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

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 CHARGEE Cations: 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 CHARGEE

Cations majeurs: Na+, Mg++, Ca++, K+,

Anion majeurs: Cl-, SO42-,Océan = bassin d’évaporation: Na+ et Cl-, sont très solubles >> concentrations élevées

Cycle de l’eau

PERRIER

Composition des eaux minérales

Cycle hydrique

neige

précipitations

infiltration

inondations

propagation crue

transport sédiments

échanges nappe rivière

pollution

morphologie

hydrologie urbaine

risques

Evaporation

Zone d’alimentation relativement importante

Zone d’alimentation d’importance

réduite

Le Bassin versant

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)

1) Aquifères alluvionnaires

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.

Eau circulant dans des chenaux sur différents niveaux, du fait…

Calcite composante minérale essentielle

2) Aquifères karstiques

3) Milieux fissurés

Tunnel

Colonne d’eau à élévation

importante >> forte charge

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.

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

Formation imperméable

Surface piézométriqueSurface piézométrique

Nappe libre Nappe captive

Formation perméable

Symbole de limite de captivité

ZNS

ZS

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.

Autres sources en milieux à pente raide:

* Eboulis

* Cônes de déjection

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

      Aquifères alluvionnaires superficiels: ~ 1 à 10 km/an > bonne filtration et apports adéquats      Milieux fissurés: circulation beaucoup plus rapide, ~ km/jour ou plus > mauvaise filtration & qualité.      Aquifères 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.

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.

Vallée du DRAC: Schéma géologique simplifié

E W B a s c u l e m e n t E s t - W e s t ( p l i s s e m e n t s n o n m a r q u é s ) T e r t i a i r e : E r o s i o n

S i t u a t i o n a c t u e l l e

T e r t i a i r e C r é t a c é J u r a s s i q u e & L i a s C r i s t a l l i n

V e r c o r s D r a c B e l l e d o n n e

Carte des côtes piézométrique

Isopièzes (ou hydroisohypses)

Courbes de mêmes niveau d’eau (cas de nappes libres).

Plus précisèment courbes de même pression hydrostatique.

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.

Les axes d’écoulement

Interpolation par méthode des triangles

Interpolation sur 3 piézos voisins…

… suivi du lissage après finition de la

carte

Carte piézométrique de la tête de Bièvre…

Parenthèse: protection des captages d’eau potable

Récupération des eaux propres

Protection contre infiltration des eaux superficielles !!!

La Loi de Darcy

La Loi de Darcy

Q = K A i

h2 Q: débit de l’eau en [m3/s] K: pérméabilité en [m/s A: surface traversée par l’eau [m2] = b x L (profondeur x largeur) i: gradient hydraulique (h2 - h1) / l

h1

i = h/l

A

eau eau

> Q

Q >

sol l

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 =

: porositéV: Volume [m3]v: vitesse (ap=apparente; ef=efficace ou réelle) [m/s]

Manips sur bac à sable

h2 h3h4

h1 S1 S2 S3

Gradients hydrauliques linéarisés Arrivée d'eau Niveau d'eau(surface piézo- métrique)

ΔL1 ΔL2 ΔL3

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 ?

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).

CorrectionsExercice 1

CorrectionsExercice 2