initiation la dynamiquedes eaux souterraines

alimentation, coulement, rgime

confrence au CEFIGRE(session de formation sur l'exploitation et la gestion

des ressources en eau souterraine - juin 1 987)

- 3 MAR. ID. S

BRGM

initiation la dynamiquedes eaux souterraines

alimentation, coulement, rgime

confrence au CEFIGRE(session de formation sur l'exploitation et la gestion

des ressources en eau souterraine - juin 1987)

J. Margat

juillet 198787 S G N 511 E A U

BUREAU DE RECHERCHES GEOLOGIQUES ET MINIERESSERVICE GOLOGIQUE NATIONAL

Dpartement EauB.P. 6009 - 45060 ORLANS CEDEX 2 - France - Tl.: (33) 38.64.34.34

AVANT-PROPOS

Cet opuscule est le texte d'une confrence expose au cours d'une session deformation sur "L'exploitation et la gestion des ressources en eau souterraine" duCentre de formation international la gestion des ressources en eau (CEFIGRE), Sophia-Antipolis en mai-juin 1987.Prpar l'attention de stagiaires africains pour la plupart sans formationspcialise en hydrogologie, ce document pdagogique, illustr volontairement pardes exemples exclusivement africains et prsent en termes aussi physiques quepossible, peut servir d'aide-mmoire aux hydrogologues dbutants et contribuer d'autres actions de formation.

Il comporte quelques renvois aux confrences introductives de la session du CEFIGREmentionne ci-dessus, qui ont galement t dites comme rapport du BRGM(87 SGN 510 EAU).

AVANT-PROPOS

Cet opuscule est le texte d'une confrence expose au cours d'une session deformation sur "L'exploitation et la gestion des ressources en eau souterraine" duCentre de formation international la gestion des ressources en eau (CEFIGRE), Sophia-Antipolis en mai-juin 1987.Prpar l'attention de stagiaires africains pour la plupart sans formationspcialise en hydrogologie, ce document pdagogique, illustr volontairement pardes exemples exclusivement africains et prsent en termes aussi physiques quepossible, peut servir d'aide-mmoire aux hydrogologues dbutants et contribuer d'autres actions de formation.

Il comporte quelques renvois aux confrences introductives de la session du CEFIGREmentionne ci-dessus, qui ont galement t dites comme rapport du BRGM(87 SGN 510 EAU).

SOMMAIRE

Page

PREAMBULE

1 - BASES DE L'HYDRODYNAMIQUE SOUTERRAINELois gnrales et phnomnes fondamentaux

2 - FONCTIONNEMENT HYDRAULIQUE D'UN AQUIFEREConditions internes et facteurs externes, conditions auxlimites. Alimentation et dbit des nappes souterraines.Equilibre et dsquilibre : rgime permanent ou transitoire

REGIME DES VARIATIONS DE NIVEAU DES EAUX 17SOUTERRAINESFormes, classification selon les facteurs dominants.Signification des amplitudes

4 - REGIME DES DEBITS 39

ORIENTATION BIBLIOGRAPHIQUE 41

SOMMAIRE

Page

PREAMBULE

1 - BASES DE L'HYDRODYNAMIQUE SOUTERRAINELois gnrales et phnomnes fondamentaux

2 - FONCTIONNEMENT HYDRAULIQUE D'UN AQUIFEREConditions internes et facteurs externes, conditions auxlimites. Alimentation et dbit des nappes souterraines.Equilibre et dsquilibre : rgime permanent ou transitoire

REGIME DES VARIATIONS DE NIVEAU DES EAUX 17SOUTERRAINESFormes, classification selon les facteurs dominants.Signification des amplitudes

4 - REGIME DES DEBITS 39

ORIENTATION BIBLIOGRAPHIQUE 41

PREAMBULE

01. La dynamique des eaux souterraines, en tant que branche du savoir, est laconnaissance - la description et l'explication - des phnomnes hydrauliques quise rapportent l'tape souterraine du cycle de l'eau, depuis les pntrationsd'eau dans le sous-sol (alimentation des aquifres) jusqu'aux retours d'eau aujour (mergences visibles ou missions occultes des aquifres).

Par une extension de sens - ou "mtonymie" - courante, cette dynamiquedsigne aussi son propre objet : l'ensemble de ces phnomnes.

02. On se limitera ici la dynamique des eaux souterraines en rgime naturel,c'est--dire non influenc par l'exploitation ou par d'autres actions humaines,tout en sachant que les mmes lois gnrales de l'hydrodynamique s'appliquentaux coulements en rgime artificiellement influenc, notamment l'coulement vers un ouvrage de captage ("Hydraulique des puits et descaptages") qui sera trait par ailleurs.

03. Les rudiments exposs ici, dpouills de tout formalisme mathmatique, visentsurtout faciliter la comprhension physique des phnomnes en jeu, enpralable la consultation et l'usage d'ouvrages plus spcialiss. Us seproposent aussi d'exercer les hydrogologues et hydrauliciens fairecomprendre ces notions aux divers usagers d'eau souterraine, car cette fonctionducatriee fait partie de leur profession.

04. Qui dit dynamique dit mouvement : les eaux souterraines sont bien en effet deseaux mobiles, "courantes" et non "stagnantes", bien qu'elles soient souvent malperues comme telles - sauf aux lieux de leurs mergences -, mme si, commeon l'a rappel en Introduction, les vitesses de dplacement des eaux souterrainessont beaucoup plus lentes que celles des cours d'eau superficiels et si lesvolumes d'eau stocks dans le sous-sol - dans les rservoirs aquifres - jouent unrle considrable dans leur rgime.

05. Deux dichotomies majeures s'appliquent aux conditions offertes par lesstructures du sous-sol l'coulement de l'eau* :

La distinction entre les aquifres continus (roches poreuses), "gisements" desnappes souterraines proprement dites, et les aquifres discontinus (rochescarbonates ou cristallines fissures et fractures), siges de circulations enrseaux diversement connects ; cette distinction tant assez relative l'chelle (les eaux circulant dans un aquifre fissur localement discontinupeuvent se comporter comme une nappe souterraine d'aquifre continu l'cheUe rgionale).La distinction entre les rgimes d'coulement avec ou sans surface libre,c'est--dire avec ou sans la possibilit de variation significative du volumed'eau dans l'aquifre.

PREAMBULE

01. La dynamique des eaux souterraines, en tant que branche du savoir, est laconnaissance - la description et l'explication - des phnomnes hydrauliques quise rapportent l'tape souterraine du cycle de l'eau, depuis les pntrationsd'eau dans le sous-sol (alimentation des aquifres) jusqu'aux retours d'eau aujour (mergences visibles ou missions occultes des aquifres).

Par une extension de sens - ou "mtonymie" - courante, cette dynamiquedsigne aussi son propre objet : l'ensemble de ces phnomnes.

02. On se limitera ici la dynamique des eaux souterraines en rgime naturel,c'est--dire non influenc par l'exploitation ou par d'autres actions humaines,tout en sachant que les mmes lois gnrales de l'hydrodynamique s'appliquentaux coulements en rgime artificiellement influenc, notamment l'coulement vers un ouvrage de captage ("Hydraulique des puits et descaptages") qui sera trait par ailleurs.

03. Les rudiments exposs ici, dpouills de tout formalisme mathmatique, visentsurtout faciliter la comprhension physique des phnomnes en jeu, enpralable la consultation et l'usage d'ouvrages plus spcialiss. Us seproposent aussi d'exercer les hydrogologues et hydrauliciens fairecomprendre ces notions aux divers usagers d'eau souterraine, car cette fonctionducatriee fait partie de leur profession.

04. Qui dit dynamique dit mouvement : les eaux souterraines sont bien en effet deseaux mobiles, "courantes" et non "stagnantes", bien qu'elles soient souvent malperues comme telles - sauf aux lieux de leurs mergences -, mme si, commeon l'a rappel en Introduction, les vitesses de dplacement des eaux souterrainessont beaucoup plus lentes que celles des cours d'eau superficiels et si lesvolumes d'eau stocks dans le sous-sol - dans les rservoirs aquifres - jouent unrle considrable dans leur rgime.

05. Deux dichotomies majeures s'appliquent aux conditions offertes par lesstructures du sous-sol l'coulement de l'eau* :

La distinction entre les aquifres continus (roches poreuses), "gisements" desnappes souterraines proprement dites, et les aquifres discontinus (rochescarbonates ou cristallines fissures et fractures), siges de circulations enrseaux diversement connects ; cette distinction tant assez relative l'chelle (les eaux circulant dans un aquifre fissur localement discontinupeuvent se comporter comme une nappe souterraine d'aquifre continu l'cheUe rgionale).La distinction entre les rgimes d'coulement avec ou sans surface libre,c'est--dire avec ou sans la possibilit de variation significative du volumed'eau dans l'aquifre.

- 2 -

Le croisement de ces deux distinctions, traduit par le tableau 1, dfinit quatrecas de figures qui correspondent quatre types de conditions d'coulement des eauxsouterraines et autmt de chapitres de leur dynamique :

Tableau 1

Ecoulement surface libre

Ecoulement sanssurface libre(captivit)

Aquifre continus

Nappes libres

Nappes captives

Aquifres discontinus

Partie suprieure decertaines circulations en

rseau

La plupart des circulationsen rseau

Ces quatre cas ne sont pas raliss aussi couramment : le plus restreint estcelui des circulations en aquifre discontinu surface libre qui ne s'applique qu'auxfissures ou conduits en partie dnoys.

06. La dynamique des eaux souterraines n'est pas seulement conditionne par cescaractres des formations aquifres en tant que milieux indfinis. Elle estd'abord et surtout gouverne par les formes de connexion et les intensits deschanges d'eau avec les autres tapes du cycle naturel de l'eau : les unes et lesautres ne peuvent se dfinir qu'en se rapportant des champs dlimits dansl'espace, de mme que la dynamique des eaux superficielles est dtermine dansun domaine spatial dfini (un bassin fluvial et un rseau hydrographique).

07. Le "rgime des eaux souterraines" ou plus particulirement des nappessouterraines au sens plus courant de rgime des variations de niveau et de dbitissu (sources...), n'est que la partie visible - observable - de la dynamique deseaux souterraines.

1. BASES DE L'HYDRODYNAMIQUE SOUTERRAINE

08. Les phnomnes hydrauliques souterrains suivent les mmes lois physiques queles phnomnes hydrauliques en gnral.

Deux lois fondamentales gouvernent la dynamique des eaux souterraines :- le principe de conservation de la matire ( 09),- la loi de Darcy ( 10).

09. Le principe de conservation de la matire ("rien ne se cre, rien ne se perd") esttraduit en hydraulique par l'quation de continuit qui est celle du "bUan d'eau"-ou plutt "budget" -, dont chaque terme se rfre au mme domaine spatial("systme") et la mme dure :

- 2 -

Le croisement de ces deux distinctions, traduit par le tableau 1, dfinit quatrecas de figures qui correspondent quatre types de conditions d'coulement des eauxsouterraines et autmt de chapitres de leur dynamique :

Tableau 1

Ecoulement surface libre

Ecoulement sanssurface libre(captivit)

Aquifre continus

Nappes libres

Nappes captives

Aquifres discontinus

Partie suprieure decertaines circulations en

rseau

La plupart des circulationsen rseau

Ces quatre cas ne sont pas raliss aussi couramment : le plus restreint estcelui des circulations en aquifre discontinu surface libre qui ne s'applique qu'auxfissures ou conduits en partie dnoys.

06. La dynamique des eaux souterraines n'est pas seulement conditionne par cescaractres des formations aquifres en tant que milieux indfinis. Elle estd'abord et surtout gouverne par les formes de connexion et les intensits deschanges d'eau avec les autres tapes du cycle naturel de l'eau : les unes et lesautres ne peuvent se dfinir qu'en se rapportant des champs dlimits dansl'espace, de mme que la dynamique des eaux superficielles est dtermine dansun domaine spatial dfini (un bassin fluvial et un rseau hydrographique).

07. Le "rgime des eaux souterraines" ou plus particulirement des nappessouterraines au sens plus courant de rgime des variations de niveau et de dbitissu (sources...), n'est que la partie visible - observable - de la dynamique deseaux souterraines.

1. BASES DE L'HYDRODYNAMIQUE SOUTERRAINE

08. Les phnomnes hydrauliques souterrains suivent les mmes lois physiques queles phnomnes hydrauliques en gnral.

Deux lois fondamentales gouvernent la dynamique des eaux souterraines :- le principe de conservation de la matire ( 09),- la loi de Darcy ( 10).

09. Le principe de conservation de la matire ("rien ne se cre, rien ne se perd") esttraduit en hydraulique par l'quation de continuit qui est celle du "bUan d'eau"-ou plutt "budget" -, dont chaque terme se rfre au mme domaine spatial("systme") et la mme dure :

- 3

Qa = Qs f A R

Qa : volume d'eau entr ^ rapports cette dure sont doncQs : volume d'eau sorti j exprimables en flux moyenR : tant le stock ou Rserve

Cette quation est analogue celle d'un budget financier

Crdit = Dbit A Trsorerie

et peut aussi s'crire :

A R (stock ou Rserve) = Somme algbrique Q entr -i- Q sorti

Quelque soit la dure, courte ou longue, ou l'tendue de l'espace de rfrence -depuis un volume de terrain aquifre lmentaire (reprsent par une "maille"de modle), jusqu' l'ensemble d'une couche ou d'un massif aquifre, voire detous ceux d'un bassin -.

10. Tout coulement s'accompagne de perte de charge, d'autant plus forte - fluxgal - que la permabilit est faible, cette perte de charge se traduisant par lapente ou gradient hydraulique des niveaux de l'eau en coulement. C'est cequ'exprime la loi de DARCY :

Q = A.K.

Q tant le flux traversant la section A d'un aquifre de permabilit K, avecune perte de charge i (i = diffrence des niveaux par unit de longueur 1 suivantla direction de l'coulement). Q a la dimension d'un flux (volume/unit detemps), A celle d'une surface et K celle d'une vitesse (distance/unit detemps) ; i n'a pas de dimension - cf. fig. 1).

N.B. Cette loi, de mme que le coefficient de permabilit de DARCY K, ne vautque pour un milieu aquifre continu rel (poreux) ou "quivalent" (milieu fissurconsidr une chelle trs suprieure celle des discontinuits).

11. En consquence les niveaux, charges ou potentiels hydrauliques, des eauxsouterraines observables en diffrents points d'un mme aquifre - les niveauxd'une mme nappe souterraine - se trouvent gnralement diffrentesaltitudes. Les lignes de pentes de leur lieu gomtrique, la surfacepizomtrique, indiquent les directions d'coulement et ces pentes refltent ladistribution des dbits d'coulements locaux, des permabilits et des paisseursde l'aquifre. Seule une nappe souterraine immobile - donc dbit nul - auraitune surface horizontale similaire celle d'un lac clos.

- 3

Qa = Qs f A R

Qa : volume d'eau entr ^ rapports cette dure sont doncQs : volume d'eau sorti j exprimables en flux moyenR : tant le stock ou Rserve

Cette quation est analogue celle d'un budget financier

Crdit = Dbit A Trsorerie

et peut aussi s'crire :

A R (stock ou Rserve) = Somme algbrique Q entr -i- Q sorti

Quelque soit la dure, courte ou longue, ou l'tendue de l'espace de rfrence -depuis un volume de terrain aquifre lmentaire (reprsent par une "maille"de modle), jusqu' l'ensemble d'une couche ou d'un massif aquifre, voire detous ceux d'un bassin -.

10. Tout coulement s'accompagne de perte de charge, d'autant plus forte - fluxgal - que la permabilit est faible, cette perte de charge se traduisant par lapente ou gradient hydraulique des niveaux de l'eau en coulement. C'est cequ'exprime la loi de DARCY :

Q = A.K.

Q tant le flux traversant la section A d'un aquifre de permabilit K, avecune perte de charge i (i = diffrence des niveaux par unit de longueur 1 suivantla direction de l'coulement). Q a la dimension d'un flux (volume/unit detemps), A celle d'une surface et K celle d'une vitesse (distance/unit detemps) ; i n'a pas de dimension - cf. fig. 1).

N.B. Cette loi, de mme que le coefficient de permabilit de DARCY K, ne vautque pour un milieu aquifre continu rel (poreux) ou "quivalent" (milieu fissurconsidr une chelle trs suprieure celle des discontinuits).

11. En consquence les niveaux, charges ou potentiels hydrauliques, des eauxsouterraines observables en diffrents points d'un mme aquifre - les niveauxd'une mme nappe souterraine - se trouvent gnralement diffrentesaltitudes. Les lignes de pentes de leur lieu gomtrique, la surfacepizomtrique, indiquent les directions d'coulement et ces pentes refltent ladistribution des dbits d'coulements locaux, des permabilits et des paisseursde l'aquifre. Seule une nappe souterraine immobile - donc dbit nul - auraitune surface horizontale similaire celle d'un lac clos.

4 -

< L

Q

m^/sA . K . i

m^ m /si= hl-h2

Fig. 1 - Loi de Darcy.

4 -

< L

Q

m^/sA . K . i

m^ m /si= hl-h2

Fig. 1 - Loi de Darcy.

12. Un aquifre est le sige de deux phnomnes hydrauliques essentiels :

(1) Le dplacement ou coulement de l'eau, similaire un courant d'eau de surface,permis par la transmissivit (permabilit x paisseur de l'aquifre)*.

(2) La propagation de variation de niveau - de charge au potentiel hydraulique -,similaire celle d'une onde de crue ou une transmission de pressionhydraulique, permise par la diffusivit (quotient de la transmissivit par lecoefficient d'emmagasinement T/S)*.

Cette propagation est plus rapide dans un aquifre nappe captive ( fortediffusivit puisque son emmagasinement est trs faible), analogue une"conduite force", que dans un aquifre nappe libre o l'emmagasinement plusfort diminue la diffusivit ; elle est dans tous les cas beaucoup plus rapide quela vitesse d'coulement.

13. Ces phnomnes sont directionnels.

- L'coulement de l'eau souterraine est tridimensionnel. Les composanteshorizontales sont souvent prdominantes ce qui autorise reprsenterl'coulement d'une nappe souterraine dans une couche aquifre peu pentue demanire bidimensionnelle : donc schmatiser l'aquifre par un"monocouche", dcrire la distribution des transmissivits par une carte et construire une surface pizomtrique unique (carte des potentielshydrauliques).Toutefois des composantes verticales ne sont pas ngligeables dans lescirculations en aquifre discontinus, au voisinage de site d'change d'eau avecla surface (infiltration de cours d'eau, mergence) et elles sont prdominantesdans les formations peu permables intercales entre aquifres superposs(phnomne de drainance) ainsi que dans les zones non satures, sigesd'infiltration ou d'ascension capillaire. Elles ne permettent plus laconstruction d'une seule surface pizomtrique (chacune devant correspondre une profondeur de mesure de charge dfinie) et ncessitant plutt desreprsentations en coupe.

- Les propagations de variation de charge hydraulique se font peu prsindpendamment des sens d'coulement de l'eau souterraine, dans toutes lesdirections partir des lieux d'origine des impulsions - la manire d'ondesdclenches par un objet jet l'eau ou d'un "mascaret" qui remonte lecourant d'un fleuve sous l'impulsion des mares son embouchure... -.

14. Les effets de ces phnomnes sont superposables. Les ondes de variation deniveau propages depuis diffrentes origines peuvent se superposer et s'ajouteraux changements de niveau lis des changements de dbit d'coulement deseaux souterraines : en tout point d'un aquifre les variations de niveau peuventrsulter de la somme algbrique de plusieurs effets. C'est ce qu'on appelle la loide superposition des influences.

12. Un aquifre est le sige de deux phnomnes hydrauliques essentiels :

(1) Le dplacement ou coulement de l'eau, similaire un courant d'eau de surface,permis par la transmissivit (permabilit x paisseur de l'aquifre)*.

(2) La propagation de variation de niveau - de charge au potentiel hydraulique -,similaire celle d'une onde de crue ou une transmission de pressionhydraulique, permise par la diffusivit (quotient de la transmissivit par lecoefficient d'emmagasinement T/S)*.

Cette propagation est plus rapide dans un aquifre nappe captive ( fortediffusivit puisque son emmagasinement est trs faible), analogue une"conduite force", que dans un aquifre nappe libre o l'emmagasinement plusfort diminue la diffusivit ; elle est dans tous les cas beaucoup plus rapide quela vitesse d'coulement.

13. Ces phnomnes sont directionnels.

- L'coulement de l'eau souterraine est tridimensionnel. Les composanteshorizontales sont souvent prdominantes ce qui autorise reprsenterl'coulement d'une nappe souterraine dans une couche aquifre peu pentue demanire bidimensionnelle : donc schmatiser l'aquifre par un"monocouche", dcrire la distribution des transmissivits par une carte et construire une surface pizomtrique unique (carte des potentielshydrauliques).Toutefois des composantes verticales ne sont pas ngligeables dans lescirculations en aquifre discontinus, au voisinage de site d'change d'eau avecla surface (infiltration de cours d'eau, mergence) et elles sont prdominantesdans les formations peu permables intercales entre aquifres superposs(phnomne de drainance) ainsi que dans les zones non satures, sigesd'infiltration ou d'ascension capillaire. Elles ne permettent plus laconstruction d'une seule surface pizomtrique (chacune devant correspondre une profondeur de mesure de charge dfinie) et ncessitant plutt desreprsentations en coupe.

- Les propagations de variation de charge hydraulique se font peu prsindpendamment des sens d'coulement de l'eau souterraine, dans toutes lesdirections partir des lieux d'origine des impulsions - la manire d'ondesdclenches par un objet jet l'eau ou d'un "mascaret" qui remonte lecourant d'un fleuve sous l'impulsion des mares son embouchure... -.

14. Les effets de ces phnomnes sont superposables. Les ondes de variation deniveau propages depuis diffrentes origines peuvent se superposer et s'ajouteraux changements de niveau lis des changements de dbit d'coulement deseaux souterraines : en tout point d'un aquifre les variations de niveau peuventrsulter de la somme algbrique de plusieurs effets. C'est ce qu'on appelle la loide superposition des influences.

- -

2. FONCTIONNEMENT HYDRAULIQUE D'UN AQUIFERE

15. L'observation du rgime des variations de niveau d'eau d'un puits ou du dbitd'une source peut tre ponctuelle. La comprhension et l'explication de ladynamique des eaux souterraines ne sont par contre possibles - comme on l'a diten prambule (cf. 06) - que dans le cadre de champs de rfrence dlimitsdans l'espace et de structure dfinie - mme approximativement -, o lesformations gologiques aquifres assurent la fois (ou parfois de manires plusou moins spares) les fonctions de rservoir et de conducteur, et dont leschanges d'eau avec l'extrieur peuvent tre identifis ou supputs : de telschamps sont appels systmes aquifres.

16. Tout aquifre est un rservoir ouvert qui reoit des apports d'eau et subit desfuites, spontanes dans les conditions naturelles : c'est un "appareil rcepteur -metteur" de flux d'eau dont les incidences respectives sur l'tat du stockpeuvent se calculer globalement - en premire analyse - de manire similaireaux "problmes de robinet" classiques et dont les rsultats se prsentent sous laforme d'quation de "bilans d'eau", toutes chelles de temps et d'espace (cf. 09).

17. Toute la dynamique de l'eau dans un aquifre est donc dtermine par lesconditions qui rgissent de l'extrieur ces apports et ces fuites, et l'intrieurles coulements et les propagations de variations de charge Ah, interactivesavec les variations du stock :

- Les conditions externes - facteurs actifs - s'appliquent aux limites, d'ol'expression courante de conditions aux limites, et peuvent tre permanentesou variables.

- Les conditions internes, passives et stables sont les facilits offertes ou lesobstacles opposs aux coulements et aux propagations de Ah par lescaractres des formations gologiques constituantes (les paramtres quidfinissent les proprits conductrices et accumulatrices des roches) et parles structures qui agencent la distribution de ces paramtres et lesdiffrentes formations pouvant composer un systme aquifre, notamment :existence ou non d'une couverture peu permable donc de la possibilit denappe libre ou captive...). Ces conditions se dfinissent donc deux chelles :ceUe des proprits des roches et celle des structures gologiques*.

18. Ces conditions aux limites d'un systme aquifre, qui dpendent de l'extrieur :

- s'appliquent soit des surfaces, soit des lignes, soit plus rarement despoints singuliers ;

- peuvent correspondre :. soit des entres d'eau, ou affluences : lignes ou aires d'alimentation ;. soit des sorties d'eau (exutoires) : points, lignes ou aires d'mergence,

d'mission.

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2. FONCTIONNEMENT HYDRAULIQUE D'UN AQUIFERE

15. L'observation du rgime des variations de niveau d'eau d'un puits ou du dbitd'une source peut tre ponctuelle. La comprhension et l'explication de ladynamique des eaux souterraines ne sont par contre possibles - comme on l'a diten prambule (cf. 06) - que dans le cadre de champs de rfrence dlimitsdans l'espace et de structure dfinie - mme approximativement -, o lesformations gologiques aquifres assurent la fois (ou parfois de manires plusou moins spares) les fonctions de rservoir et de conducteur, et dont leschanges d'eau avec l'extrieur peuvent tre identifis ou supputs : de telschamps sont appels systmes aquifres.

16. Tout aquifre est un rservoir ouvert qui reoit des apports d'eau et subit desfuites, spontanes dans les conditions naturelles : c'est un "appareil rcepteur -metteur" de flux d'eau dont les incidences respectives sur l'tat du stockpeuvent se calculer globalement - en premire analyse - de manire similaireaux "problmes de robinet" classiques et dont les rsultats se prsentent sous laforme d'quation de "bilans d'eau", toutes chelles de temps et d'espace (cf. 09).

17. Toute la dynamique de l'eau dans un aquifre est donc dtermine par lesconditions qui rgissent de l'extrieur ces apports et ces fuites, et l'intrieurles coulements et les propagations de variations de charge Ah, interactivesavec les variations du stock :

- Les conditions externes - facteurs actifs - s'appliquent aux limites, d'ol'expression courante de conditions aux limites, et peuvent tre permanentesou variables.

- Les conditions internes, passives et stables sont les facilits offertes ou lesobstacles opposs aux coulements et aux propagations de Ah par lescaractres des formations gologiques constituantes (les paramtres quidfinissent les proprits conductrices et accumulatrices des roches) et parles structures qui agencent la distribution de ces paramtres et lesdiffrentes formations pouvant composer un systme aquifre, notamment :existence ou non d'une couverture peu permable donc de la possibilit denappe libre ou captive...). Ces conditions se dfinissent donc deux chelles :ceUe des proprits des roches et celle des structures gologiques*.

18. Ces conditions aux limites d'un systme aquifre, qui dpendent de l'extrieur :

- s'appliquent soit des surfaces, soit des lignes, soit plus rarement despoints singuliers ;

- peuvent correspondre :. soit des entres d'eau, ou affluences : lignes ou aires d'alimentation ;. soit des sorties d'eau (exutoires) : points, lignes ou aires d'mergence,

d'mission.

19. Deux sortes de conditions aux limites, de natures hydrauliques diffrentes, sont bien distinguer (cf. fig. 2) :

(1). Des conditions de flux impos : flux constant ou le plus souvent variable, continuel ou intermittent, entrant(alimentation) ou sortant (flux soustrait par les conditions extrieures : cas del'vapo-transpiration).

Dans les bassins sdimentaires composs, en alternance, de couches aquifreset semi-permables, ces conditions de flux s'appliquent aussi aux murs ou toitsdes aquifres qui changent des flux avec les voisins travers les formationssemi-permables intercalaires (drainance) : ces flux sont en effet fonction despermabilits verticales de ces intercalations et de diffrences de charge assezstables entre les aquifres metteurs et rcepteurs.

Cas limite, ^ais trs frquent : Flux nul ou quasi-nul, traductionhydraulique d'une barrire "impermable" (en pratique au contactlatral avec une formation beaucoup moins permable).

(2). Des conditions de niveau (= potentiel hydraulique) impos :

niveau fixe (point ou ligne d'mergence : source, rive de plan d'eau fluvial oulacustre stable, littoral - niveau moyen de la mer -) ou niveau variable (fleuveen crue/dcrue, niveau de la mer court terme - mares -).

Ces conditions de niveau dterminent elles-mmes des flux d'change plus oumoins variables entre l'aquifre et l'extrieur :

- flux entrant (infiltration d'un fleuve...), ::.- flux sortant (mergence),- flux alternatif.

20. Les correspondances entre ces deux sortes de conditions aux limites et les deuxsens des flux d'change entre l'aquifre et l'extrieur peuvent se rsumer par letableau 2 suivant, (qu'illustre aussi la figure 2) :

19. Deux sortes de conditions aux limites, de natures hydrauliques diffrentes, sont bien distinguer (cf. fig. 2) :

(1). Des conditions de flux impos : flux constant ou le plus souvent variable, continuel ou intermittent, entrant(alimentation) ou sortant (flux soustrait par les conditions extrieures : cas del'vapo-transpiration).

Dans les bassins sdimentaires composs, en alternance, de couches aquifreset semi-permables, ces conditions de flux s'appliquent aussi aux murs ou toitsdes aquifres qui changent des flux avec les voisins travers les formationssemi-permables intercalaires (drainance) : ces flux sont en effet fonction despermabilits verticales de ces intercalations et de diffrences de charge assezstables entre les aquifres metteurs et rcepteurs.

Cas limite, ^ais trs frquent : Flux nul ou quasi-nul, traductionhydraulique d'une barrire "impermable" (en pratique au contactlatral avec une formation beaucoup moins permable).

(2). Des conditions de niveau (= potentiel hydraulique) impos :

niveau fixe (point ou ligne d'mergence : source, rive de plan d'eau fluvial oulacustre stable, littoral - niveau moyen de la mer -) ou niveau variable (fleuveen crue/dcrue, niveau de la mer court terme - mares -).

Ces conditions de niveau dterminent elles-mmes des flux d'change plus oumoins variables entre l'aquifre et l'extrieur :

- flux entrant (infiltration d'un fleuve...), ::.- flux sortant (mergence),- flux alternatif.

20. Les correspondances entre ces deux sortes de conditions aux limites et les deuxsens des flux d'change entre l'aquifre et l'extrieur peuvent se rsumer par letableau 2 suivant, (qu'illustre aussi la figure 2) :

.- 8 -fig. 2- LIMITES NATURELLES DE SYSTEMES AQUIFERES (schmas bidimensionnels )

r LIMITES A CONDITION DE POTENTIELlignas surfacai LIMITES A CONDITION DE FLUXI Ignas i urfocaaFLUX NUL

LIMITES

TANCHES

" .....;.. .'.!.. ..l.i_^.^.._^._,J^-^3

FLUX

ENTRANT

LIMITES

D'ALIMENTATION

lac , bassin

/?///////////.COURS D'EAUINFILTRANT

(urfaca libra \_ loL^___;__._> >p-> :-i7T^ -.-.I ;

COURS D'EAU INFILTRANT COLMAT

yy/'y/////vy>/////^^^-'^AIRE D'INFILTRATION

ruistall

777777777777} .COURS D'EAU PERCHE

"777777777777777777777^

AIRES D'AFFLUENCE(oquifarai sami- coptifi)

LIMITE SEMI-PERENNE

FLUX

SORTANT

LIMITES

D'MERGENCE

drains sources

V V'r^'Pz^m^^^zTz^zm^^

loc

.^aau lallt'RIVAGE

J.surface libra

V7Z777777777777777?7777y

COURS D'EAU DRAINANT AIRE D'EXFILTRATIONET D'VAPORATION

"z^^z^//////////////^- CONDUIT KARSTIQUENOY .COLLECTEUR r)^Trrrr77-rr7777777777.

r^777777777777777777777/avaporotion _

iHfflLIGNES DE SOURCES

V777777777777777777777\AIRES D' EFFLUENCE(oqulfjras samI- coptifs)

zona non soturaaaquifra satura'

. (ami - parmoblaimparma'obla

nivaou imposa' profil pla'zoma'triqua

__^ profil da lurfoca limita

DIRECTIONS DE FLUXI Y an zona non sotura'aI ^^ an zona sotura'a

.- 8 -fig. 2- LIMITES NATURELLES DE SYSTEMES AQUIFERES (schmas bidimensionnels )

r LIMITES A CONDITION DE POTENTIELlignas surfacai LIMITES A CONDITION DE FLUXI Ignas i urfocaaFLUX NUL

LIMITES

TANCHES

" .....;.. .'.!.. ..l.i_^.^.._^._,J^-^3

FLUX

ENTRANT

LIMITES

D'ALIMENTATION

lac , bassin

/?///////////.COURS D'EAUINFILTRANT

(urfaca libra \_ loL^___;__._> >p-> :-i7T^ -.-.I ;

COURS D'EAU INFILTRANT COLMAT

yy/'y/////vy>/////^^^-'^AIRE D'INFILTRATION

ruistall

777777777777} .COURS D'EAU PERCHE

"777777777777777777777^

AIRES D'AFFLUENCE(oquifarai sami- coptifi)

LIMITE SEMI-PERENNE

FLUX

SORTANT

LIMITES

D'MERGENCE

drains sources

V V'r^'Pz^m^^^zTz^zm^^

loc

.^aau lallt'RIVAGE

J.surface libra

V7Z777777777777777?7777y

COURS D'EAU DRAINANT AIRE D'EXFILTRATIONET D'VAPORATION

"z^^z^//////////////^- CONDUIT KARSTIQUENOY .COLLECTEUR r)^Trrrr77-rr7777777777.

r^777777777777777777777/avaporotion _

iHfflLIGNES DE SOURCES

V777777777777777777777\AIRES D' EFFLUENCE(oqulfjras samI- coptifs)

zona non soturaaaquifra satura'

. (ami - parmoblaimparma'obla

nivaou imposa' profil pla'zoma'triqua

__^ profil da lurfoca limita

DIRECTIONS DE FLUXI Y an zona non sotura'aI ^^ an zona sotura'a

Tableau 2

^**^^^_^^ ConditionsSens . ^^^sitt limitesd'chang ^^"^-^n...,,^^

Flux entrantAPPORT

Flux sortantEmission,

DEBIT

Flux nul

Conditions deflux

Surface de nappe libre,rceptrice d'infiltration.Limite semi-permable(drainance affluente).

Berge colmate d'un coursd'eau "infiltrant".

Perte de rivire (karst)

Surface de nappe libre sujette vapotranspiration.

Limite semi-permable(drainance effluente)

Limite impermable (substratum,toit, paroi de l'aquifre)

Conditions de niveau(potentiel)

Rive de cours d'eau ou lacen liaison hydrauliqueavec l'aquifre et niveau plus lev

Source, aire d'mergence ;rive de cours d'eau ou lac

en liaison hydrauliqueavec l'aquifre et niveauplus bas. Littoral (niveau

de la mer).

21. Les entres et sorties d'eau des aquifres, c'est--dire les origines et modesd'alimentation des nappes souterraines d'une part, les formes et modesd'mission - ou effluence - des nappes souterraines d'autre part, qui serontpasss en revue plus classiquement ci-aprs, correspondent des changessymtriques avec trois grands domaines extrieurs :

- l'atmosphre, via le sol (zone non sature) et la vgtation,- les eaux superficielles,- les aquifres limitrophes (voisins, superposs, sous-jacents).

Ces changes se rpartissent ainsi suivant trois "lignes budgtaires" dans le plancomptable gnral de tous les "bilans d'eau" d'aquifre (cf. tableau 3) :

Tableau 2

^**^^^_^^ ConditionsSens . ^^^sitt limitesd'chang ^^"^-^n...,,^^

Flux entrantAPPORT

Flux sortantEmission,

DEBIT

Flux nul

Conditions deflux

Surface de nappe libre,rceptrice d'infiltration.Limite semi-permable(drainance affluente).

Berge colmate d'un coursd'eau "infiltrant".

Perte de rivire (karst)

Surface de nappe libre sujette vapotranspiration.

Limite semi-permable(drainance effluente)

Limite impermable (substratum,toit, paroi de l'aquifre)

Conditions de niveau(potentiel)

Rive de cours d'eau ou lacen liaison hydrauliqueavec l'aquifre et niveau plus lev

Source, aire d'mergence ;rive de cours d'eau ou lac

en liaison hydrauliqueavec l'aquifre et niveauplus bas. Littoral (niveau

de la mer).

21. Les entres et sorties d'eau des aquifres, c'est--dire les origines et modesd'alimentation des nappes souterraines d'une part, les formes et modesd'mission - ou effluence - des nappes souterraines d'autre part, qui serontpasss en revue plus classiquement ci-aprs, correspondent des changessymtriques avec trois grands domaines extrieurs :

- l'atmosphre, via le sol (zone non sature) et la vgtation,- les eaux superficielles,- les aquifres limitrophes (voisins, superposs, sous-jacents).

Ces changes se rpartissent ainsi suivant trois "lignes budgtaires" dans le plancomptable gnral de tous les "bilans d'eau" d'aquifre (cf. tableau 3) :

10

Tableau 3

^^^'^v^,^ Sens des^^^^^changes

Milieu extrieu^s.^^d'change ^~^>>..^^

ATMOSPHEREvia sol

(zone non sature)

Eaux de surface(continentales, marines)

directement (liaison hydraulique continue), ou viasol (zone non sature)

Aquifres limitrophes

Entres d'eauALIMENTATION

"CREDIT"+

Infiltration -des eaux mtoriques

(prcipitations)

Infiltration d'eaux superficielles,"Pertes" de cours d'eau .

Egouttement d'aquifresperchs.

Ecoulement souterrain affluent.Drainance affluente.

Sorties d'eauEMISSIONS

"DEBIT"

"Exfiltration"et vapotranspiration.

Emergences* sources, cours d'eau

drainants, lacs, mer.

Ecoulement souterraineffluent.

Drainance effluente.

22. L'alimentation des aquifres (apports d'eau ou "crdits") a trois originesessentielles, pouvant tre conjugues ou exclusives selon les cas :

(1). L'infiltration des eaux mtoriques (prcipitations liquides, parfois solides) travers le sol ou zone non sature, ne s'applique qu'aux aquifres surface libre(cf. supra 20), dont c'est le mode d'alimentation dominant en zone humide -phnomne extensif, mais non uniforme ni permanent - alors qu'elle est plusclairseme et rare, voire nulle en zone aride.

Consquence directe des prcipitations, elle en pouse la rpartition rgionale,mais l'chelle locale et momentane cest un phnomne trs complexe : laquantit d'eau infiltre jusqu' la surface libre ne dpend pas seulement deshauteurs de pluie mais des changes d'eau entre la couche suprieure de la zonenon sature et l'atmosphre -des "reprises" par vapotranspiration-, de lapermabilit relative dans la zone sature qui dpend elle-mme de l'humidit.Donc elle peut varier beaucoup, rsultant son tour des prcipitationsantrieures et des conditions atmosphriques.

Comme forme d'alimentation extensive, c'est la seule qui peut s'exprimer enhauteur moyenne par unit de temps, par exemple en mm/an (quivalent unflux moyen par unit de surface : m^/an. km^...).

Selon les zones climatiques et les conditions gologiques - dont l'Afrique, enparticulier, offre une extrme varit - ces hauteurs moyennes annuellespeuvent varier d'une quelques dizaines de mm/an en zone semi-aride, plus de1000 mm/an en zone humide.

10

Tableau 3

^^^'^v^,^ Sens des^^^^^changes

Milieu extrieu^s.^^d'change ^~^>>..^^

ATMOSPHEREvia sol

(zone non sature)

Eaux de surface(continentales, marines)

directement (liaison hydraulique continue), ou viasol (zone non sature)

Aquifres limitrophes

Entres d'eauALIMENTATION

"CREDIT"+

Infiltration -des eaux mtoriques

(prcipitations)

Infiltration d'eaux superficielles,"Pertes" de cours d'eau .

Egouttement d'aquifresperchs.

Ecoulement souterrain affluent.Drainance affluente.

Sorties d'eauEMISSIONS

"DEBIT"

"Exfiltration"et vapotranspiration.

Emergences* sources, cours d'eau

drainants, lacs, mer.

Ecoulement souterraineffluent.

Drainance effluente.

22. L'alimentation des aquifres (apports d'eau ou "crdits") a trois originesessentielles, pouvant tre conjugues ou exclusives selon les cas :

(1). L'infiltration des eaux mtoriques (prcipitations liquides, parfois solides) travers le sol ou zone non sature, ne s'applique qu'aux aquifres surface libre(cf. supra 20), dont c'est le mode d'alimentation dominant en zone humide -phnomne extensif, mais non uniforme ni permanent - alors qu'elle est plusclairseme et rare, voire nulle en zone aride.

Consquence directe des prcipitations, elle en pouse la rpartition rgionale,mais l'chelle locale et momentane cest un phnomne trs complexe : laquantit d'eau infiltre jusqu' la surface libre ne dpend pas seulement deshauteurs de pluie mais des changes d'eau entre la couche suprieure de la zonenon sature et l'atmosphre -des "reprises" par vapotranspiration-, de lapermabilit relative dans la zone sature qui dpend elle-mme de l'humidit.Donc elle peut varier beaucoup, rsultant son tour des prcipitationsantrieures et des conditions atmosphriques.

Comme forme d'alimentation extensive, c'est la seule qui peut s'exprimer enhauteur moyenne par unit de temps, par exemple en mm/an (quivalent unflux moyen par unit de surface : m^/an. km^...).

Selon les zones climatiques et les conditions gologiques - dont l'Afrique, enparticulier, offre une extrme varit - ces hauteurs moyennes annuellespeuvent varier d'une quelques dizaines de mm/an en zone semi-aride, plus de1000 mm/an en zone humide.

- 11

Ainsi exprims, les apports qui alimentent les aquifres, sont comparables auxprcipitations qui les engendrent. Mais la facilit d'en dduire un rapportinfiltration/prcipitation - en se rfrant une dure convenable, par exempleen anne moyenne - ne doit pas laisser croire que les quantits d'eau infiltrespuissent tre calcules simplement par l'application d'un pourcentage auxprcipitations. Il n'y a pas de relation de proportionnalit entre lesprcipitations et l'infiltration, quelque soit l'chelle de temps.

La connaissance de l'alimentation relle des aquifres partir desprcipitations infiltres exige des tudes cas par cas, peut tre approchelocalement par des analyses prcises de la recharge (interprtation desvariations de niveau de nappe libre, notamment par des modles globauxpluie/niveau*), mais rsultera le plus souvent de dductions l'chellergionale.

(2). L'inftration d'eau superficielle - cours d'eau, lac - soit "perchs" (surmontantune zone non sature), permanents ou temporaires (crues), soit en liaisonhydraulique continue avec l'aquifre et alors le plus souvent permanents, estune forme d'alimentation localise dont les flux sont souvent limits par lecolmatage des lits et berges et offrent une grande varit de rgime : depuisdes apports permanents et rguliers jusqu' des apports pisodiques.

C'est souvent le principal mode d'alimentation des aquifres surface libre enzone aride et semi-aride, souvent partir du ruissellement local conscutif auxprcipitations assez intensives, ou partir de fleuves issus de zones plushuniides. Les quantits d'eau ainsi infiltres localement dpendent plus desdures des crues et des superficies inondes que des dbits d'coulementsuperficiel lorsqu'il s'agit de cours d'eau temporaire. -

(3). L'affluence d'aquifres voisins ou superposs (suprieurs - ou infrieurs) potentiels hydrauliques plus levs, est un mode d'alimentation frquent desaquifres surface libre plus ou moins localiss encaisss dans des domainesaquifres moins permables mais plus tendus, tels que beaucoup d'aquifresalluviaux en zone humide, ou encore adosss des massifs aquifresmontagneux, tels que des aquifres de pimont (cnes de djections) ou debassins d'effondrement. Ces afflux latraux peuvent tre aussi importants quel'alimentation "propre" par les prcipitations (1), voire suprieurs.C'est aussi le mode d'alimentation prdominant de la plupart des aquifres nappe captive : soit partir de leurs prolongements priphriques surfacelibre (aires d'affleurement du rservoir), soit par "drainance" affluente partird'autres couches aquifres suprieures ou infrieures potentiels hydrauliquesplus levs.

23. Les missions d'eau des aquifres (ou "dbits") ont galement trois modalits,eUes aussi conjointes ou exclusives selon les cas :

* Cf. la 2e confrence introductive (J.M.) / Rapport 87 SGN 510 EAU

- 11

Ainsi exprims, les apports qui alimentent les aquifres, sont comparables auxprcipitations qui les engendrent. Mais la facilit d'en dduire un rapportinfiltration/prcipitation - en se rfrant une dure convenable, par exempleen anne moyenne - ne doit pas laisser croire que les quantits d'eau infiltrespuissent tre calcules simplement par l'application d'un pourcentage auxprcipitations. Il n'y a pas de relation de proportionnalit entre lesprcipitations et l'infiltration, quelque soit l'chelle de temps.

La connaissance de l'alimentation relle des aquifres partir desprcipitations infiltres exige des tudes cas par cas, peut tre approchelocalement par des analyses prcises de la recharge (interprtation desvariations de niveau de nappe libre, notamment par des modles globauxpluie/niveau*), mais rsultera le plus souvent de dductions l'chellergionale.

(2). L'inftration d'eau superficielle - cours d'eau, lac - soit "perchs" (surmontantune zone non sature), permanents ou temporaires (crues), soit en liaisonhydraulique continue avec l'aquifre et alors le plus souvent permanents, estune forme d'alimentation localise dont les flux sont souvent limits par lecolmatage des lits et berges et offrent une grande varit de rgime : depuisdes apports permanents et rguliers jusqu' des apports pisodiques.

C'est souvent le principal mode d'alimentation des aquifres surface libre enzone aride et semi-aride, souvent partir du ruissellement local conscutif auxprcipitations assez intensives, ou partir de fleuves issus de zones plushuniides. Les quantits d'eau ainsi infiltres localement dpendent plus desdures des crues et des superficies inondes que des dbits d'coulementsuperficiel lorsqu'il s'agit de cours d'eau temporaire. -

(3). L'affluence d'aquifres voisins ou superposs (suprieurs - ou infrieurs) potentiels hydrauliques plus levs, est un mode d'alimentation frquent desaquifres surface libre plus ou moins localiss encaisss dans des domainesaquifres moins permables mais plus tendus, tels que beaucoup d'aquifresalluviaux en zone humide, ou encore adosss des massifs aquifresmontagneux, tels que des aquifres de pimont (cnes de djections) ou debassins d'effondrement. Ces afflux latraux peuvent tre aussi importants quel'alimentation "propre" par les prcipitations (1), voire suprieurs.C'est aussi le mode d'alimentation prdominant de la plupart des aquifres nappe captive : soit partir de leurs prolongements priphriques surfacelibre (aires d'affleurement du rservoir), soit par "drainance" affluente partird'autres couches aquifres suprieures ou infrieures potentiels hydrauliquesplus levs.

23. Les missions d'eau des aquifres (ou "dbits") ont galement trois modalits,eUes aussi conjointes ou exclusives selon les cas :

* Cf. la 2e confrence introductive (J.M.) / Rapport 87 SGN 510 EAU

- 12

(1). Les mergences ou retours aux eaux superficielles sont le phnomne le plusgnral et dominant en zone humide :

- soit par des exutoires visibles et plus ou moins localiss, les sources ou airesd'mergence, dbit continuel (mais variable) ou temporaire ;

- soit par mergence diffuse le long des cours d'eau permanents drainant lesaquifres, de rives de lacs ou du littoral - y compris par des exutoiresoccultes : sources submerges, sous-marines... - . Ces flux restitus aux coursd'eau superficiels constituent prcisment la composante stable de leur dbitdite "coulement souterrain" ou "dbit de base".

Ces flux sortants sont les plus facilement - encore qu'ingalement -identifiablespar des mesures.

(2). Les retours directs l'atmosphre, via le sol (ascension capillaire ou"exfiltration" dans la zone non sature) puis vapotranspiration, sont la formed'mission la plus gnrale en zone aride et frquente en zone semi-aride, oelle peut tre plus ou moins concentre dans certaines dpressions des bassinsferms ("chotts").

Ce phnomne inverse de l'infiltration - cf. . 22 (1) - prsente la mmecomplexit et dpend fortement aussi de la profondeur de la surface libre, desparamtres du sol et des conditions atmosphriques, ainsi que de la vgtation,en tant toutefois plus permanent et rgulier. Cette evaporation comme"facteur de dcharge" des eaux souterraines, ne doit pas tre confondue aveccelle qui intervient sur l'infiltration en cours et rduit les apports un aquifrelibre par rapport aux quantits d'eau de pluie infiltre immdiate dans le sol.

(3). L'effluence souterraine vers des aquifres voisins ou superposs, potentielshydrauliques plus bas, est l'change symtrique et inverse des affluencesconsidres plus haut - cf. 22 (3) - tant bien vident qu'en cas d'changeentre deux aquifres limitrophes le flux qui transite (notamment par drainance)est sortant pour l'metteur et entrant pour le rcepteur... Cette formed'mission est frquente pour les aquifres de massifs ou plateaux quisurplombent des aquifres encaisss ou priphriques rcepteurs - cf. 22 (3) -et c'est la rgle gnrale pour la plupart des aquifres nappe captive, tantdans les bassins sdimentaires qu'en domaine de socle sous couvertured'altrites.

24. Les formes et processus d'alimentation et d'mission d'eau que l'on vient depasser en revue ne sont pas symtriques : ni par les situations dans l'espace desentres et des issues, ni par les rgimes des flux dans le temps. En rglegnrale, comme on l'a vu :

- Les imports (flux entrants) sont :- plutt extensifs et diffus - quoique non uniformes - dans l'espace (aires

d'alimentation), sauf en zone aride o c'est l'inverse (apports circonscritsdans des zones restreintes) ;

- irrguliers et le plus souvent discontinus dans le temps.

- Les missions (flux sortants) sont au contraire :- plutt localises dans l'espace, concentres sur des lignes ou en quelques

points, sauf en zone aride o, l'inverse, elles peuvent tre extensives(aires d'vaporation) ;

- 12

(1). Les mergences ou retours aux eaux superficielles sont le phnomne le plusgnral et dominant en zone humide :

- soit par des exutoires visibles et plus ou moins localiss, les sources ou airesd'mergence, dbit continuel (mais variable) ou temporaire ;

- soit par mergence diffuse le long des cours d'eau permanents drainant lesaquifres, de rives de lacs ou du littoral - y compris par des exutoiresoccultes : sources submerges, sous-marines... - . Ces flux restitus aux coursd'eau superficiels constituent prcisment la composante stable de leur dbitdite "coulement souterrain" ou "dbit de base".

Ces flux sortants sont les plus facilement - encore qu'ingalement -identifiablespar des mesures.

(2). Les retours directs l'atmosphre, via le sol (ascension capillaire ou"exfiltration" dans la zone non sature) puis vapotranspiration, sont la formed'mission la plus gnrale en zone aride et frquente en zone semi-aride, oelle peut tre plus ou moins concentre dans certaines dpressions des bassinsferms ("chotts").

Ce phnomne inverse de l'infiltration - cf. . 22 (1) - prsente la mmecomplexit et dpend fortement aussi de la profondeur de la surface libre, desparamtres du sol et des conditions atmosphriques, ainsi que de la vgtation,en tant toutefois plus permanent et rgulier. Cette evaporation comme"facteur de dcharge" des eaux souterraines, ne doit pas tre confondue aveccelle qui intervient sur l'infiltration en cours et rduit les apports un aquifrelibre par rapport aux quantits d'eau de pluie infiltre immdiate dans le sol.

(3). L'effluence souterraine vers des aquifres voisins ou superposs, potentielshydrauliques plus bas, est l'change symtrique et inverse des affluencesconsidres plus haut - cf. 22 (3) - tant bien vident qu'en cas d'changeentre deux aquifres limitrophes le flux qui transite (notamment par drainance)est sortant pour l'metteur et entrant pour le rcepteur... Cette formed'mission est frquente pour les aquifres de massifs ou plateaux quisurplombent des aquifres encaisss ou priphriques rcepteurs - cf. 22 (3) -et c'est la rgle gnrale pour la plupart des aquifres nappe captive, tantdans les bassins sdimentaires qu'en domaine de socle sous couvertured'altrites.

24. Les formes et processus d'alimentation et d'mission d'eau que l'on vient depasser en revue ne sont pas symtriques : ni par les situations dans l'espace desentres et des issues, ni par les rgimes des flux dans le temps. En rglegnrale, comme on l'a vu :

- Les imports (flux entrants) sont :- plutt extensifs et diffus - quoique non uniformes - dans l'espace (aires

d'alimentation), sauf en zone aride o c'est l'inverse (apports circonscritsdans des zones restreintes) ;

- irrguliers et le plus souvent discontinus dans le temps.

- Les missions (flux sortants) sont au contraire :- plutt localises dans l'espace, concentres sur des lignes ou en quelques

points, sauf en zone aride o, l'inverse, elles peuvent tre extensives(aires d'vaporation) ;

13

plus rgulires et continuelles dans le temps.

N.B. On remarque l'inversion assez gnrale des rpartitions spatiales des fluxd'apport et d'mission entre les zones humides et les zones arides.

Ce que rcapitule le tableau 4 suivant :

ESPACE

Zone humide

Zone aride

TEMPS

Flux entrantsAlimentation

extensifs -i- linairesou ponctuels locaux

(cours d'eau infiltrant...)

localiss (ruissellement,cours d'eau temporaires)

+ transferts souterrains"imports"

discontinus,irrguliers ; localementconstants (cours d'eau)

Flux sortantsEmissions

localiss ponctuels(source), linaires

(cours d'eau drainant,rivage...)extensifs

aire d'vaporation

+ transferts souterrains"exports"

continus,plus rguliers

25. Toute la dynamique des eaux souterraines dans chaque systme aquifreprocde de ces diffrences de situation et de rgime des flux entrants etsortants :

- la diffrence des situations dtermine la forme des coulements des eauxsouterraines, des entres aux issues ;

- la discordance des rgimes dtermine un rgime d'coulement non permanentdes eaux souterraines, dans le cas gnral des nappes libres, c'est--dire desvariations des stocks d'eau dans les rservoirs et par consquent des niveaux.

A tout moment, en effet, dans un aquifre nappe libre, la somme des fluxentrants n'est pas gale celle des flux sortants - d'autant plus que le fluxentrant est souvent nul -. Aussi l'quilibre de l'quation du "bilan d'eau" ne peuttre ralis que par une variation positive ou ngative du stock (cf. supra 1 09).

Un rgime d'quilibre permanent, sans variation de rserve, impliquant l'galitet la constance des flux entrants et sortants, ne peut tre qu'exceptionnel dansun aquifre surface libre, mais il est au contraire le plus courant dans unaquifre nappe captive en rgime naturel (cf. infra 28).

13

plus rgulires et continuelles dans le temps.

N.B. On remarque l'inversion assez gnrale des rpartitions spatiales des fluxd'apport et d'mission entre les zones humides et les zones arides.

Ce que rcapitule le tableau 4 suivant :

ESPACE

Zone humide

Zone aride

TEMPS

Flux entrantsAlimentation

extensifs -i- linairesou ponctuels locaux

(cours d'eau infiltrant...)

localiss (ruissellement,cours d'eau temporaires)

+ transferts souterrains"imports"

discontinus,irrguliers ; localementconstants (cours d'eau)

Flux sortantsEmissions

localiss ponctuels(source), linaires

(cours d'eau drainant,rivage...)extensifs

aire d'vaporation

+ transferts souterrains"exports"

continus,plus rguliers

25. Toute la dynamique des eaux souterraines dans chaque systme aquifreprocde de ces diffrences de situation et de rgime des flux entrants etsortants :

- la diffrence des situations dtermine la forme des coulements des eauxsouterraines, des entres aux issues ;

- la discordance des rgimes dtermine un rgime d'coulement non permanentdes eaux souterraines, dans le cas gnral des nappes libres, c'est--dire desvariations des stocks d'eau dans les rservoirs et par consquent des niveaux.

A tout moment, en effet, dans un aquifre nappe libre, la somme des fluxentrants n'est pas gale celle des flux sortants - d'autant plus que le fluxentrant est souvent nul -. Aussi l'quilibre de l'quation du "bilan d'eau" ne peuttre ralis que par une variation positive ou ngative du stock (cf. supra 1 09).

Un rgime d'quilibre permanent, sans variation de rserve, impliquant l'galitet la constance des flux entrants et sortants, ne peut tre qu'exceptionnel dansun aquifre surface libre, mais il est au contraire le plus courant dans unaquifre nappe captive en rgime naturel (cf. infra 28).

14

aOoFlux entrant aqu fereStock ^

OsFlux sortant

fig.3- Fonction rgulotrice d'un aquifre

Qo /infiltrations O

0 - Nappe libre entre limites h impose

b- Noppe coptive loin d'une limite d'olimentation

fig.4- Cos d'coulement d'eou souterroine en rgimed'e'quiiibre pernnanent.

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aOoFlux entrant aqu fereStock ^

OsFlux sortant

fig.3- Fonction rgulotrice d'un aquifre

Qo /infiltrations O

0 - Nappe libre entre limites h impose

b- Noppe coptive loin d'une limite d'olimentation

fig.4- Cos d'coulement d'eou souterroine en rgimed'e'quiiibre pernnanent.

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26. La dissymtrie entre les rgimes des flux d'apport et d'mission aux limites d'unaquifre rsulte donc essentiellement du pouvoir rgulateur de la plupart desaquifres rserve variable ( nappe libre), qui leur permet de transformer desflux entrants discontinus et irrguliers en flux sortants continus et plusrguliers (fig. 3).

27. Consquence sur le rgime des variations de rserve, donc des niveaux :

Soit : Qa : flux d'apportQs : flux sortantAR : diffrence de rserve

- lorsque Qa > Qson a

Qa = Qs ^ AR

la rserve augmente et les niveaux h s'lvent (= recharge)- lorsque Qa < Qs (notamment si Qa = 0)

on a

Qa = Qs - A R

voire

Qs = A R

la rserve diminue et les niveaux h s'abaissent (= dcharge)

Ajoutons que les phases inquation Qa > Qs sont trs gnralement pluscourtes que les phases inquation Qa < Qs : d'o une dissymtrie frquente desrecharges et des dcharges dans les rgimes de la plupart des nappes libres (cf.infra 35).

28. Des rgimes d'quilibre et d'coulement permanent peuvent s'instaurerprincipalement dans deux cas :

- Le cas particulier de nappe libre qui s'coule entre deux limites niveauimpos constant (au moins pendant une certaine dure), sans apportsignificatif par sa surface (fig. 4, a) : par exemple dans un systme aquifrelocalis entre deux cours d'eau proches ou dans une boucle de mandre...

- Le cas assez gnral de nappes captives non influences par des flux d'apportvariables : par exemple assez loin d'aire d'alimentation surface libre, s'il enexiste, pour que les impulsions saisonnires qui peuvent en provenir soientamorties, ou lorsque les flux entrants et sortants sont exclusivement dus ladrainance (fig. 4, b).

Dans ces deux cas les rserves et les niveaux (potentiels) sont invariables.

- 15

26. La dissymtrie entre les rgimes des flux d'apport et d'mission aux limites d'unaquifre rsulte donc essentiellement du pouvoir rgulateur de la plupart desaquifres rserve variable ( nappe libre), qui leur permet de transformer desflux entrants discontinus et irrguliers en flux sortants continus et plusrguliers (fig. 3).

27. Consquence sur le rgime des variations de rserve, donc des niveaux :

Soit : Qa : flux d'apportQs : flux sortantAR : diffrence de rserve

- lorsque Qa > Qson a

Qa = Qs ^ AR

la rserve augmente et les niveaux h s'lvent (= recharge)- lorsque Qa < Qs (notamment si Qa = 0)

on a

Qa = Qs - A R

voire

Qs = A R

la rserve diminue et les niveaux h s'abaissent (= dcharge)

Ajoutons que les phases inquation Qa > Qs sont trs gnralement pluscourtes que les phases inquation Qa < Qs : d'o une dissymtrie frquente desrecharges et des dcharges dans les rgimes de la plupart des nappes libres (cf.infra 35).

28. Des rgimes d'quilibre et d'coulement permanent peuvent s'instaurerprincipalement dans deux cas :

- Le cas particulier de nappe libre qui s'coule entre deux limites niveauimpos constant (au moins pendant une certaine dure), sans apportsignificatif par sa surface (fig. 4, a) : par exemple dans un systme aquifrelocalis entre deux cours d'eau proches ou dans une boucle de mandre...

- Le cas assez gnral de nappes captives non influences par des flux d'apportvariables : par exemple assez loin d'aire d'alimentation surface libre, s'il enexiste, pour que les impulsions saisonnires qui peuvent en provenir soientamorties, ou lorsque les flux entrants et sortants sont exclusivement dus ladrainance (fig. 4, b).

Dans ces deux cas les rserves et les niveaux (potentiels) sont invariables.

- 16 -

h

Priode

rechorge d e c h 0 rge

Fig. 5 - Caractres du rgime de variation de niveau h de l'eau souterraine,

- 16 -

h

Priode

rechorge d e c h 0 rge

Fig. 5 - Caractres du rgime de variation de niveau h de l'eau souterraine,

17

3. REGIME DES VARIATIONS DE NIVEAU DES EAUX SOUTERRAINES

29. Toute variation de stock d'eau ou rserve R dans un aquifre - de volume d'eaud'une nappe - se traduit par des variations des niveaux ou charges hydrauliquesh, selon la relation

A R = Ah x S

S tant le coefficient d'emmagasinement ou "porosit utile" des aquifres nappe libre.Partie visible, comme on l'a dit, de la dynamique des eaux souterraines, lesvariations de niveau dans le temps suivent diffrents "rgimes" que l'ondnomme souvent, par homologie avec les "rgimes des cours d'eau", lesrgmes des nappes souterraines.

30. Lorsqu'il est connu par des observations assez frquentes, voire continues (parun limmigraphe), le rgime d'une nappe en un lieu donn est dcritgnralement par un graphique reprsentant les variations de h (ou de laprofondeur du niveau au-dessous du sol) en fonction du temps, c'est--dire un"limmigramme", dont la forme caractrise le rgime.

Ces caractres descriptifs du rgime local d'une nappe sont essentiellement (cf.fig. 5) :

- les amplitudes (hauteurs de variation de niveau Ah, moyennes ou extrmes) ;- les "priodicits" (frquences des fluctuations, des squences de recharge -

dcharge : rgimes saisonniers, annuels, priodiques) ;- les dissymtries entre les phases de recharge et de dcharge ;- le degr de rgularit (de similitude des fluctuations successives).

31. Tout rgime de variation de niveau observe localement - dans un puitsd'observation, un pizomtre - rsulte de deux causes possibles :

- facteur local : apport d'eau, qui a sa propre loi (cf. 22),- facteur rgional : transmission latrale de Ah depuis une limite condition de

niveau plus ou moins distante, ou depuis une aire d'alimentation loi d'apportdiffrente (notamment plus intense) que celle de l'apport local.

Les deux causes peuvent se conjuguer et leurs effets propres se superposer (cf. 14) pour expliquer le rgime d'une nappe en un point donn. Mais l'une oul'autre peut tre prdominante.

D'o deux grandes classes de rgime :

(1) - rgimes commands principalement par celui des apports locaux ouproches ;

(2) - rgimes commands principalement par des transmissions de Ah, fonctionde celui des variations de conditions aux limites au large.

3.1 - Rgimes de classe 1, subordonns au rgime des apports locaux (cf. fig. 6).Ils peuvent tre plus ou moins rguliers et priodiques.

17

3. REGIME DES VARIATIONS DE NIVEAU DES EAUX SOUTERRAINES

29. Toute variation de stock d'eau ou rserve R dans un aquifre - de volume d'eaud'une nappe - se traduit par des variations des niveaux ou charges hydrauliquesh, selon la relation

A R = Ah x S

S tant le coefficient d'emmagasinement ou "porosit utile" des aquifres nappe libre.Partie visible, comme on l'a dit, de la dynamique des eaux souterraines, lesvariations de niveau dans le temps suivent diffrents "rgimes" que l'ondnomme souvent, par homologie avec les "rgimes des cours d'eau", lesrgmes des nappes souterraines.

30. Lorsqu'il est connu par des observations assez frquentes, voire continues (parun limmigraphe), le rgime d'une nappe en un lieu donn est dcritgnralement par un graphique reprsentant les variations de h (ou de laprofondeur du niveau au-dessous du sol) en fonction du temps, c'est--dire un"limmigramme", dont la forme caractrise le rgime.

Ces caractres descriptifs du rgime local d'une nappe sont essentiellement (cf.fig. 5) :

- les amplitudes (hauteurs de variation de niveau Ah, moyennes ou extrmes) ;- les "priodicits" (frquences des fluctuations, des squences de recharge -

dcharge : rgimes saisonniers, annuels, priodiques) ;- les dissymtries entre les phases de recharge et de dcharge ;- le degr de rgularit (de similitude des fluctuations successives).

31. Tout rgime de variation de niveau observe localement - dans un puitsd'observation, un pizomtre - rsulte de deux causes possibles :

- facteur local : apport d'eau, qui a sa propre loi (cf. 22),- facteur rgional : transmission latrale de Ah depuis une limite condition de

niveau plus ou moins distante, ou depuis une aire d'alimentation loi d'apportdiffrente (notamment plus intense) que celle de l'apport local.

Les deux causes peuvent se conjuguer et leurs effets propres se superposer (cf. 14) pour expliquer le rgime d'une nappe en un point donn. Mais l'une oul'autre peut tre prdominante.

D'o deux grandes classes de rgime :

(1) - rgimes commands principalement par celui des apports locaux ouproches ;

(2) - rgimes commands principalement par des transmissions de Ah, fonctionde celui des variations de conditions aux limites au large.

3.1 - Rgimes de classe 1, subordonns au rgime des apports locaux (cf. fig. 6).Ils peuvent tre plus ou moins rguliers et priodiques.

- 18

A h

Regime onnuei dominant

Regime pluriannuel dominant

Rgime mixte (onnuei + pluriannuel)

annes

annes

annes

Fig. 6 - Rgimes de variation de niveaux de nappes libres dpendant des apportsmtoriques.

- 18

A h

Regime onnuei dominant

Regime pluriannuel dominant

Rgime mixte (onnuei + pluriannuel)

annes

annes

annes

Fig. 6 - Rgimes de variation de niveaux de nappes libres dpendant des apportsmtoriques.

19

32. Le rgime annuel prdomine en zones humides saison de pluie assez rgulire.Des recharges de mme ordre - nanmoins non identiques - se produisentpresque tous les ans. Variante : rgime saisonnier deux recharges annueUes enzones deux saisons pluvieuses (pays mditerranens, Maghreb...).Exemples : fig. 7, 8, 9.

33. Le rgime pluriannuel, apriodique et irrgulier, prdomine en zones semi-arides et arides prcipitations irrgulires. L'amplitude pluriannuelle - sur 10 20 ans - est nettement plus grande que les amplitudes annuelles, parfoisnulles : des recharges ne se produisent pas tous les ans, des rechargesexceptionnelles de frquence annuelle faible (0,2 ; 0,1 ou moins encore)structurent le rgime.Exemples : fig. 10, 11.

34. Des rgimes mixtes peuvent rsulter de la superposition d'une priodicitannuelle assez rgulire et d'une tendance pluri-annuelle apriodique -alternances de squences pluri-annuelles "dficitaires" et "excdentaires"-.Exemple : fig. 12.

Quelques remarques sur ces rgimes ;

35. On observe la dissymtrie frquente des dures et des formes des recharges etdes dcharges, rsultat des dures relativement courtes des phases d'apport (cf.27).

36. Alors que les facteurs de recharge - les apports - sont discontinus dans letemps, les facteurs de dcharge - la vidange de l'aquifre aux exutoires - sontcontinuels : tout effet d'apport se superpose celui de la vidange (loi dedcharge) qui attnue la hauteur de recharge observe.Aussi la recharge apparente (hausse de niveau observe) peut tre infrieure la recharge reUe qui est seule relier aux apports (fig. 13).

37. Cet effet des apports dure non seulement pendant toute la phase de monte desniveaux, mais il peut se faire sentir dj avant, en ralentissant la baisseprcdente, vers sa fin, et se prolonger aprs, en ralentissant de mme le dbutde la baisse suivante (fig. 14).

38. Les hauteurs de dcharge - de baisse de niveau - dpendent videmment desdures qui sparent les phases de recharge successives. Elles sont d'autant plusamples que ces dures sont longues, donc plus fortes en rgime pluriannuel oudes phases de dcharge peuvent durer plusieurs annes (fig. 15).

39. Les baisses de niveau, en phase de dcharge "pure" - non influence par l'effetd'un facteur de recharge encore actif (cf. supra 37) - peuvent suivre deuxtendances qui subdivisent les rgimes dfinis plus haut ( 32) (fig. 16) :- Des baisses dclres - "vitesse dcroissante" -, suivant des lois de

"tarissement" qui tendent vers ds exponentielles (c'est--dire qu'en chaqueintervalle de temps gal successif, le niveau baisse dans une proportionconstante de la baisse survenue devant l'intervalle prcdent : par exemple80 % chaque mois...).

19

32. Le rgime annuel prdomine en zones humides saison de pluie assez rgulire.Des recharges de mme ordre - nanmoins non identiques - se produisentpresque tous les ans. Variante : rgime saisonnier deux recharges annueUes enzones deux saisons pluvieuses (pays mditerranens, Maghreb...).Exemples : fig. 7, 8, 9.

33. Le rgime pluriannuel, apriodique et irrgulier, prdomine en zones semi-arides et arides prcipitations irrgulires. L'amplitude pluriannuelle - sur 10 20 ans - est nettement plus grande que les amplitudes annuelles, parfoisnulles : des recharges ne se produisent pas tous les ans, des rechargesexceptionnelles de frquence annuelle faible (0,2 ; 0,1 ou moins encore)structurent le rgime.Exemples : fig. 10, 11.

34. Des rgimes mixtes peuvent rsulter de la superposition d'une priodicitannuelle assez rgulire et d'une tendance pluri-annuelle apriodique -alternances de squences pluri-annuelles "dficitaires" et "excdentaires"-.Exemple : fig. 12.

Quelques remarques sur ces rgimes ;

35. On observe la dissymtrie frquente des dures et des formes des recharges etdes dcharges, rsultat des dures relativement courtes des phases d'apport (cf.27).

36. Alors que les facteurs de recharge - les apports - sont discontinus dans letemps, les facteurs de dcharge - la vidange de l'aquifre aux exutoires - sontcontinuels : tout effet d'apport se superpose celui de la vidange (loi dedcharge) qui attnue la hauteur de recharge observe.Aussi la recharge apparente (hausse de niveau observe) peut tre infrieure la recharge reUe qui est seule relier aux apports (fig. 13).

37. Cet effet des apports dure non seulement pendant toute la phase de monte desniveaux, mais il peut se faire sentir dj avant, en ralentissant la baisseprcdente, vers sa fin, et se prolonger aprs, en ralentissant de mme le dbutde la baisse suivante (fig. 14).

38. Les hauteurs de dcharge - de baisse de niveau - dpendent videmment desdures qui sparent les phases de recharge successives. Elles sont d'autant plusamples que ces dures sont longues, donc plus fortes en rgime pluriannuel oudes phases de dcharge peuvent durer plusieurs annes (fig. 15).

39. Les baisses de niveau, en phase de dcharge "pure" - non influence par l'effetd'un facteur de recharge encore actif (cf. supra 37) - peuvent suivre deuxtendances qui subdivisent les rgimes dfinis plus haut ( 32) (fig. 16) :- Des baisses dclres - "vitesse dcroissante" -, suivant des lois de

"tarissement" qui tendent vers ds exponentielles (c'est--dire qu'en chaqueintervalle de temps gal successif, le niveau baisse dans une proportionconstante de la baisse survenue devant l'intervalle prcdent : par exemple80 % chaque mois...).

d -

Fig. 7 - Variations de niveau d'une nappe libre alimentation pluviale au Mali, rgionde Banamba - Kolokani (N de Bamako).Aquifre : altrites sur grs infra-CambriensRf. : projet PNUD/MLI 82/005 - 1984

d -

Fig. 7 - Variations de niveau d'une nappe libre alimentation pluviale au Mali, rgionde Banamba - Kolokani (N de Bamako).Aquifre : altrites sur grs infra-CambriensRf. : projet PNUD/MLI 82/005 - 1984

1

Profondeur en m.Sol

1958 1959 1960 1961 1962

Fig. 8 - Variations de niveaux de nappes libres alimentationpluviale au Sngal, en Casamance.Aquifre : sables argileux du "Continental terminal".Ref : CIH/BRGM 69 DAK 7 - 1969

1

Profondeur en m.Sol

1958 1959 1960 1961 1962

Fig. 8 - Variations de niveaux de nappes libres alimentationpluviale au Sngal, en Casamance.Aquifre : sables argileux du "Continental terminal".Ref : CIH/BRGM 69 DAK 7 - 1969

- 11

400

390

380

1962 1963 1964 1965

Fig. 9 - Variations de niveaux d'une nappe libre alimentation pluviale en Cte d'Ivoire Khorogo. Aquifre : altrite sur socle cristallin.Rf. : CIEH/BRGM, 1964-1967 - R. DEGALLIER 1975.De haut en bas : niveaux moins profonds et plus proches d'une limite condi

tion de potentiel (mergence) .

- 11

400

390

380

1962 1963 1964 1965

Fig. 9 - Variations de niveaux d'une nappe libre alimentation pluviale en Cte d'Ivoire Khorogo. Aquifre : altrite sur socle cristallin.Rf. : CIEH/BRGM, 1964-1967 - R. DEGALLIER 1975.De haut en bas : niveaux moins profonds et plus proches d'une limite condi

tion de potentiel (mergence) .

i -

Fig. 10 - Variations de niveaux d'une nappe libre en zone semi-aride, alimentepar infiltration d'eau de surface (crues), en Mauritanie, Akjoujt, de1950 1966. Aquifre : altrites sur scliistes et roches vertes.Rf. : BRGM DAK, 1964 - CIEH/BRGM 1969.

i -

Fig. 10 - Variations de niveaux d'une nappe libre en zone semi-aride, alimentepar infiltration d'eau de surface (crues), en Mauritanie, Akjoujt, de1950 1966. Aquifre : altrites sur scliistes et roches vertes.Rf. : BRGM DAK, 1964 - CIEH/BRGM 1969.

- 24

Profondeur en m

5

1976 1977 1978 1979

250-200-

100-

0-

PRCIPITATIONS MENSUELLES A BOLGATANGA ( R: l015mm/on )

ii

Fig. 11 - Variation de niveau d'une nappe libre alimentation pluviale, rgime pluriannuel, au Ghana, Bolgatanga.Aquifre : granite fissur .RL : WARDROP & Assoc. Ltd 1979 / Cit. CEFIGRE 1984,

- 24

Profondeur en m

5

1976 1977 1978 1979

250-200-

100-

0-

PRCIPITATIONS MENSUELLES A BOLGATANGA ( R: l015mm/on )

ii

Fig. 11 - Variation de niveau d'une nappe libre alimentation pluviale, rgime pluriannuel, au Ghana, Bolgatanga.Aquifre : granite fissur .RL : WARDROP & Assoc. Ltd 1979 / Cit. CEFIGRE 1984,

25

Profondeur en m.

6 -

7 -

8 -

9 -

10 -

11 -

_y^ \/ \y^x^ \r \y^ v/^V^>-^ V^1978 1979 1980 1981 1982 1983 1984 1985

Fig. 12 - Variation de niveau d'une nappe libre alimentationpluviale, au Burkina-Faso, Ouagadougou. Rgimemixte : variations annuelles superposes une tendance pluri-annuelle. Aquifre : granits fissur sousaltrite. Rf. CIEH,

25

Profondeur en m.

6 -

7 -

8 -

9 -

10 -

11 -

_y^ \/ \y^x^ \r \y^ v/^V^>-^ V^1978 1979 1980 1981 1982 1983 1984 1985

Fig. 12 - Variation de niveau d'une nappe libre alimentationpluviale, au Burkina-Faso, Ouagadougou. Rgimemixte : variations annuelles superposes une tendance pluri-annuelle. Aquifre : granits fissur sousaltrite. Rf. CIEH,

1 ^

Ah L

Ahi = Rechorge apporenteAha = Rechorge re'elle

Fig. 13 - Recharge apparente (iiausse de niveau h) et rechargerelle rapporte, en fin de phase de recharge, au niveau qui aurait t dtermin par la vidange naturellede l'aquifre.

Ah

Fig. 14 - Recharge et influence des apports sur l'volution de niveaud'ime nappe libre.a : volution thorique en l'absence d'influence d'apport

(courbe de vidanga ou de ''tarissement")

1 ^

Ah L

Ahi = Rechorge apporenteAha = Rechorge re'elle

Fig. 13 - Recharge apparente (iiausse de niveau h) et rechargerelle rapporte, en fin de phase de recharge, au niveau qui aurait t dtermin par la vidange naturellede l'aquifre.

Ah

Fig. 14 - Recharge et influence des apports sur l'volution de niveaud'ime nappe libre.a : volution thorique en l'absence d'influence d'apport

(courbe de vidanga ou de ''tarissement")

- 27

o t,

hi (en tl) < Ah2 (en t2)Fig. 15 - Hauteur et dure de dcharge.

^h

boisse exponentielle dcele're

Fig. 16 - Lois de dcharge non influence : baisse exponentielle oubaisse linaire .

- 27

o t,

hi (en tl) < Ah2 (en t2)Fig. 15 - Hauteur et dure de dcharge.

^h

boisse exponentielle dcele're

Fig. 16 - Lois de dcharge non influence : baisse exponentielle oubaisse linaire .

Profondeur (m) 26

27-

28 -

29 -

SO

SI -

32-

33-

34'63 65

-i r -| I 1 r

\\

\\ \.

'^.

\

\N..

-| i I r

\\

\\

'S

\

-i r70 75 80 65 annes

Fig. 17 - Variations de niveau de nappe libre alimentation piso-dique en zone aride au Tchad, dans le Kanem occidental(plateau de Bir Louri). Aquifre : sables oliens quaternaires.Rf. : BRGM / J.L. SCHNEIDER 1985.

N.B. : Evolution interpole de 1970 1984,

Profondeur (m) 26

27-

28 -

29 -

SO

SI -

32-

33-

34'63 65

-i r -| I 1 r

\\

\\ \.

'^.

\

\N..

-| i I r

\\

\\

'S

\

-i r70 75 80 65 annes

Fig. 17 - Variations de niveau de nappe libre alimentation piso-dique en zone aride au Tchad, dans le Kanem occidental(plateau de Bir Louri). Aquifre : sables oliens quaternaires.Rf. : BRGM / J.L. SCHNEIDER 1985.

N.B. : Evolution interpole de 1970 1984,

- 29

Elles correspondent gnralement des vidanges par des exutoires localiss -source, cours d'eau drainant (cf. 23, 24) -, limites condition de niveau, une certaine distance du point d'observation.Cf. les exemples des figures 7 11.

- Des baisses quasi linaires, "vitesse" constante, correspondent plutt desmodes d'mission extensifs par des aires d'vaporation, c'est--dire par deslimites condition de flux, qui peuvent en partie concider avec les airesd'alimentation par infiltration (les conditions de flux alternent alors : tanttapports, tantt missions). Dans ce cas les mouvements verticaux alternatifs travers la zone non sature peuvent prdominer beaucoup sur lescoulements dans l'aquifre. Ces baisses s'observent donc surtout en zonearide ou semi-aride.Exemple : fig. 17.

NB : En toute rigueur le flux soustrait par evaporation pouvant lalongue diminuer mesure que la profondeur du niveau augmente, laforme de la baisse peut aussi tre exponentielle mais de manirebeaucoup plus "tendue" et surtout au del d'un certain seuil deprofondeur.

40. Des variations de condition de flux sortant l'instar de celles des flux d'apport,peuvent avoir aussi un effet sur le rgime des variations de niveau. C'est le casdes fluctuations de flux soustrait par vapotranspiration, une toute autrepriodicit, rythme journalier, dont les effets trs rguliers et priodiques nepeuvent tre mis en vidence que par des observations trs frquentes (horairesou continues) et se superposent alors un rgime saisonnier ou annuel.

Un exemple en Afrique est donn figure 18 (nappe libre N'Djamena, au Tchad,influence par les ponctions cycle journalier d'une vgtation phratophyte).

3.2 - Rgimes de classe 2 commands par les variations de conditions aux limites distance.

41. U peut s'agir d'abord des conditions de flux dans des aires d'alimentation plus oumoins loignes mais s'appliquant au mme aquifre, dont les effets sepropagent jusqu'au point d'observation la manire d'une "onde de crue", avecun certain dphasage (retard) et un certain amortissement (attnua,tiond'amplitude).

NB : La "vitesse" (ou clrit) de propagation de Ah tant fonction de la diffusivit -cf. 12 (2) - eUe est plus rapide avec amortissement plus faible dans une nappecaptive que dans une nappe libre dote de beaucoup plus d'"inertie".

Dans une nappe libre les effets des diffrences rgionales d'apport - touteschoses gales d'ailleurs - se transmettent mal d'une zone l'autre. Une "onde derecharge" transmise d'une zone plus alimente une zone moins ou nonalimente peut tre entirement amortie (influence constante). Ceci peuts'observer dans le cas d'aquifre nappe libre trs tendu, pouvant tre rpartientre plusieurs zones climatiques.

- 29

Elles correspondent gnralement des vidanges par des exutoires localiss -source, cours d'eau drainant (cf. 23, 24) -, limites condition de niveau, une certaine distance du point d'observation.Cf. les exemples des figures 7 11.

- Des baisses quasi linaires, "vitesse" constante, correspondent plutt desmodes d'mission extensifs par des aires d'vaporation, c'est--dire par deslimites condition de flux, qui peuvent en partie concider avec les airesd'alimentation par infiltration (les conditions de flux alternent alors : tanttapports, tantt missions). Dans ce cas les mouvements verticaux alternatifs travers la zone non sature peuvent prdominer beaucoup sur lescoulements dans l'aquifre. Ces baisses s'observent donc surtout en zonearide ou semi-aride.Exemple : fig. 17.

NB : En toute rigueur le flux soustrait par evaporation pouvant lalongue diminuer mesure que la profondeur du niveau augmente, laforme de la baisse peut aussi tre exponentielle mais de manirebeaucoup plus "tendue" et surtout au del d'un certain seuil deprofondeur.

40. Des variations de condition de flux sortant l'instar de celles des flux d'apport,peuvent avoir aussi un effet sur le rgime des variations de niveau. C'est le casdes fluctuations de flux soustrait par vapotranspiration, une toute autrepriodicit, rythme journalier, dont les effets trs rguliers et priodiques nepeuvent tre mis en vidence que par des observations trs frquentes (horairesou continues) et se superposent alors un rgime saisonnier ou annuel.

Un exemple en Afrique est donn figure 18 (nappe libre N'Djamena, au Tchad,influence par les ponctions cycle journalier d'une vgtation phratophyte).

3.2 - Rgimes de classe 2 commands par les variations de conditions aux limites distance.

41. U peut s'agir d'abord des conditions de flux dans des aires d'alimentation plus oumoins loignes mais s'appliquant au mme aquifre, dont les effets sepropagent jusqu'au point d'observation la manire d'une "onde de crue", avecun certain dphasage (retard) et un certain amortissement (attnua,tiond'amplitude).

NB : La "vitesse" (ou clrit) de propagation de Ah tant fonction de la diffusivit -cf. 12 (2) - eUe est plus rapide avec amortissement plus faible dans une nappecaptive que dans une nappe libre dote de beaucoup plus d'"inertie".

Dans une nappe libre les effets des diffrences rgionales d'apport - touteschoses gales d'ailleurs - se transmettent mal d'une zone l'autre. Une "onde derecharge" transmise d'une zone plus alimente une zone moins ou nonalimente peut tre entirement amortie (influence constante). Ceci peuts'observer dans le cas d'aquifre nappe libre trs tendu, pouvant tre rpartientre plusieurs zones climatiques.

50 -

Profondeur en m.

7 -1

PHASE DE DECHARGE

7,5 -

8-1 JOURNEES

6,5-1

7,5 -J

EN PHASE DE RECHARGE

JOURNEES

Fig. 18 - Fluctuations journalires du niveau d'une nappe libre sous l'effet de l'vapotranspiration (action de la vgtation phratophyte), superposes aux variationssaisonnires, au Tchad, N'Djamena.Rf. : BRGM 1967.

50 -

Profondeur en m.

7 -1

PHASE DE DECHARGE

7,5 -

8-1 JOURNEES

6,5-1

7,5 -J

EN PHASE DE RECHARGE

JOURNEES

Fig. 18 - Fluctuations journalires du niveau d'une nappe libre sous l'effet de l'vapotranspiration (action de la vgtation phratophyte), superposes aux variationssaisonnires, au Tchad, N'Djamena.Rf. : BRGM 1967.

31

Remarque : ce retard et cet amortissement de la propagation latrale derecharge dans une nappe libre sont analogues ceux qui affectent la rponse"recharge de nappe" par rapport l'impulsion "prcipitations" qui l'engendre.Cette rponse est galement d'autant plus dphase et amortie que la hauteurde la zone non sature est grande (donc que la surface de la nappe est plusprofonde) (fig. 19).Exemple : fig. 20.

42. U peut s'agir aussi de conditions de niveau, ou potentiel, variable.

Rappelons que la propagation de Ah dans un aquifre partir d'une limite niveau variable est peu dpendante du sens d'coulement de l'eau souterrainedans l'aquifre (cf. 13), en particulier du sens de l'change d'eau la limitegnratrice de l'impulsion (fig. 21).

Quelque soit la forme de la variation de niveau qui donne l'impulsion, qu'ellesoit priodique ou apriodique, elle se propage dans la nappe souterraine avecun retard et un amortissement d'amplitude qui croissent avec la distance lalimite (fig. 22).

43. Le niveau variable peut tre celui de la mer affect de mare. L'impulsion estalors parfaitement ondulatoire et priodique, ainsi que les fluctuations deniveau propages dans l'aquifre, avec un retard et un amortissement quicroissent avec la distance au littoral.

Cf. un exemple observ au Sngal, prs de Dakar (Malika), o l'on remarque enoutre que l'amplitude des fluctuations de potentiel est moins amortie enprofondeur - notamment dans l'eau sale sous jacente l'eau douce - o lanappe a un caractre captif du fait des htrognts de stratification (fig.23).

Le niveau variable peut tre encore, et plus gnralement, celui d'un coursd'eau alternance de "hautes" et "basses eaux", les crues dclenchant chacuneune onde, cette fois isole, qui se propage dans l'aquifre, toujours retarde etamortie en fonction de la distance.

Exemple : fig. 24, 25.

44. Des rgimes complexes peuvent enfin combiner les effets des diffrentsfacteurs mieux individualiss dans les rgimes de classe 1 et de classe 2 que l'onvient de passer en revue.

45. Quelle est la signification des amplitudes de variation de niveau d'une ns^pe ?

Cette amplitude est le caractre le plus remarquable et identifiable du rgimed'une nappe, souvent le seul approch en l'absence d'observations assezfrquentes, aussi cherche-t-on parfois en tirer plus de connaissance qu'ellen'en apporte elle seule, notamment sur l'alimentation des nappes souterraines.

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Remarque : ce retard et cet amortissement de la propagation latrale derecharge dans une nappe libre sont analogues ceux qui affectent la rponse"recharge de nappe" par rapport l'impulsion "prcipitations" qui l'engendre.Cette rponse est galement d'autant plus dphase et amortie que la hauteurde la zone non sature est grande (donc que la surface de la nappe est plusprofonde) (fig. 19).Exemple : fig. 20.

42. U peut s'agir aussi de conditions de niveau, ou potentiel, variable.

Rappelons que la propagation de Ah dans un aquifre partir d'une limite niveau variable est peu dpendante du sens d'coulement de l'eau souterrainedans l'aquifre (cf. 13), en particulier du sens de l'change d'eau la limitegnratrice de l'impulsion (fig. 21).

Quelque soit la forme de la variation de niveau qui donne l'impulsion, qu'ellesoit priodique ou apriodique, elle se propage dans la nappe souterraine avecun retard et un amortissement d'amplitude qui croissent avec la distance lalimite (fig. 22).

43. Le niveau variable peut tre celui de la mer affect de mare. L'impulsion estalors parfaitement ondulatoire et priodique, ainsi que les fluctuations deniveau propages dans l'aquifre, avec un retard et un amortissement quicroissent avec la distance au littoral.

Cf. un exemple observ au Sngal, prs de Dakar (Malika), o l'on remarque enoutre que l'amplitude des fluctuations de potentiel est moins amortie enprofondeur - notamment dans l'eau sale sous jacente l'eau douce - o lanappe a un caractre captif du fait des htrognts de stratification (fig.23).

Le niveau variable peut tre encore, et plus gnralement, celui d'un coursd'eau alternance de "hautes" et "basses eaux", les crues dclenchant chacuneune onde, cette fois isole, qui se propage dans l'aquifre, toujours retarde etamortie en fonction de la distance.

Exemple : fig. 24, 25.

44. Des rgimes complexes peuvent enfin combiner les effets des diffrentsfacteurs mieux individualiss dans les rgimes de classe 1 et de classe 2 que l'onvient de passer en revue.

45. Quelle est la signification des amplitudes de variation de niveau d'une ns^pe ?

Cette amplitude est le caractre le plus remarquable et identifiable du rgimed'une nappe, souvent le seul approch en l'absence d'observations assezfrquentes, aussi cherche-t-on parfois en tirer