique ZS Formation perméable Exemples d’aquifères multicouches Dépôts argileux en régime d’écoulemetn faible (milieu lacustre, front de vallée etc.) La couche de séparation argileuse génère deux systèmes hydriques à charge différentes. On imagine des charges dépassant la limite de la surface du sol par la situation suivante: Hétérogénéités locales
Autres sources en milieux à pente raide: * Eboulis * Cônes de déjection Captivités et Sources Représentation schématique des écoulements au niveau des sources de la Rive (Bourg d’Oisans) dans la vallée de la Romanche. Ce type d’aquifère est caractéristique de la région de Grenoble et c’est dans des aquifères équivalents, sur le Drac ou sur la Romanche plus au sud, qu’est pompée l’eau qui alimente Grenoble.
Quelques paramètres hydrogéologiques Porosité: VV / Vtot (volume des vides divisé le volume total) Perméabilité K : Résistance à l’avancement de l’eau Plus la taille des grains est faible plus la résistance à l’avancement de l’eau est importante. Les formations argileuses sont considérées comme imperméables en terme de production d’eau.
Vitesse et ‘mode’ de circulation des eaux souterraines Le mouvement de l’eau dans le sous-sol peut être comparé à l’écoulement d’un liquide visqueu – l’eau doit contourner les objets ce qui lui confère cette caractéristique imagée. Le pompage générera ainsi un rabattement de la nappe – similaire à ce qui pourrait correspondre au retrait ponctuel de miel dans un pot. ØAquifères alluvionnaires superficiels: ~ 1 à 10 km/an > bonne filtration et apports adéquats ØMilieux fissurés: circulation beaucoup plus rapide, ~ km/jour ou plus > mauvaise filtration & qualité. ØAquifères profond (eau à < 100 m de profondeur): ~ 1 à 100 m/an. Filtration très bonne, mais recharge lentes > peu d’eau > il faut ménager les ressources difficilement renouvelables.
Courbes de mêmes niveau d’eau (cas de nappes libres). Plus précisèment courbes de même pression hydrostatique. Isopièzes (ou hydroisohypses)
Carte Piézométrique • Piézomètre: tube d’observation du niveau d’eau planté dans le sol. Coté. • Hydroisohypse (synonyme isopièze): courbe de même niveau d’eau dans le sous-sol (cas des nappes libres). Plus précisément: courbes de même pression hydrostatique. • Carte piézométrique: Carte donnant les niveaux d’eau dans le sous-sol. • Surface piézométrique: niveau d’eau (variable) dans le sous-sol. Généralement tracé le long d’une coupe. • Axe d’écoulement: flèche pointant vers le bas, en direction de la plus grande pente sur une carte piézométrique.
Interpolation par méthode des triangles … suivi du lissage après finition de la carte Interpolation sur 3 piézos voisins…
Parenthèse: protection des captages d’eau potable Récupération des eaux propres Protection contre infiltration des eaux superficielles !!!
La Loi de Darcy A (Section de passage totale) Aeau / Atot ~ Veau / Vtot = Q/A = K i = vap [m/s]Q/A/ = K i / = veff [m/s] ou: vap / vef = : porosité V: Volume [m3] v: vitesse (ap=apparente; ef=efficace ou réelle) [m/s]
h4 h3 h2 S3 S2 S1 h1 Manips sur bac à sable Loi de Darcy Q = K A i* mesurer A et i sur 3 sections dans le bac à sable (linéarisation de l’équation de Dupuis * Les produits A * i sur les trois sections 1, 2, 3 doivent être constant! Pourquoi ? Gradients hydrauliques linéarisés Arrivée d'eau Niveau d'eau (surface piézo- métrique) ΔL1 ΔL2 ΔL3
Exercices 1) Placer les axes d’écoulement sur la carte piézométrique (carte dans polycop). 2) Construire les hydroisohypses manquantes par méthode de triangulation 3) Lisser les hydroisohypses obtenues; extrapoler vers les murs imperméables. 4) Déterminer si oui ou non les puits de la ville de Grenoble peuvent recevoir des eaux souterraines provenant des zones industrielles (Jarrie et Fontagnieux).
