Livre d'Hydrog©ologie 2eme Edition

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  • Cours et exercices corrigs

    SCIENCES SUP

    HYDROGOLOGIEObjets, mthodes, applications

    2e dition

    ric GilliChristian Mangan

    Jacques Mudry

    Licence 3 / Master CAPES Agrgation

  • Objets, mthodes, applications

    HYDROGOLOGIE

    ric GilliProfesseur luniversit Paris 8 de Vincennes-Saint-Denis

    Christian ManganHydrogologue-conseil Nice

    Jacques MudryProfesseur luniversit de Franche-Comt (Besanon)

    2e dition

  • Illustration de couverture : Forage artsien dAin El Ati (Maroc)Photographie : Jacques Mudry

    Dunod, Paris, 2008ISBN 978-2-10-053991-8

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    Table des matires

    AVANT-PROPOS XIII

    LISTE DES ABRVIATIONS XIV

    PARTIE I

    NOTIONS DHYDROGOLOGIE

    CHAPITRE 1 DFINITION ET HISTOIRE DE LHYDROGOLOGIE 3

    1.1 tymologie et dfinition 3

    1.2 Histoire 4

    1.3 Les axes de recherche actuels 7

    CHAPITRE 2 PLACE DES EAUX SOUTERRAINES DANS LES SCIENCES DE LA TERRE 9

    2.1 Eau souterraine et godynamique externe 9

    2.2 Eau et ptrole 10

    2.3 Eau et gtes minraux 10

    2.4 Transferts de fluide profonds 11

    2.5 Rle de leau dans le magmatisme 11

    CHAPITRE 3 DBOUCHS DE LHYDROGOLOGIE 12

    3.1 Leau source de vie 12

    3.2 Leau source de gne 13

    3.3 Protection et gestion des ressources en eau 13

    3.4 Place et dbouchs de lhydrogologie 14

  • IV Table des matires

    CHAPITRE 4 LES CYCLES DE LEAU 15

    4.1 Le cycle interne 154.1.1 Origine de leau sur Terre 154.1.2 Cycle interne de leau 17

    4.2 Rpartition de leau 184.2.1 Le cycle de leau 204.2.2 Les systmes hydrologiques et les bilans 224.2.3 Lvapotranspiration 24

    CHAPITRE 5 LINFILTRATION DE LEAU DANS LE SOUS-SOL ET LA NOTION DAQUIFRE 29

    5.1 Mcanisme de linfiltration 29

    5.2 Rle de la structure et de la lithologie 31

    5.3 Diffrents types daquifres (poreux, fissurs, karstiques) 33

    5.4 Importance relative selon les ensembles structuraux 355.4.1 Massifs anciens magmatiques et mtamorphiques 355.4.2 Bassins sdimentaires 355.4.3 Chanes alpines et mditerranennes 355.4.4 Pimonts des chanes alpines 365.4.5 Pays volcaniques 365.4.6 Plateaux calcaires 36

    CHAPITRE 6 LES AQUIFRES POREUX ET LA CIRCULATION DE LEAU DANS LE SOUS-SOL 38

    6.1 Caractristiques hydrodynamiques 39

    6.2 La loi de Darcy, ses domaines dapplication 39

    6.3 Paramtres hydrodynamiques de la nappe 40

    6.4 La circulation de leau dans le sous-sol : la pizomtrie 41

    CHAPITRE 7 LES AQUIFRES FISSURS 43

    7.1 Rpartition mondiale et importance conomique 43

    7.2 Lhydrogologie africaine 45

    CHAPITRE 8 LES AQUIFRES KARSTIQUES 48

    8.1 La karstification 488.1.1 Phnomne 488.1.2 Polyphasage 50

    8.2 Lhydrosystme karstique : organisation spatiale 518.2.1 Principe gnral 518.2.2 Exemples 52

  • Table des matires V

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    8.3 Consquences pour le fonctionnement 538.3.1 Fonctionnement hydraulique 538.3.2 Consquences qualitatives 54

    8.4 Le plus grand aquifre karstique de France : la fontaine de Vaucluse 558.4.1 Description gnrale 558.4.2 Origine du systme 58

    CHAPITRE 9 LES AQUIFRES INSULAIRES ET LITTORAUX 60

    9.1 Laffrontement de deux milieux 609.1.1 Rpartition et importance conomique 609.1.2 Le biseau ou coin sal 619.1.3 Action anthropique 629.1.4 Incidence des variations de niveau de la mer 63

    9.2 Aquifres karstiques littoraux 649.2.1 Particularits des sources karstiques littorales et sous-marines 659.2.2 Origine de sources karstiques sous-marines 669.2.3 Hypothses sur le fonctionnement 679.2.4 Lexemple des Moulins dArgostoli 709.2.5 Lexemple de Port Miou 71

    9.3 Lhypereustatisme et ses consquences 75

    CHAPITRE 10 LES EAUX THERMOMINRALES ET LA GOTHERMIE 76

    10.1 Dfinition 76

    10.2 Origine de la chaleur 7710.2.1 Eaux juvniles 7710.2.2 Rchauffement et minralisation secondaires 77

    10.3 La gothermie 80

    CHAPITRE 11 LA QUALIT DES EAUX 84

    11.1 Caractristiques naturelles 84

    11.2 Les contaminants naturels 8511.2.1 Dissolution et altration 8511.2.2 Biseau sal 8511.2.3 Milieux confins 8611.2.4 Matire organique naturelle 86

    11.3 Les pollutions anthropiques 8611.3.1 Pollution domestique 8611.3.2 Pollution urbaine 8611.3.3 Pollution industrielle 8711.3.4 Pollution agricole 87

  • VI Table des matires

    11.4 Les contaminations induites par lactivit humaine 88

    11.5 Lautopuration 88

    PARTIE II

    OUTILS ET MTHODE DE LHYDROGOLOGIE

    CHAPITRE 12 DOCUMENTATION PRALABLE 93

    12.1 Cartes topographiques et gologiques 93

    12.2 Inventaires et fichiers 94

    12.3 Publications et rapports indits 94

    CHAPITRE 13 TUDE DE LA GOMTRIE DES RSERVOIRS AQUIFRES 96

    13.1 Observations et reconnaissances de terrain 96

    13.2 Prospection gophysique 9913.2.1 Caractristiques gnrales 9913.2.2 Limites des mthodes gophysiques 104

    13.3 Sondages de reconnaissance 105

    13.4 Puits, tranches et galeries de reconnaissance 106

    13.5 Synthse gomtrique 106

    CHAPITRE 14 CARACTRISATION DES AQUIFRES 110

    14.1 Infiltration de leau 110

    14.2 Restitution de leau 11214.2.1 Nature et localisation des sources 11214.2.2 Conditions dmergence 11314.2.3 Dbit et rgime des sources 114

    14.3 changes entre rservoirs aquifres 11514.4 Pizomtrie des nappes 117

    14.4.1 Dfinitions et mthodes 11714.4.2 Cartes pizomtriques 11814.4.3 Variations pizomtriques 122

    14.5 Essais deau et pompages dessai 12314.5.1 Mesures en laboratoire 12314.5.2 Essais ponctuels en puits ou sondages 12414.5.3 Pompages dessais 125

    14.6 Les analyses deau 12914.6.1 Les analyses physico-chimiques 130

  • Table des matires VII

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    14.6.2 Les isotopes 13514.6.3 Les analyses microbiologiques 137

    14.7 Les mthodes dtude des aquifres karstiques 13814.7.1 Particularits du karst 13814.7.2 tudes palogographiques 13814.7.3 tudes hydromtriques et physico-chimiques 13914.7.4 La splologie 14014.7.5 Les traages deau ou traages dessais 14214.7.6 Les essais de vidange prolonge 145

    14.8 La modlisation des coulements souterrains 14814.8.1 Modles dterministes 14814.8.2 Modles stochastiques ou globaux 149

    CHAPITRE 15 SYNTHSES HYDROGOLOGIQUES ET BILANS 151

    CHAPITRE 16 SOURCIERS ET SOURCELLERIE 155

    PARTIE III

    LA RESSOURCE EN EAU

    CHAPITRE 17 LES BESOINS EN EAU ET LEUR VOLUTION 159

    17.1 Consommation deau 159

    17.2 Usages domestiques et agriculture 16117.2.1 LAEP: alimentation en eau potable 16117.2.2 Fonctionnement urbain 16217.2.3 Agriculture 16317.2.4 Mise en bouteilles 163

    17.3 Usages techniques de leau souterraine 16417.3.1 nergie hydraulique et hydrolectricit 16417.3.2 Refroidissement des centrales thermiques et nuclaires 16517.3.3 Pompes chaleur et gothermie 16517.3.4 Industrie 165

    CHAPITRE 18 LEXPLOITATION DES AQUIFRES 167

    18.1 Recherches pralables 167

    18.2 Mthodes de captage 16818.2.1 Captages de sources 16818.2.2 Tranches drainantes et galeries drainantes 16918.2.3 Puits et puits drains rayonnants 17018.2.4 Forages deau 171

  • VIII Table des matires

    18.3 Entretien des captages 172

    18.4 Lexploitation des aquifres littoraux 17318.4.1 Cas gnraux 17318.4.2 Les aquifres karstiques littoraux 175

    CHAPITRE 19 LA PROTECTION DES AQUIFRES 178

    19.1 La rglementation europenne 178

    19.2 Le contrle sanitaire de leau potable 178

    19.3 Vulnrabilit, ala, risque 18219.3.1 Vulnrabilit 18219.3.2 Ala et risque 182

    19.4 Les primtres de protection 18319.4.1 Primtre de protection immdiate (PPI) 18419.4.2 Primtre de protection rapproche (PPR) 18519.4.3 Primtre de protection loigne (PPE) 18619.4.4 Primtres de protection satellites (PPIs ou PPRs) 186

    19.5 Le problme des nitrates 186

    19.6 Effluents domestiques et assainissement 189

    19.7 Lpuration 18919.7.1 Lpuration autonome 18919.7.2 Lpuration collective 190

    CHAPITRE 20 LA GESTION DES AQUIFRES 192

    20.1 Dfinition 192

    20.2 Les tudes 19420.2.1 Lacquisition des donnes, les contrles et les suivis sur les bassins 19420.2.2 Lacquisition de la connaissance au niveau de laquifre 196

    20.3 Les actions sur les aquifres 19720.3.1 Actions quantitatives 19720.3.2 Actions qualitatives 203

    20.4 Loptimisation de lexploitation des aquifres karstiques 20420.4.1 Barrages souterrains 20520.4.2 Le cas de la source du Lez 206

    CHAPITRE 21 EXEMPLES DE RECHERCHE DEAU POUR AEP 208

    21.1 Exploitation dune nappe libre (Mouans-Sartoux, Alpes-Maritimes) 208

    21.2 Exploitation dune nappe captive (bassin du Paillon, Alpes-Maritimes) 211

  • Table des matires IX

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    PARTIE IV

    HYDROGOLOGIE DU GNIE CIVIL

    CHAPITRE 22 LEAU ET LA CONSTRUCTION 217

    22.1 Fluctuations naturelles de la nappe 217

    22.2 Influence des ouvrages tablis en terrain aquifre 21922.2.1 Rle de barrire hydraulique 21922.2.2 Rabattement provoqu 220

    CHAPITRE 23 LES MOUVEMENTS DE TERRAIN 222

    23.1 Leau et les instabilits 222

    23.2 Les glissements 22323.2.1 Caractristiques et particularits des glissements 22323.2.2 Causes des glissements 22423.2.3 Traitement des glissements 22423.2.4 Exemple du glissement de la Clapire (Alpes-Maritimes, Saint-tienne-de-Tine) 22823.2.5 Exemple du glissement dArdisson (Alpes-Maritimes, La Trinit) 23023.2.6 Exemple du glis