Pollution et alimentation des nappes phreatiques

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Collection de r Atelier d'exploration

Con(epriO!1

Laboratoire d"hydrodynamique des milieux poreux de 1"lnstitut de mecanique des fluides

Unite associee au CNRS n° 854, Universite Louis Pasteur, Strasbourg

Con.$(1me,r scie,nfi!fque

C. Cosandey

Laboratoire de geographie physique, CNRS, Meudon

R(~a~f.$t1fiaf1

P. Bastide, A" Billet, J. DeJeglise, C. L'henoret, F. Eckly, J. Pasqualini

L I exposition scientifique interactive

I. Contenu scientifique

Importance des eaux souterraines

Les principaux types d'aquiferes et de nappes

Visualisation de la circulation de liquides dans un milieu poreuxet du transport d'un polluant par I'eau souterraine

L'approche hydrodynamique de l'ecoulement d'un fluidedans un milieu poreux

Caracteristiques des parametres d'un reservoir poreux

Les phenomenesde transport dans un aquifere poreux

Alimentation des nappes phreatiques

2. Description de la manipulation

Comment un polluant se deplace dans une nappe phr~atique ?

Comment sont alimentees les nappes phreatiques ?

Pollution et alimentation des nappes phreatiques

Les scientifiques, habitues a entreprendre des actionsculturelles du type grand public sur les eauxsouterraines, nous ont fait part des fausses certitudeset des generalisations h§tives qu'ils ont rencontreeset qui constituent autant d'obstacles a lacomprehension du fonctionnement des nappesphreatiques, telles que :-I'eau circule dans le sol verticalement ; il n'existepas de cir<:ulation horizontale ; si du polluants'enfonce dans le sol, il n'ya pas pollution de toute la

nappe:-le sol est un tres bon filtre ;-I'eau souterraine s'ecoule soUs la forme de fleuvedans des cavites et, de temps en temps, il y a desresurgences qui donnent des sources; etc.La plupart de ces attitudes sont issues de ce que I'onvoit des circulations de I'eau dans le sol (les grottes,les galeries souterraines,...), Le grand public disposede peu d'informations pour imaginer comment. sousses pieds, I'eau circule dans un milieuporeux.Pour nous, la visualisation des mecanismes d'alimen-tation, d'ecoulement de I'eau et des processus depollutions dans les nappes souterraines constitueI'axe fort d'une communication par exposition.N'oublions pas que, pour connaitre ces ecoulements,les scientifiques realisent des experiences qui lesmet tent en evidence. que ce soit a l'echelle d'unbassin versant ou d'une zone locale.Les deux manips de ce dossier « Comment sontalimentees les nappes phreatiques ? » et « Comment unpolluant se deplace dans I'eau souterraine ? » sontessentiellement des dispositifs de visualisation, Ellesmet tent en ceuvre des phenomenes reels, d'ou unecertaine lenteur dans les processus evenementiels quidecourage le visiteur impatient. Ainsi elles posent leprobleme de la transposition de manipulation delaboratoire en objet pedagogique interactif d'exposition.La manip « Comment un polluant se deplace dansI'eau souterraine ? » est un exemple de ce qu'unlaboratoire peut faire pour presenter ces recherchesaussi bien aux decideurs qu'au grand public, Elle aete realisee a la fin des annees 80 par le Laboratoired'hydrodynamique des milieux poreux de l'lnstitut demecanique des fluides (Unite de recherche associee854 CNRS-Universite Louis Pasteur de Strasbourg).L'objectif des recherches est, entre autres, de mettre adisposition des services charges de )'approvision-nement en eau potable, des outils fiables pourevaluer I'extension et la propagation d'une conta-mination, pour decider des mesures a prendre pourcontinuer a alimenter en eau potable et mettre enreuvre les moyens de depollution.

Dans nos pays temperes qui, jusque-Ia, n'avaientjamais manque d'eau, les secheresses des anneessuccessives (1989, 1990, 1991,1992) ont amene aconsiderer ce precieux liquide comme I'un des enjeuxdu developpement de notre societe, Les aleasclimatiques, en assechant les ressources en eau desurface, ont favorise I'exploitation des eaux souter-raines, Or, ces eaux, contrairement a ce que I'onpouvait esperer, etaient pour beaucoup d'entre ellespolluees ou en voie de I'etre : d'une part, avecI'apparition et I'amplification des pollutions d'origineagricole (utilisation intensive des nitrates etpesticides, communication d'une nappe saine avecune nappe polluee provoquee par des forages de plusen plus profondsJ ; et, d'autre part, par la multipli-cation des cas de contamination ponctuelle le plussouvent d'origine industrielle (chlorures, sulfates,hydrocarbures, metaux, solvants organiques",,), On apris conscience que la plupart des eaux souterrainesn'etaient pas entierement protegees des pollutionsqui, par ailleurs, etaient rarement detectees aI'instant ou elles se produisaient, Le temps detransfert a I'interieur des nappes souterraines peutetre tres long {plusieurs dizaines d'annees parkilometre pour des sols faiblement permeables), II enresulte que les eaux de certains aquiferes constituentune memoire d'un passe que I'on voudrait oublierouun heritage indesirable pour les prochainesgenerations, Les eaux souterraines sont fragiles ettoute action de depollution est coOteuse, II est doncpreferable d'agir au niveau preventif, tant dans ledomaine de la connaissance, en affinant notreapproche, que dans le domaine de I'education et deI'information, Pour cela, il faut agir sur I'opinionpublique pour que les eaux souterraines soientconsiderees comme un patrimoine qu'il convient degerer aujourd'hui pour demain,« "' la totale ignorance des differents acteurs de notre

societe (sauf quelques milliers d'inities) envers lesmecanismes d'alimentation, d'ecoulement et decontamination des eaux souterraines est en grandepartie responsable des pollutions, 11 est absolumentnecessaire de developper des actions de formation etd'information pour tous, en utilisant tous lessupports mediatiques possibles, ce qui presupposeune formation urgente des acteurs de ces metiers, »Avec les manips de ce dossier nous reuvrons pourque ce constat cite dans I'introduction du rapport deI'academie des Sciences « Pollution des nappes d'eausouterraine en France » publie en 1991, suscite de

nombreuses actions de diffusion culturelle desconnaissances sur les eaux souterraines,

L'exposition scientifique interactive

Les eaux souterraines forment I'essentiel des stocksd'eau liquide presente dans les terres emergees (deI'ordre de 98% a 99 %) et une part notable desecoulements totaux d'eau douce de notre planete ,

pres du tiers de to us les flux d'eau qui circulent dansI'espace terrestre sont souterrains pendant un tempsplus ou moins long et sur des distances variees deleur parcours,

est pre levee dans les aquiferes alluviaux -et parconsequent en interaction directe avec les coursd'eau -tandis que plus de 30% proviennent des nap-pes libres des bassins sedimentaires et pres de 20 %des nappes captives des aquiferes profonds. Unenappe est dite libre quand son toit est en contactavec I'air atmospherique a travers le domaine nonsature, EIle est captive lorsque son toit est limite parune couche permeable, La quasi-totalite de la pOpU-lation franc;aise est desormais desservie par un reseaupublic de distribution d'eau potable. Pour 60 %d'entre elles, les eaux distribuees sont d'originesouterraine, prelevees a partir de 29 000 captages desources, puits ou forages. Cela correspond a 85 % descommunes approvisionnees exclusivement a partird'eaux souterraines. La consommation moyennetotale d'eau domestique est de lordre de 140 I/j/hab.et de 190 I/j/hab. si I'on inclut les collectifs, com-merces et petites industries.Par rapport aux eaux de surface, les eaux souterrainespresentent souvent plusieurs avantages : uneaccessibilite qui en fait une ressource appropriee auxutilisations dispersees ; des coOts de captages, detraitement moins eleves et d'exploitation (energe-tiquej souvent nulles (captages gravitairesj ouminimes (pompages a faible profondeurj ; de faiblesvariations saisonnieres et interannuelles, a I'excep-ti on des aquiferes karstiques, ce qui affranchitgeneralement I'exploitation d'eau souterraine desaleas climatiques et permet de satisfaire lesdemandes de pointe ; une regularite de la tempe-rature et de la qualite ; une meilleure protection vis-a-vis des polluants entralnes lors des forts episodespluvieux et des pollutions accidentelles. Lorsque leseaux sont polluees, le nombre de polluants est limite.Ces dernieres annees, ces avantages tendent adisparaltre. En effet, en raison des pollutionsd'origine industrielles, agricoles et urbaines, plu-sieurs centaines de captages d'eau destinee a laconsommation humaine ont dO etre abandonnesdefinitivement : le plus grand nombre du fait deteneurs en nitrates tres superieures a la norme, maisbeaucoup aussi a cause de pollutions accidentellespar des hydrocarbures, des solvants organiques oudes metaux indesirables. Cet etat de fait a, d'une part,des incidences economiques negatives importantespar les coOts des investissements (deplacement de~

Importance des eaux

eaux souterraines 10 du rapport n° 29 de I'academie desSciences. Pollution des nappes d'eau souterraines en France.novembre 1991

1 « Importance des

types d'aquiferes e

)'introduction et du

souterratnesl

Elles constituent une ressource largement utiliseedans le monde : environ six cents a sept centsmilliards de metres cubes par an sont aujourd'huitires du sous-sol, soit au moins un cinquieme detoute l'eau prelevee pour tous usages confondus.Cette proportion est plus forte dans les pays de lazone aride ou les eaux superficielles sont rares et tresirregulieres. l'abondance des ressources en eausouterraine offrent dans bien des regions de largespossibilites de croissance de leur utilisation :production d'eau potable, usages industriels et

irrigation.En France, on estime que les prelevements d'eausouterraine sont de I'ordre de sept milliards demetres cubes par an, soit 20 % de tous les preleve-ments en eau bruts thormis ceux des canaux denavigation, de l'hydroelectricite avec rejets en mer}.Ce pourcentage s'eleve a pres de 40 % si l'on exclutles prelevements d'eau de surface pour le refroidis-sement des centrales thermiques, presque entiere-ment restitues, a I'exception des quantites evaporees.Ces prelevements se repartissent principalemententre trois secteurs : 54 % pour la production d'eaudestinee a la consommation humaine (soit3,5 milliards de m'/an} ; 25,8 % pour I'industrie (nonraccordee} ; 19, 7% pour I'agriculture (irrigation).la proportion des demandes en eau couverte parI'exploitation d'eau souterraine par rapport auxvolumes totaux utilises est la plus forte dans lesecteur de I'alimentation en eau potable. 60,5 0;0 enmoyenne (et jusqu'a 95 % dans certaines regions,comme Paris, le Nord, l'AIsace), non negligeablespour les industries non raccordees- 34,5%, et pourl'irrigation 28, 7 %. Pres de la moitie de ces volumes

eaux souterraines J

t de nappes .sontdebut du chapitre ,

.et " Les principaux

repris en partie de

, Generalites sur les


captages, interconnexion de reseau. usine detraitement) et. d'autre part. dans certaines regions oules nappes sont particulierement polluees, ii devientde plus en plus difficile de trouver des zones debonne qualite et certains champs captantsdeviennent « irrempla<;ables II.

Les principaux typesd'aquiferes et de nappes

fi9uf'e 1

On distingue deux principales categories de reservoirsd'eau souterraine.-Les aquiferes a porosite d'interstices (flg.la),constitues de sables, graviers, gres, etc. ; c'est le casdes nappes alluviales qui occupent les fonds de valleeet d'une partie des nappes des grands bassinssedimentaires. Les vitesses d'ecoulement y sont. engeneral, lentes.-Les aquiferes heterogenes a fissures (flg.lb. Ic),sont surtout constitues de calcaires mais egalementde roches volcaniques, granitiques ou greseuses.Dans les massifs calcaires, les fissures sont souventouvertes (aquiferes de type karstique) et constituentde veritables conduits souterrains dans lesquels lavitesse de circulation des eaux peut etre tres rapide.L'ecoulement de ('eau en conditions naturelles : leseaux souterraines sont courantes et non stagnantes.Les nappes sont alimentees. pour I.essentiel, parI'infiltration sur de grandes surfaces d'une partie deseaux de pluies qui. compte tenu de I'evapo-transpiration. sont surtout efficaces entre les moisd.octobre et d'avril. Ainsi, I.alimentation des eauxsouterraines ne depasse guere 20% des precipi-tations annuelles. Le mouvement de "eau vers lanappe se fait en fonction de la porosite et de lapermeabilite du sol et de la zone non saturee. Lavitesse d'infiltration varie de moins d'un metre par an-par exemple dans la craie de Champagne -a unmetre par mois dans les calcaires de Beauce etplusieurs metres a I'heure dans les terrains tr~sfissures de type karstique, Entre la zone d'infiltration

Differents types d'aquiferes(ordre de grandeur du transfert sur 1 km).

figure 2

I

I

alimentation (pluies)

II II

sol de couver1ure

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1 s'infiltrer verticalement

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base de la nappe

nappealluvia le libre

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nappe d'eausouterraine

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Schema de structure du sous-sol.

II montre la distribution de I'eau dans la partie superficie/1e de I'ecorce terrestre et met en relief I'existence d'une circulation

d'eau horizontale a travers I'empilement des sables et graviers (aquifere} : la « nappe » d'eau souterraine est formee par celle

eau imbibant les sables et graviers et circulant au travers des petits vides existant entre les grains empiles. Imaginons qu'une

tige so it enfoncee progressivement dans le sol. Elle traversera successivement les differentes zones du sous-sol avant

d'alleindre la limite du fond impermeable.


et )'exutoire, l'eau souterraine se dep)ace dansl'aquifere par gravite, des lieux les plus hauts vers lespoints les plus bas, Le volume d'eau mouvante a unesurface en pente que revelent les niveaux d'eau despuits et des forages, La vitesse d'ecoulement deseaux souterraines est liee a la permeabilite de

I'aquifere, elle-meme fonction de la taille deI'interstice (granulom~triej, de la fissure ou de lacavit~, Ainsi le transfert d'un meme volume d'eau surune meme distance (de I'ordre du kilometrej peutnecessiter quelques annees en alluvions et en milieuporeux. quelques mois en milieu fissur~ et quelquesjours, voire quelques heures. en milieu karstique, Leseaux souterraines sont r~parties en de nombreuxbassins hydrog~ologiques souterrains dont la formeet les limites peuvent parfois etre tres differentes decelles des bassins superficiels, Les aquiferes sont desreservoirs qui fuient en permanence, L'eau s'enechappe par les sources, Ils peuvent etre aussidrain~s par les cours d'eau. les eaux souterrainesassurant la quasi-totalite du debit d'etiage, Inver-sement. dans certaines conditions. les rivierespeuvent s'infiltrer totalement ou partiellement dansle sous-sol et alimenter les aquiferes, Apres unparcours souterrain plus ou moins long. elles peuventdonner naissance a des resurgences,

L'observation a differentes echelles d'un tel massifgranulaire non consolide met en relief plusieurs« niveaux d'heterogeneite .du milieu poreux (voirfig. 3], L'acces a la « geometrie .interne d'un milieuporeux est toujours delicat. Malgre les performancesd'auscultations locales sur les echantillons aulaboratoire, soit par I'intermediaire de fibres optiquespenetrant le milieu et qui transmettent des imagesdirectement sur un analyseur, soit par I'observationsous microscope de lames minces du materiauobtenues apres injection de resines dans les pores ouencore d'analyses de sondage et de diagraphies sur leterrain, la connaissance de la structure complexe depores interconnectes du milieu restera partielle.Ouelle que soit I'echelle d'observation, aucunedescription quantitative d'un reservoir poreux n'a puetre exhaustive. Par I'etude fondamentale demecanismes de transport de polluants par I'eau dansles sols et sous-sols (sur modeles physiques delaboratoire, par simulation au moyen de modelestheoriques], la recherche developpe des outilspermettant d'affronter les cas reels de pollution adifferentes echelles (soit sur des dizaines dekilometres pour les langues salees issues des terrilsdu bassin potassique, soit sur quelques dizaines demetres a la suite d'un deversement accidentellocalised'hydrocarbures} et de guider les interventionspratiques pour stabiliser, voire neutraliser lesdomaines contamines.Visualisation

de la circulation de liquides

daDs un milieu poreux

et du transport d'un polluant

par l'eau souterraine2 de

L'approche

hydrodynamique

l'ecoulement d'un fluide

dans un milieu poreuxLe chercheur qui etudie I'ecoulement de l'eau (etautres liquides qui pe\Jvent s'infiltrer dans le sous-sol) designe I'empilement des sables et graviers (avecpresence d'argile eventuellement) de « milieuporeux » (ou encore « matrice pore use », les espacesvides etant appeles « pores »). Un milieu poreux estun type de reservoir oil I'etude de I'equilibre et dumouvement du fluide -etude comprenant enparticu!ier l'analyse des forces au niveau des paroissolides des « pores » en contact avec ces fluides(liquides, gaz) -se complique singulierement parrapport a la connaissance de la mecanique des fluidesdans les conduites et les canaux. L'image d'un« reservoir poreux » nature! est donnee par

l'ensemble des alluvions, melang~ de galets, graviers,sables et argiles que depose tout fleuve dans son« corridor », Ces masses d'alluvions accumulees, adifferentes periodes, en formations a epaisseurvariable dans des vallees plus ou moins encaissees,constituent « des aquiferesa porosite d'interstices ».

Si I'objectif est de conna1tre ies phenomenes sederoulant a I'echelle du reservoir lors de i'etude dumouvement d'une nappe d'eau souterraine libredefini par le champ de la charge hydraulique, lemilieu sera considere comme un milieu continu : onpourra appliquer alor& la theorie du mouvementpotentiel avec tous les moyens de resolution

mathematique, numerique, analogique.Dans la plupart des cas, re comportement du ou desfluides contenus dans le reservoir -ii peut s'agird'eaux contaminees soit physiquement (influencesthermiques), soit chimiquement (substancesdissoutesl, soit biologiquement (micro-organismes),ou d'autres liquides non miscibles a I'eau, ou encorede gal -resulte de mecanismes mis en jeu a I'echelledes por~s. II est alors necessaire d'acquerir toutd'abord une bon ne connaissance de ces phenomenesqui auront naturellement des repercussions aI'echelledu reservoir entier.

2 Les quatre paragraphes suivants sont extraits du chapitre" Porous media and aquifer systems ., Zilliox Loo Groulld\llater

ecolo!1!1, edite par Gibert I, Danielopol D L et Stanford I AAcademic Press, Londres, 1994

r-Polluti()n et alimentation des nappes phreatiques

Figut'e 3,.--

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.1r-- l-

1"r\iveau

d'h9ter~neite

Niveaux d'heterogeneite dans I'observatian

d'un aquifere sablo-graveleux.

Source cette figure, oinsi que les trois suivontes, ont ete

reolisees d'opres Spitz, por Beller C., Bouzegaio A. et Sira C.,

ACPA (Atelier de cartographie et de publications assistees),

universite Louis Pasteur -U.RA. 95 CNRS

milieux naturels. La loi de Darcy est 1'equation dumouvement d'un fluide (l'eau par exemple) a l'echelledu VER oi) les singularites du niveau granulometrique(echelle des pores) ne sont plus prises en conside-ration dans I'hypothese d'un milieu continu ; cette loiexprime simplement la relation entre la vitesse fictive« macroscopique » (ou debit unitaire) q et le gradienthydraulique (ou pente pieziometrique) 1, par q = K. Iavec K = coefficient de Darcy (ou coefficient de

permeabilite ou encore conductivite hydraulique)3.

Entre les echelles globales -niveau du reservoir -etponctuelles -niv~au du pore -a ete mtroduiteI'echelle locale, niveau intermediaire du « volumeelementaire representatif ~ (note VER et designeaussi par « volume elementaire de Reference ~ dumilieu poreux). A cette echelle, I'objectif est d'etablirdes lois dites « macroscopiques ~ par des prises demoyennes (au sens des probabilites) sur les 1oisetablies en mecanique des fluides en milieu continuet appliquees dans un pore pris comme conduitelementaire d'ecoulement,En fait, on passe ainsi d'une caracterisation geo-metrique fine, metrologiquement inaccessible, auniveau pores a I'echelle suffisamment grande pour yinclure un nombre important d'espaces vides et depleins de sorte qu'un effet de moyenne s'y manifeste ;on pourra y raisonner comme un milieu continu et ydefinir localement des « grandeurs macroscopiques ~,Ce concept, qui etablit une equivalence entre lemilieu reel disperse et un milieu fictif continu, permetdifficilement d'apprehender la variabilite spatiale des

c arac teri stique s

des parametres

d'un reservoir poreux

Dans la mise en valeur d'un aquifere alluvial, it estnecessaire de mettre en paratlele deux preoC-cupations ; celle relative a t'etude quantitative de laressoUrce eau, 00 I'on traitera du moUVement de

3. L'echelle VER est generalement celle de l'echantillon dumilieu poreux en laboratoire Mais toute partie d'un aquiferenaturel presente des heterogeneites dont les dimensionsvont de celles des espaces vides (existant aussi dans leVER ) A celles de la distance par exemple entre un pointd'alimentation et un point de captage, ou encore de ladistance entre puits d'injection et pieziometre de reperage

lors d'un essai de tra<;age in situ. Dans ces cas, vu I'extensiondu champ d'observation, il sera necessaire de definir desgrandeurs caracteristiques a cette echelle superieure deniveau d'heterogeneite d'ordre 2, voire 3. Ce ne seront plusles valeurs locales d'un VER, mais celles qui integrent les« variations regionales .et devront etre determinees a "aide

de methodes statistiques.


Figure 5

1. Effets de mecanismes dispersifs a I'echelle des volumes de pores (heterogeneites d'ordre 1

~I~I~I/- -~

b. Dimension variabledes pores

a. Particules elementairessoumises au profil des

vitesses dans un conduitintersticiel

eau stagnante

air (bulle

piegee)

grain de sable

c. Presenced'une phase gazeuse avecformation d'eau Immobile

2. Effets de melange par circulation a travers des structures multi-permeables (heterogeneites d'ordre 2

Niveaux d'observation de circulations heterogenes.

indique la valeur de sa porosite efficace(colrespondant a la teneur en eau drainable). Alorsque cette porosite efficace s'obtient comme unrapport de deux volumes, la porosite cinematiques'obtient par le rapport de deux vitesses : vitessede Darcy/vitesse macroscopique moyenne. Cetteporosite cinematique (correspondant a la teneuren eau mobile) est-elle fonction du gradient decharge hydraulique ? II n'est guere de mesureconnue faite pour resoudre cette question, N'est-ilpas risque de vouloir determiner cette porositecinematique par tra<;age j/1 situ au niveau d'uneportion du reservoir, sachant que les hetero-geneites feront assimiler la vitesse macroscopiquemoyenpe a la vitesse correspondant au transit parles zones plus permeables ? L'essai de tra<;ageserait pertinent pour reconnaltre ces chemine-ments par une porosite dite cinematique. sanscommune mesure avec la valeur de la porositetotale du milieu.

masses d'eau sans distinction de composition; etcelle relative a la quantite de I'eau. Dans le premiercas, on evaluera la capacite du reservoir poreux acontenir de I"eau et son aptitude a transmettre un fluxd'eau ; dans le second cas, il s'agira d'apprecier lacapacite du reservoir a selectionner des elementsphysiques, chimiques ou biologiques et son aptitudea disperser ces elements dissous et (ou) en sus-pension. Dans cette optique, trois parametres dureservoir sont a mettre en avant: la porosite, lapermeabilite et la dispersivite. Leur importance sesitue respectivement au niveau du contenu (stockd'eau), du flux (circulation de I'eau), de la propa-

gation (transport par I"eau).

La porosite

Lors d'essais sur echantillon de milieu poreuxquasi sature en eau, le volume d'eau gravitairerecueilli rapporte au volume total de I'echantillon

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b. Echange entre blocs repartis de

fa9on aleatoire


..;a permeabilite I'epaisseur de la nappe, encore appelee sa puissance.La composition des permeabilites q locales]) pourdeterminer une permeabilite q regionale ]) qui traduitIt en moyenne ]) la distribution des heterogeneitesd'un aquifere, ne s'opere rigoureusement que dansles cas simples du reservoir stratifie a succession decouches paralleles ou perpendiculaires aI'ecoulement d'eau. Cette situation est certainementa I'origine de la mise en reuvre croissante dedemarches stochastiques a cote d'approchesdeterministes ; courante en hydrologie, cettemethodologie se developpe en hydrogeologie pourprendre en compte la variabilite spatiale aleatoire deparametres caracteristiques, La meme analyse surI'heterogeneite d'un reservoir que celle effectuee apartir de permeabilites locales et regionales seretrouve dans la caracterisation des proprietesdispersives du reservoir.

Rappelons, a partir de la loi de Darcy, que lecoefficient de permeabilite K (ou conductivitehydraulique de dimension LI') depend nonseulement des caracteristiques sedimentologiques dureservoir poreux ma is encore des caracteristiquesphysiques du fluide en circulation. On introduit ainsila permeabilite k (grandeur specifique au milieuporeux, de dimension L', encore appelee permeabiliteintrinseque) liee a K par la relation K = k. r. g/m ou g

est I'acceleration de la pesanteur, r et m etantrespectivement la masse volumique et la viscositedynamique du fluide en circulation. Dans les milieuxalluviaux (empilement de sediments), on notetoujours des valeurs de la permeabilite horizontalebien superieures a celles de la permeabilite verticale(en fait, dans un tel volume aquifere, la permeabiliteest a considerer en general comme une proprietetensorielle). La connaissance des valeurs locales de lapermeabilite a differentes cotes de profondeur d'unreservoir permet d'en apprecier I'heterogeneite. IIn'est cependant pas sOr que I'on puisse toujours tirerparti de cette connaissance pour prevoir lecomportement global du reservoir. Dans certains cas,on utilisera la notion de transmissivite de la nappequi correspond, sur une verticale, au produit de laconductivite hydraulique horizontale moyenne par

--,a dispersivite

Dans un aquifere de type alluvial, le transport d'untraceur (substance miscible a I'eau sans en modifier lescaracteristique physiques et non interactive avec lesalluvions) d'un puits d'emission a un puits de reperagepermet d'acceder a un coefficient de dispersion a partirde la courbe de restitution donnant la repartition desconcentrations en traceur dans le temps au puits de

figure 6


mesure. (Les methodes de tra<;age pratiquees sur leterrain se trouvent dans une litterature abondante surle sujet. Pris selon la direction de I'ecoulement moyende I'eau souterraine, ce coefficient, note DL et appelecoefficient de dispersion longitudinal (de dimensionL'I'), s'exprime en general par la relation DL = -aL .Urn,

OU U est la vitesse macroscopique moyenne deI'ecoulement (rapport du debit unitaire a la porositednematique du milieu), ou m est une constante priseegale a 1 dans les conditions de circulation de I'eaudans un aquifere alluvial et ou <Xc est un coeffident de

dispersion longitudinal intrinseque appele dispersi-vite longitudinale4.

Les conditions d'ecoulements

heterogenes

La connaissance globale des contours de I'aquifere etla determination de parametres sur certains site~ nelevent pas les incertitudes quant a la variabilite desgrandeurs dans I'espace. Cette variabilite se manifesteau vu des resultats de mesures des vitesses locales surun site de l'aquifere rhenan par mise en ceuvre de lamethode de dilution ponctuelle. II s'agit egalementd'elargir dans ce contexte la notion d'heterogeneiteau-dela des effets dus a la structure sedimentologiqueIcreatrice de cheminements preferentiels comme dezones a diffusion retardee par exemple). II s'agitencore de prendre en consideration I'influence dezones a saturations differentielles leffets capillaires enecoulement polyphasique, piegeage d'eau en aquifereaere notamment), ainsi que I'incidence de contrastesde densite la I'origine du developpement d'instabilitesperturbatrices dans les « deplacements miscibles })

d'eaux douces et salees, par exemple). Les conditionsde « circulation heterogene }) sont schematisees sur la

figure 5 selon divers niveaux d'observation ducheminement de I'eau et du transport d'elements ensolution dans l'eau5.

Les phenomenesde transport

dans un aquifere poreux

alluviale, doivent prendre en compte a la fois I'eauatmospherique, les eaux de surface, I'eau du sol et lesea ux souterrai nes ( c' est le cas dans toute valleefluviale). Afin de quantifier le transport de substanceschimiques polluantes vers (et dans) les eauxsouterraines, il faut non seulement connattreI'aptitude du milieu (couvertures pedologiques etsystemes racinaires, depots sedimentaires etalluvions, avec leurs biocenoses specifiques) atransmettre un flux d'eau, mais savoir prendre encompte la capacite de ce milieu poreux a selectionnerles elements vehicules par "eau, a les disperser ou ales fixer, voire encore a les transformer (processusbiologiques et chimiques). Les elements ci-dessousindiquent comment la nappe alluviale fibre (nappephreatique) se situe dans le systeme interact if global.-Entre les rivieres en surface et la nappe souterrainese produisent des echanges d'eau variables enquantite selon les saisons, les secteurs, I'hydraulicitedes rivieres et la position relative de la surface de lanappe et de celle du fond du lit des cours d'eau.-Les alluvions en contact avec la nappe ne sont pasinertes au passage de polluants. Ainsi les sedimentsdes cours d'eau et les elements fins (argiles etlimons) de I'aquifere « reagissent !> avec descontaminants toxiques tels des traces de metauxlourds ou des pesticides (micropolluants inorga-niques ou organiques). Des experiences sur milieuxporeux en laboratoire ont montre que dans certainesconditions (par exemple un <:hangement de lacomposition de I'eau), un micropolluant comme lemercure peut etre remobilise apres fixation ettransporte par I'eau risquant d'atteindre un captaged'eau potable en aval.II apparait donc que les alluvions arrivent a stockerjusqu'a un certain seuil (le plus souvent inconnu) desmicropolluants Ice qui est une chance pour laprotection de la nappe), mais que d'autres elementsmodifiant la composition de I'eau p~uvent faire« sortir !> de ces alluvions permeables les substancesaccumulees qui polluent alors la nappe..Ce qui differencie les problemes de pollution deseaux souterraines de ceux des eaux de surface est enpremiere ligne I'echelle du temps. Pour une riviere oula vitesse de circulation de I'eau est de I'ordre dukilometre a I'heure, la duree de renouvellement duvolume d'eau contenu dans son lit se situe enmoyenne autour de quelques jours, au plus dequ~lques semaines. Dans I'aquifere poreux ou I'eausouterraine circule a des vitesses de I'ordre du

L'exploitation et la gestion de I'eau d'un hydro-systeme continental tel I'aquifere poreux du fosserhenan dans le bassin d'effondrement entre laFor~t-Noire et les Vosges a I'echelle de la plaine

4. On introduit de la meme fa~on D, et a, parametressimilaires correspondant aux effets dispersifs transversaux(dans un plan perpendiculaire a la direction moyenne deI'ecoulement dans le reservoirl. Tout comme le parametrepermeabilite, la dispersivite est representative de I.echellede mesure .elle correspond, au niveau local. a la variabilitedes vitesses dans I'espace poreux et, au niveau regional, auxheterogeneites du champ des vitesses macroscopiquesrepresentatif de la nature sedimentologique du reservoir.

C'est le parametre dont la determination sur le terrain est laplus del icate par rapport a la mesure des porosites et

permeabilites5 Remarque relative a la definition pratique des notionsd'homogeneite et d'isotropie un aquifere poreux sera dit" homogene .s'il presente en tout point, dans une directiondonnee, la meme r~istance a la circulation de I'eau Si cetteresistance est la meme quelle que soit la direction, I'aquiferesera dit " isotrope .

1'""""Pollution et alimentation des nappes phreatiques

kilometre a I'annee, l'indicateur de la duree durenouvellement du volume d'eau contenu dans lereservoir s'exprime en decennies, voire en siecles. Parsa propagation rapide, la pollution d'un cours d.eau(dont les effets sont visibles le plus souvent) estsusceptible d'etre vite detectee. En revanche, lapollution d'une eau souterraine (circulant treslentement et quasi visible dans le compartimentsouterrain) peut voir sa detection differee de plu-sieurs annees et meme au-dela. Des lors, les (( tempsde reaction » sont du meme ordre lorsqu'il s'agit dedepolluer. Apres I'arret de la source de pollution et lamise en reuvre de techniques d'assainissement, laqualite originelle de I'eau de riviere sera retrouveeapres un delai relativement court. Reduire lapollution dans le reservoir aquifere necessitera desdizaines d'annees. Dans des cas extremes, la situationpeut meme devenir irreversible,Cette notion d'irreversibilite est en soi complexe carelle releve de criteres de classification par families depollutions, De plus, la « persistance » d'une pollution

est une notion liee a la nature et au degre d'intensitede toutes les interrelations, variables en duree, entrecompartiments hydrologiques et ecosystemesassocies d'un bassin fluvial. La connaissance fine dela dynamique de transfert de polluants vers lesnappes est encore fragmentaire, Un tel transfert estfonction a la fois de la specificite du milieu traverse,du type de polluant et des conditions de sontransport par ('eau.-En ce qui concerne la caracterisation du site detransfert vers la nappe, ii s'agit de distinguer entredeux types (( d'ecrans » ou « barriere biogeo-chimiques » : soit des sols secs (en surface' ou

inondes, avec ou sans couvert vegetat, presentant desconditions hydriques tres variees ; soit dessediments, depots colmatant dans les cours d'eau,etangs, ballastieres, en etat de saturation en eaumaximale.Ces milieux poreux ne sont le plus souvent decritsqu'en fonction d'une problematique interessant uneseule discipline scientifique et a une echelle donnee.L'etat actuel des connaissances quant a leur structurein situ et leur role en tant que milieux « actifs »(fonctionnement interne d'ecotones heterogenes)dans le transfert des polluants est insuffisant.Un classement par famille de polluants peut etre faitselon des criteres d'ordre :-physique {miscibilite totale ou partielle a I'eau,volatilite, ...) ;-chimique (nature mineraJe ou organique,solubilite, ...) ;.biologique (taux de degradation, degre detoxicite, ...).Si I'on connait intrinsequement ce type de donnees,pour telle ou telle substance dans des conditionsprecises d'analyses et de mesures, on ne disposeguere de leur connaissance complete dans lesconditions de circulation en milieu poreux naturel,Le transport par I'eau comprend I'hydrodynamique et

les processus reactionnels. Les substances conta-minantes (sous forme particulaire ou en solutes)presentent des « affinites .differenciees vis-a-vis dela matiere solide ou des phases fiuides (eau et air)formant le milieu naturel de transfert.Des essais «< statiques .1 en reacteurs fermesperm et tent generalement d'acceder a des equilibresdans la repartition d'un element entre phase solide etfluide. Dans ces conditions « dynamiques », ou lesflux de polluants sont variables, I.echange se produitdifferemment : il est utile de developper I.experimen-tation pour acceder a une meilleure connaissance desmecanismes d'echange et des equilibres susceptiblesd'etre atteints ou non en fonction de la nature et ducomportement specifique des polluants.Les processus reactionnels (chimiques et bio-logiques), plus intenses dans le domaine aere dureservoir aquifere (lone « ecotone. subissant de plusles effets de la densite racinaire dans sa partiesuperieure), sont sous l'influence de nombreuxfacteurs « environnants » (pH, temperature, specia-

tion, presence d'autres substances colloYdes, matiere

organique, ...).Les echanges peuvent etre reversibles ou non; lescinetiques egalement sont differentes et liees auxconditions de transport (vitesses de circulation).Enfin, la position relative du toit de la nappe parrapport a la surface du sol est determinante :I'infiltration est d'autant plus rapide que le milieuporeux est davantage sature en eau. Quantifier letransfert necessite d'introduire une hierarchisationdans les mecanismes physiques et dans lesprocessus, chimiques et biologiques qui legouvernent. Une recherche experimentale d'ampleurest a mener pour mieux apprehender cettehierarchisation qui doit permettre d'aboutir a desmodeles previsionnels praticables par lesgestionnaires de la qualite des eaux. L'identificationdes discontinuites d'ecotones eaux souterraines-eauxde surface entre pour une part importante dans les

strategies d'amenagement integrant I'hydrologieoperationnelle et la biologie.L'analyse des « flux de pollution. resultant denombreuses activites humaines -domestiques,agricoles ou industrieIles -est complexe. La prise encompte de leur dynamique d'evolution completee parI'examen -a diverses echelles d'espace et de temps -

de I'accumulation dangereuse de polluants toxiquesdans tous les compartiments d'un hydrosystemealluvial, repose sur la connaissance de nombreuxmecanismes et processus. La comprehension d'uncertain nombre de ces mecanismeselementaires ainsique de leurs interactions permettent de developperdes representations par modeles dans l'optique d'une« prevention active ..

Dans la protection des eaux souterraines, lestechnologies curatives necessaires seront develop-pees pour repondre aux situations accidentelles. Onpeut noter que la plupart des contaminations d'unsysteme alluvial sont le fait de poIluants miscibles a


n° 8 c Interaction climat-vegetaux ~). Ce n.est quelorsqu'elle est reconstituee que I'eau contribue auremplissage des nappes et aux ecoulements.La reserve utile (Ru) comprend deux reservoirs : I'untotalement accessible a j'evapotranspiration. lareserve facilement utilisable (Rfu). I'autre, la reservede survie des vegetaux (Rs). Lorsque le reservoir esten regime reserve de survie. les vegetaux reduisentleur transpiration par fermeture des stomates etdiminution des forces de capillarite. La reserve utile

l'eau. Meme dans le cas d'une pollution par produitspetroliers, c'est la fraction d'hydrocarbures solublesqui constitue le danger essentiel car elle se propageavec la mobilite de I'eau, le « vecteur de propa-gation » etant I'eau.Le mouvement du polluant sera soumis a I'action de« retardateurs du transport » que sont les phasessolide, liquide ou gazeuse « stationnaires » etreactives. L'utilisation de connaissances en geo-chimie. en hydrogeologie et en mecanique des fluidesest alors necessaire.Pendant son deplacement. la pollution sera egale-ment sous I'influence de « biotransformateurs despolluants ». L'analyse de telles « perturbations »releve de l'ecologie. de la microbiologie (ou encore dela toxicologie pour les effets sur le vivant). L'acces acette « vision » des mecanismes, aussi complete quepossible. est necessairement interdisciplinaire.

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precipitations p ievapotranspiration !Ev

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Alimentation

des nappes phreatiques

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I~~o~e d'~va-po~r~':1spir~ti°-!:1 QQiRu!0~' ~' - ~ ~ Q Q!i 0 o "A4!c90 /\ ~ ..percola-!1ii zoneaeree.o~o !I 0 percolat~onu ~- () I

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La pluiequi penetre dans le sol s'y infiltre. Une partiede '.eau est retenue dans une couche superficiellecolonisee par les racines : la reserve utile a lavegetation. L'eau en est surtout extraite par latranspiration des vegetaux, I'evaporation du soln'assechant qu'une faible epaisseur. L'evapo-transpiration est a la fois la transpiration desvegetaux et I'evaporation du sol. Cette reserve utileest limitee : elle depend de la nature du sol et de laprofondeur atteinte par les racines (voir le dossier

ecoulement

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evapotranspiration

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precipitations

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i~,j

Alimentation de la nappe phreatique

en hiver et en ete.

Decor des panneaux avant de la manipulation

« Comment sont alimentees les nappes phreatiques ? »

s'exprime ell decelll1ies, voire ell siecles Le comportemellt de

la I!appe plireatique est etroitemellt lie a celui du reseau de

surface ( Rliill, rivieres, cal!aux. ..) qui joue Ul! r[j/e re!1ulateur

du I1iveau piezometrique.

r-Pollution et alimentation des nappes phreatiques

du sol represente le seuil de saturation du sol au-deladuquel tout excedent de pluie est disponible pourI'ecoulement et la percolation (pluie efficace).La pluie efficace est la part de la pluie disponible aI'infiltration ; elle comprend la recharge et le percolat.La recharge est la fraction de la pluie efficace qui faitremonter la ligne piezometrique de la nappe et,quand le niveau de la nappe reste constant, elle sestabilise. Le percolat est I'excedent de pluie parrapport a Rfu non encore parvenu a la nappe. Lapercolation commence lorsque I'eau disponiblemoins I'evapotranspiration excede Rfu.En climat tempere et, plus encore, en climat medi-terraneen, la quantite d'eau emmagasinee dans lareserve utile des plantes est faible (elle suffitrarement aux besoins d'evaporation des plantesI'ete). Les arbres, plus profondement enracines queles autres types de vegetation, disposent d'unereserve plus importante et evaporent davantage : levolant constitue par cette reserve reduit I'ecoulement,

Ainsi, dans les regions 01) le sol est assez epais pourque les racines des arbres s'enfoncent profondement,la for~t reduit l'ecoulement annuellorsque les pluiesd'hiver alimentent suffisamment la reserve utile etque celle-ci est sollicitee pendant I'ete.La secheresse des sols (pedologique) qui aboutit a undeficit en alimentation en eau des plantes (cultiveesou non) depend des pluies d'ete. La secheresse descours d'eau et des nappes phreatiques (hydrologique)depend des pluies d'hiver. Ces deux types desecheresse sont independantes, sauf irrigation quipuise dans la nappe pour alimenter les sols. En hiver,si les pluies sont superieures a I'evaporation lesreserves se reconstituent :Rh = p -Ru -Ev -D, avec Rh = reserve hydrologique.Ru = reserve utile. Ev = evapotranspiration. D = ecou-

lement de la reserve constituee pendant I'hiver.En ete. si les pluies sont inferieures a I'evaporation,les reserves s'epuisent :Ev = Ru + P.

L 'exposition scientifique interactive

"","8~, i~~",,~"§"« '~"""",.Les deux manipulations de ce dossier C! Comment

sont alimentees les nappes phreatiques ~ et

C! Comment un polluant se deplace dans l'eau

souterraine ~ sont essentiellement des dispositifs de

visualisation.

~"'~~\:~"'~~~~1-~~~~~~1

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~

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Vue generale.

","9f~t1l&re,"

Comment un polluant

se cleplace

clans une nappe

phreatique ?

Au Laboratoire d'hydrodynamique des milieux poreux

de I'Institut de mecanique des fluides de Strasbourg,

un de ces outils est le modele physique de milieu

poreux qui est utilise dans la manip de ce dossier. II

permet de visualiser la circulation d'eau et de

polluants dissous a travers les vides existants entre

les grains empiles d'un milieu permeable de type

sables et graviers. Le chercheur approche ainsi la

realite physique des mecanismes a etudier tout en les

« transposant 1> a I'echelle du laboratoire. L'objectif

est de comprendre le mouvement de liquides

visualise par un traceur en examinant ce qui se passe

dans une tranche verticale de milieu poreux, dans

t'axe de I'ecoulement. Ces modeles, simples d'abord

(matrices homogenes et fsotropes) conservent la

structure naturelle de I'interconnexion des pores et,

cela est essentie!, plus elabores, ils representeront

des configurations generales ou locales relatives a

I'anisotropie des permeabilites dont I'influence sur

I'anisotropie de propagation et de dispersion sera

visible directement et mesurable.

La tranche de milieu poreux d'epaisseur

20 mm est contenu dans un paralle!epipede dont les

parois sont en altuglas d'epaisseur 20 mm, pour

resister a la press ion interne.

Le remplissage de sable et de gravier se fait en couches

(fig. 9 et ]0). Dans la partie basse, on realise une

couche en sable fin. Au-dessus on depose une couche

constituee de sable plus gros. En son sein on a place

une heterogeneite sous la forme d.une olive en sable

fin. Enfin la derniere couche est realisee avec un

melange de sable et de gravier. Dans cette derniere

couche, on a creuse deux gravieres. Du grillage de tamis

maintient en forme le melange sable plus gravier. Sans

ce dispositif le materiau serait entralne par le courant

d'eau, et en s.ecroulant, il remplirait la graviere. Notons

qu.a I'entree et a la sortie de I'eau dans la tranche on

utilise, pour les memes raisons, un filtre en tissu

soutenu par une plaque percee de trous (fig. ]4). Cuve cantenant la tranche de milieu pareux.


Figure 10

~

r

r-

r"

r-

~

Panneaux avant.

F~¥~" "..""' 11" ); t~" M * "', i;;i$Jl'f;r~ 12

r-'

~

Detail de reclairagepar ultraviolet.

Deplacements des filets de fiuoresceine,influence des heterogeneites.


Pour I'alimentation en eau du reseau. on diminue lapression par un detendeur et on limite le debit par unrobinet a pointeau. La hauteur d'eau a I.entree(fig. 13) est reglee par la variation de hauteur d'undeversoir defini en figure 14. De meme pour lahauteur de l'eau de sortie. La pente de lignepiezometrique definie par la difference des hauteursentree-sortie determine la vitesse et la direction deI'ecoulement de I'eau. Pour faciliter l"itinerance dansdes lieux non equipes de point d'eau. no us avons misun reservoir qui sert de recyclage de I'eau. II faut

choisir une pente qui conserve a peu presI'horizontalite de I'ecoulement pour renforcer lemessage: « dans une nappe phreatique, J'eau sedeplace horizontalement a une vitesse qui depend dela permeabilite des differentes couches I>, sachantque par suite des heterogeneites I'ecoulement n'estpas systematiquement horizontal. II est necessaire derenouveler I'eau au moins une fois par jour, car elle severdit tres rapidement avec la fluoresceine qui simuleles agents poIluant miscibles dans I'eau. Une pompeassure I'ecoulement de I'eau.

~~.'"",..~ 14§ "~,,... ,,"'

Detail des deversoirs.

Le trop-plein central esf faille en biseau pour

respecfer la haufeur. La haufeur de ces

deversoirs esf re91able avec une fixafion par

vis papillon sur le support fixe.F;9Lo*'e 15

"..-Pollution et alimentation des nappe.\' phreatiques

,-

Les visiteurs, en appuyant sur I'un des quatreboutons du panneau de la console (fig. 101. injectentde la fiuoresceine pendant un temps tres court poureviter une trop grande quantite de ce produit.Neanmoins, cette quantite doit etre suffisante pourune bonne visualisation du phenomene. Pour cela, onutilise une pompe doseuse dont la duree defonctionnement est limitee par une temporisationreglable. La distribution du produit aux quatre pointsd'injection se fait avec quatre electrovannes (fig. 16).La fluorescence de la fiuoresceine est provoquee parun eclairage ultraviolet (Mazdafluor lumiere noire).Pour le reflecteur. les meilleurs resultats ont ete obte-nus avec une feuille de papier extrablanche (fig, II ).

de plus faible permeabilite ; en revanche. celui qui vient

du point 3 ne subit pas cette variation. Le filet du point

4 s.ecoule tres lentement a cause de la tres faible

vitesse du fluide et il est rapidement disperse.r

Ameliorations

En dehors du public « captif », les visiteurs se desin-

teressent trop rapidement de cette manip, ils ne sont

pas assez sollicites pour approfondir I'exploration de

toutes les informations que contient cette visualisation.

On peut jouer sur plusieurs parametres. La longueur de

la tranche est trop grande et la visibilite du traceur

diminue tres rapidement. Afin de montrer que le traceur

continue de circuler, il faut monter une loupe mobile

dans les deux dimensions. Ce dispositif encourage le

visiteur a balayer toute la surface de la tranche. On peut

aussi diminuer la longueur du bassin ou introduire des

dispositifs comme des puits pour rendre a nouveau

visible la fluoresceine. On peut placer un puits ou I'on

extrait de I'eau pour les usages domestiques, D'autre

part, on peut reduire le nombre de points d'injection en

supprimant le point d'injection n° 3,

r

~

r

---

ljes effets des heterogeneites

-Le filet de fluoresceine du point d'injection 1 remonte

lorsqu'il entre dans la graviere et redescend lorsqu'il en

ressort, Nous avons place une deuxieme graviere pour

montrer que la fluoresceine qui, par dispersion, n'est

plus visible continue de s'ecouler dans le milieu poreux,

-Le filet du point d'injection se trouve devie par I'olive

r

F~gl~re 16

Vue arriere.


Figure 17 Figure 18

Mi~P:iip9~

~I~~~

~

rondellede caoutchouc :Jraude M20

Detail du dispositif d'etancheite au niveau desaiguilles de seringue pour I'injection de la

fluoresceine dans le milieu poreux.

Detail de la structure porteuse,

19 20

Raccordement et localisation des compo'

(vue arriere de la manipulation)

lube eclairage exterieurMazdafloor lum;ere noire

cg TFWN20

~

disjoncteurdillerentiel

~

tube eclairage interieurMazdalloor lumiere noire

TFWN6 K9ontacteu

relais temporiseselemecanique RE4 RL 13BU

electrovannes

Bur1<erke

220V ~

inlerrupte

=""

iJ=" 1%)

1%)

4 boulons-poossoir$

lumineux avec corps

cuve contenant

sa~e el eau

~ ~O~II panpe

rc)le Panner

117013-20 [

+

I~I

~c ,~: lit A"' J~c, -deau.,... ~

Remarque : le schema du circuit de commande temporiseede la pompe a fluoresceine (boutons-poussoirs, relais temporises,connecteurs) est simplifie a I'extreme. L'alimentation n'y est pas

representee,

alOnentatioo ,

220V

T~hnique d'~7.u.-; de certaines formes en scmIe. Schema electrique.

~

P()llution et alimentation des nappes phreatiques

remplit la zone d.evaporation qui. apres avoiratteint le niveau haut. al1mente la nappe (hiverhumide). On montre I'evapotranspiration par unepompe qui remonte I.eau vers le cieJ. En hiverhumide. la recharge de la nappe est limit~e par leha ut HSI (fig. 23). Apres le remplissage de latranche en hiver vient celui de la nappe en ete.Comme I'ete est sec. les pluies suffisent seulementa compenser I.~vapotranspiration. La nappe nerec;oit pas de recharge et son niveau s.abaisse pouratteindre le niveau interm~diaire ES2. Si I.hiver estsec (niveau HS2). la nappe en ~te parviendra auniveau (ES3). La commande des ~Iectrovannes estd~crite en figure 24. Les deux cuves possedent destuyaux de communication entre la zone d.~vapo-ration et la zone satur~e pour satisfaire aux dif-ferents regimes. Neanmoins, dans le cas de larecharge, II faut que le fluide passe au travers de lazone de percolation. Notons que si I.on recom-mence immediatement la m~me alimentation, onmontre le principe d.inondation par saturation eneau des sols.

Comment

sont alimentees

es nappes phreatiques ?

Faute de temps, nous n'avons pas pu terminer cettemanip, notamment le dispositif de pluie. Nousavons montre la faisabilite du dispositif du reglagede la decharge de la nappe, dont on presente ci-dessous les details techniques. L'interactivite de lamanip reside dans la presence des quatre boutons.A chaque bouton correspond unesituation :

I. hiver humide, ete sec ;2. hiver sec, ete sec ;3. hiver et ete humides ;4. hiver sec, ete humide.

A chacune de ces situations est associe un niveaude la nappe phreatique dans chaque « bassin »hiver et ete. Les sols sont representes par desgraviers de differentes tailles selon les strates etI'ecoulement de "eau est visualise grace a unliquide silicone6 colore en bleu qui est injecte aI'aide d'une pompe et d'electrovannes commandeespar des interrupteurs, via une logique de relais.Lorsque le visiteur appuie sur le bouton I (hiverhumide, ete sec), ii declenche I'alimentation de lanappe par des gouttelettes (pluies). Cette eau

6. L'huile silic.one doit posseder une faible viscosite(diminution des frottements pendant I'ecoulementl et etrecolorable avec du bleu de methylene. par exemple. I1 fautlaver le sable pour enlever la poussiere qui. sinon,colmaterait les canalisations ou la pompe.


23 24

HS1

~rlllES2 B

-

HS2 A

ItlJ

f ES3 C

* [11.;1

":""""""'"'":"" " """"C, "c""

HS1 ES1

~

~

3 4

A,B,Csont deselectrovannesdefinissantrespectivemenJes niveaux HS2, ES2, ES3. Les ni\ieaux HS1et ES1

~nt determines par des trop-pleinsc

Vue arriere. Emplacements des electrovannespour regler le niveau de la nappe.

25

Schema electrique,

Pollution et alimentation des nappes phreatiques

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