Une ressource à préserver...

ENSAIACécile Gutierrez

INTRODUCTIONDisponibilités en eau au niveau de la planète:

Océans96.5%

Eau sous d'autres formes 0.97%

Eau douce

2.53%

Eau totale1.4 milliards m3

Eaux souterraines

30.1%

68.7%

Sols gelés 0.9%

Cours d'eau, lacs marais 0.3%

Glace, neige permanente

Source : www-aviso.cls.fr

7 km3/an

440km3/an

270km3/an

1000 km3/an

100 km3/an

70 km3/an

PLANI- Propriétés des terrains et des nappes

II - Fonctionnement dynamique d'une nappe

III - Exploitation d'une nappe : sources, captages et prix de l'eau

IV – Contaminations des eaux souterraines

V- Gestion de l'eau

I- Propriétés des terrainset des nappes

A- L'eau dans la terreB- Principaux terrains aquifères C- Principaux types de nappes

A- L'eau dans la terre

A- 1) Types d'eau dans les roches:

● Eau retenue - hygroscopique- pelliculaire- capillaire

● Eau libre = eau gravitaire

A- 2) Quelques définitions...

B- Principaux terrains aquifères

Source: Les eaux souterraines connaissance et gestion

B- 1) La porosité des roches

Porosité: ensemble des volumes de petite taille pouvant être occupés par des fluides à l'intérieur d'une roche.

•Totale : toute l'eau contenue dans la roche(saturé) vol de vides /vol de roche•Efficace : teneur en eau mobilisable

vol d'eau gravitaire/vol de roche

�Primaire : liée à l'origine des sédiments�Secondaire :acquise par fracturation et altération chimique des roches

B- 2) La perméabilité des roches

Perméabilité : aptitude d'un milieu à se laisser traverser par un fluide

• En petit : terrains ne présentant comme vides, que des pores de petite taille (sables, grès..)• En grand : terrains fissurés ou diaclasés (karst..)

=> traduit la rapidité de l'écoulement de l'eau au travers de la roche.(mm/s ou m/j)

Perméabilité et porosité moyenne de quelques roches

ROCHESGraviers 300 40 45

Sables moyens 20 30 40Craie 20 4 20

Grès fracturé 5 8 15Argile 0,0002 3 47

Schiste 0,0001 - 3Granite 0,0001 - 1

Calcaire karstifié Très hétérogène 4 5Zone de fracture 50 - 10

Perméabilité m/j Porosité efficace% Porosité totale %

Source: Campy & Macaire 1989

V>1 m/j => aquifère exploitableV<0,01 m/j => considéré comme imperméable

Karst: approche systèmes fluviatile de S (qques km/j)

C- Principaux types de nappe

5 principaux aquifères de France métropolitaine

Superficie(km 3) Prélèvement(M.m3/an)Sables verts du bassin parisien 75000 16Sables inférieurs d'Aquitaine 50000 85

Sables de Touraine 25000 20Grès de Lorraine 20000 50

Calcaire de Champigny 3500 35

Source: L'eau souterraine en France

C- 1) Nappes captivesNature: sables, grès, calcaires, karsts anciensRéserve: 100aines de milliards de m3 d'eau douceCaractérisques:

épaisseur moy: 100aine de maquifères multicouches – drainancequalité: peu de pollution mais svt minéralisation excessivealimentation par « zone de charge »

Exploitation: intérêt économique jusqu'à 300m

Source: Les eaux cachées

Les nappes captives en France

Source: BRGM

C- 2) Nappes karstiques

• CaCO3 et Dolomies Ca(CO3)2(Mg dominant)Fortement soluble dans une eau chargée en CO2

CO2 + H2O → CO3H2CO3H2 + CO3Ca ↔ (CO3H)2Ca → CO3H- + Ca2+ solubles

Faut un contact agent d'érosion/rocheOrigine du CO2?Formation des grands karst : pluie et végétation abondante

Ex : Vaucluse : 5 cm d'épaisseur dissout en 1000 ans

Source: www.ens-lyon .fr B.Marsaud

Caractéristiques :vidange des massifs après de grosses pluies

=> irrégularité des débits; sources temporairesqualité des eaux

- abscence de filtration →pollution bactérienne- qlté chim svt bonne

Villes alimentées: Cahors, Montpellier, Nîmes, Besançon..

www.ot-foix.fr/ Sites_touristiques.htm

www.tourinfos.com

La rivière souterraine de Labouiche

C- 3) Nappes des roches dures fracturées

Fonctionnement : équivalent au karstschiste + productif que granite

Caractéristiques : - production modeste → ressource d'appoint

fractures ouvertes les + productives: 0-10m de la S + couloirs de fractures- qualité: chim → bonne (pb Fe)

pH acide; bactériologie- sensible aux pollutions

Villes alimentées : en Corse et Massif Armoricain

C- 4) Nappes libres des formations sédimentaires

Roches poreuses (sable, craie, calcaire) déposées en vastes couches

Sources: C.Megnien/I.A.U.R.I.F

Nappe de Craie

Dépot sédimentaire marin (porosité 45% ms pores fins)hétérogène; Turonien et Sénonien

Ressource potentielle : 12 milliards m3/an

Caractéristiques : puissance 700m ss la Brie; 100m en bordure du bassinpeu perméable: 10-8m/s (perm II : 10-2m/s)excellente résistence à la sécheresse (soutient étiage de la Seine)filtration de l'eau → qualité

→ retardateur de pollution chimique

Exploitation :injection d'acide (productivité *2)

C- 5) Nappes alluviales

Alluvion : dépot fluviatile ou fluvio-glaciaire de sables grossiers, graviers, galets et blocs. Fct du substratum.

Caractéristiques :classement longitudinalfaune spécifique à l'interface rivière/nappe => épurationv = 1 à qques m/j car faible gradient (<1m/km)perméabilité fct de la granulométrie

Exploitation : captage pt être très important; ! Ds le lit majeurinfluence sur débit de la rivière

Villes alimentées : Lyon, Grenoble, Strasbourg, Nice..

Les principalesnappes alluviales en France

Source: Les eaux souterraines en France

C- 6) Nappes littoralesExploitation : prélever la lentille d'eau douce « biseau salé »

débit souvent modesteintrusion d'eau salée

Lutte: surcharge hydraulique (Vendée: injection d'eau usée traitée)

Densité :eau douce = 1eau de mer = 1,027 => eau douce « flotte »

niveau de base = zéro maritimeex: île à terrain perméable h = t/(d-1) = 37tCaptage→2 cônes de dépression h' = 37t'

II- Fonctionnement dynamiqued'une nappe

A- Recharge ou alimentationB- Régime des écoulements souterrainsC- Dynamique été/hivers

A- Recharge ou alimentation

Les pluies efficaces

Ressource primaire disponiplePE = Précipitations – ETR

180 <= 480 300 milliard de m3

→ 80 M = écoulement de surface→100 M = infiltration : RFU + nappes

Facteurs: volume et durée, saison, pente, nature du terrain, végétation et pratiques culturales

S de remplissage varient en fonction du type de nappe

Moyenne des pluies efficaces de 1946 à 2002

Source: Les eaux cachées

B- Régimes des écoulements souterrainsB- 1) Débits

Vol d'eau qui traverse une section transversale d'aquifère par u. de temps ss l'effet d'un gradient hydraulique déterminé

Loi de Darcy Q = (Ks*S*∆h)/LQ: débit m3/sKs : conductibilité hydraulique à saturation

caractérise la facilité de l'eau à traverser un milieu ss l'effet d'un gradient hydraulique

Ks m/s Productivité des puits l/sArgile 0

Sables fins 1Sables grossiers 100

Graviers, cailloutis 1000

10-9

10-4

10-3

10-1

B- 2) Caractéristiques des aquifères

Gradient de charge hydraulique : ii = ∆h/L → pente de la nappe %°

Transmissivité T T = Ks*H m2/sdébut d'eau qui s'écoule d'un aquifère par u. De largeur ss l'effet d'1 u. de gradient hydraulique

Coefficient d'emmagasinement S S = vol d'eau mobilisable/∆h

→ fonction capacitive du réservoir

Diffusivité = T/S m2/sV de réaction d'un aquifère lors d'une perturbation

Vitesse réelle d'écoulement

V = Ks * i/m

ens des vides dispo pr écoulement = porosité cinématique (importance des connections entre les pores)

V d'autant + grande que la section de pore est faible

Ex: porosité cinématique 10% => 300 m/an=> 1000 m/an (peu de connections)

B- 3) Dipersions lors des écoulements

Direction principale : ┴ la penteMs.. pente faible et phénomène de dispersion

Dispersion longitudinale transversale

→ phénomène important dans les pollutions

B- 4) Echanges entre les nappes

Vertical et horizontalNotion de système aquifère

C- Dynamique hivers /été

Alimentation hivernale des nappes.

Source: Les eaux souterraines en France

La sécheressedéficience conjoncturelle des apports d'eau par la pluie

# aridité

caractère polymorphe

Nappe = moy de lutte contre la sécheresse (° de résistance très variable)

Sécheresse d'une nappe; signes avant-coureurs

Sécheresse sol + nappe

Solutions

III- Exploitation d'une nappeA- Les sources B- Ouvrages d'exploitationC- Le prix de l'eau

A- Les sourcesSorties des aquifères: sources, surfaces d'eau libre, dépressions fermées, mer

• source de déversement• source de dépression• source débordement

• source artésienne ou jaillissante• exsurgence• résurgence

Fontaine du Vaucluse

Est d'avignonNappe des réseaux ; calcaire du Crétacé inférieurBassin versant = 1100 km2

Trajet : 22 à 46 km en ligne droiteLa source de Sorgue

à la sortie d'un siphondébits annuels 80 m3/s en crue

20 m3/s en régime moyen4 m3/s en étiage

=> exploitation impossible; ou on peut prélever directement dans des portions de karst noyées

Castle geyser

Old Faithful Geyser

www.yellowstone.net

B- Ouvrages d'exploitationB- 1) Captages de sources

• Fréquents en zone de montagne et de collines• Utilisent l'écoulement gravitaire

+ pas de coût de pompage

-- .vulnérabilité à la pollution.possibilité de tarissement car elles sont en position

haute par rapport à la nappe

B- 2) Les puits

• Technique de construction• Diamètre moyen : 3 à 4 m

+ . très pratique dans les alluvions. longévité, rusticité. possibilité d'utiliser plusieurs pompes

-- . inutilisable pour les nappes profondes(cher, frottements)

. peu performant en terme de débit (barbacanes restreintes, pas de dessablage hydrolique)

Les puits à drains rayonnants

cuvetage vertical étanchedrains horizontaux et sub-horizontaux

+ . une parcelle suffit. évite un rabattement excessif. débit 3 à 4 * sup à celui d'un puit classique

Captage de source au pied d'un talus rocheux Puit à drains rayonnants

Pluie classique en nappe alluviale Forage courant

Source: Les eaux souterraines en France

B- 3) Les forages• Modernes, les plus répandus• Techniques :

. perforation des roches

. évacuation des déblais

. mise en place d'une crépine

. aménagements à l'extérieur du tubage => évacuer la fraction fine = “développement”

Source : www.tema-equipements.fr

Tubes de crépines

B- 4) Cône de dépression

Il existe un régime transitoire pendant lequel le cône se creuse et s'agrandit... de - en - vite jusqu'à ce qu'il se stabilise

Plusieurs captages => vaste zone déprimée

C- Le prix de l'eauC- 1) Composantes du prix de l'eau

45% distribution de l'eau potablecaptage, transport, potabilisation, distribution

34% collecte et traitements des eaux usées15% redevances de l'Agence de l'eau

« préservation de la ressource »« lutte contre la pollution »

6% taxes (TVA, FNDAE, VNF, fonds départementaux)

FNDAE: Fond National pr le Développement des Adductions d'eauVNF: Voies Navigables de France

Distribution:un service public réalisé en grande partie par des sociétés privées → marge bénéficiaire du distributeur

La gestion directe ou "régie"La gestion déléguée

Finance Exploite Propriétaire ProduitRégie Collectivité Collectivité Collectivité Collectivité

Concession Société Société Collectivité SociétéAffermage Collectivité Société Collectivité Société+collectivitéGérance Collectivité Société Collectivité

Régie intéressée Collectivité Société Collectivité Intéressement au résultatCollectivité

C- 2) Evolution du prix de l'eau

1993 → 1,68 euros/m3 TTC2003 → 2,80 euros/m3 TTC

Facteurs d'augmentations:. charges d'assainissement, pr la mise en conformité

avec la directive « Eaux résiduelles urbaines ». redevances des agences de l'eau. recours aux entreprises privées (prix >28% / régies)

IV- Contaminations des ES

A- Qualité des ESB- Pollutions des nappesC- Comment protéger l'eau

A- Qualité des eaux souterraines

A- 1) Eléments présents• Fondamentaux: . CO2 et CO3H2 = CO2 libre . Ca2+

. HCO3 ions bicarbonates . ions H+ et OH-

• Caractéristiques: . cations Mg2+ Na+ K +

. anions No3- Cl2- SO42-

L'eau de pluie n'est pas parafaitement pure...� NaCl sur la côte 10 à 20 mg/l

à 50 km de la côte 4 à 5 mg/là 150 km de la côte 2,5 mg/l

� Influencée par la pollution}En Aquitaine

Eau dans les réservoirs

elle porte la «signature » des terrains qu'elle a traversés......jusqu'à être en équilibre chimique avec le terrain du réservoir

� RS : résidu sec m des éléments chimiques après évaporation mg ou g/l� dH : degré hydrométrique ≡ quantité de CaCO3 dans l'eau

1 ° français = 10 mg/l de CaCO3 � pH

Deux grands types d'eau :

� Dans les terrains siliceux ► eaux douces� Dans les terrains calcaires ► eaux dures

beaucoup de CaCO3 , dépots quand on chauffepeuvent être adoucies par ajout de Na

A- 2) Qualité des eaux de distribution

Directive « Eau potable » 80/778/CEE→décret 2001-1220 du 20 décembre 2001

=> critères de l'eau potable définis par le Ministère de la Santé après avis du Conseil Supérieur d'Hygiène Publique. (DMA)

Surveillance par la Ddass→576 paramètres peuvent être contrôlés

3 causes majeures de pollution :bactériologique < divers < pesticide

A- 3) Eaux minérales et eaux de sources

Eaux minérales: ES naturellement pure dt la composition physico-chimique

est constante, dt les quantités thérapeutiques ont été reconnues par l'Académie nationale de Médecine et dont l'autorisation de consommation par le public a été reconnue par le Ministère de la Santé.

Eaux de sources: ES naturellement potables et d'origine déterminé ,

"microbiologiquement saine et protégée contre les risques de pollution".

B- Pollutions des nappesB- 1) Sources de pollutions

Pollution : dégradation d'un milieu naturel par introduction d'un polluant. en l'absence de conséquences négatives pour le milieu, on ne peut pas parler de pollution.

La pollution domestique La pollution urbaineLa pollution industrielleLa pollution d'origine agricoleLes contaminants naturels

B- 2) Quatre catégories de substances polluantes

Source: Les eaux souterraines, connaissance et gestion

B- 3) Pollutions diffuses et ponctuelles

Pollution diffuse

Activités agricoles. élevages. grandes cultures

Décharges d'ordures ménagères et déchets industriels

Pollutions ponctuelles

Détection par l'aval

Détection par l'amont

C- Comment protéger l'eau?Périmètres de protection

Loi sur l'eau du 3 janvier 1992

Périmètre de protection immédiate→ zone d'appel du captage 20*20m

Périmètre de protection rapprochée→ épuration micribiologique L = V * tps d'autoépuration

Périmètre de protection éloignée→ l'alimentation du captage(en théorie) 2 * zone 2

« servitude du bassin versant »

V- Gestion de l'eau

A- Ressources et utilisationsB- Point règlementaireC- Risques et comment les éviter

A- Ressources et utilisations

A- 1) Ressources françaises

= 6300 petits aquifères sur le territoire200 aquifères régionaux exploitables (2/3 du territoire)

→ 25 nappes captives→ 175 nappes libres

200 aquifères => 2000 Md m3 dt 100 Md s'écoulent annuellement vers les sources

A- 2) Utilisations par usage

En eau potable 62% eaux souterraines

Totale = 31 Md m3 en 200079% eaux de surface 21% captives21% eaux souteraines dt 46% alluviales

33% libres non alluviales

10% agriculture 12% industrie19% eau potable 59% refroid

centralesConsommation nette/an = 3,7 Md m3 en 2000

68% agriculture 5% industrie24% eau potable 3% énergie

B- Point règlementaireB- 1) La loi du 16 décembre 1964

première grande loi française sur l'eau

organise la gestion de l'eau autour des six grands bassinshydrographiques français (découpage naturel selon les lignesde partage des eaux)

promeut, à l'intérieur de chaque bassin, la notion de "gestion globale de l'eau" dans l'intérêt de tous.

instaure le principe du "pollueur-payeur", visant àpréserver la qualité de l'eau.

la gestion de l'eau est attribuée à une Agence de l'eau au seinde chaque bassin

Loire-Bretagne

Adour-Garonne

RhôneMéditerranée

et Corse

Seine-Normandie

Artois-Picardie

Rhin-Meuse

Source: Agence de l'eau

7 bassins → 6 agences de l'eau

B- 2) La loi du 3 janvier 1992

• l'eau devient "patrimoine commun de la nation"Sa protection, sa mise en valeur et le développement de sa ressource utilisable sont donc d'intérêt général.

• "respect du milieu naturel".principe de protection des écosystèmes aquatiques, qualité et quantitédes ressources

• périmètre de protection (3 zones)autour de chaque captage d'eau potable d'ici 97

• SDAGE (Schéma Directeur d'Aménagement et de Gestion des Eaux)

SAGE (Schéma d'Aménagement et de Gestion des Eaux)

SDAGE

→ fixe pour chaque grand bassin hydrographique des orientations fondamentales pour une gestion équilibrée de la ressource en eau

• Poursuivre la collaboration solidaire des pays • Protéger les eaux souterraines, réduire la pollution diffuse• Réduire les substances toxiques• Restaurer la qualité des eaux de surface • Assurer une alimentation en eau potable • Améliorer la fiabilité et les performances des ouvrages• Limiter les inondations par la prévention • Protéger les aquifères alluviaux • Renforcer la protection des zones humides et milieux remarquables• Intégrer la gestion de l’eau dans les aménagements et développement

économique

SAGE une déclinaison locale de ces enjeux et définit les actions nécessaires

SAGEs en 2003

Source: IFEN

Projet de loi

Pourquoi? Cours des comptes→pb de redevances85% particuliers15% industriels1 % agriculteurs => 70% de l'eau en France

=> réforme de politique de l'eau. but: mieux prendre en compte les pollutions d'origine agricole

=> création d'une redevance spécifique sur les excédents d'azote dont le tx est discuté par les agriculteurs

C- Risques et comment les éviter

C- 1) Effets de l'homme

Abaissement du niveau piézométriquePollution des nappesAssèchement de terrains superficielsDiminution du débit des sourcesTassement et subsidenceEffondrements brutauxIntrusion d'eau salée en zone littoraleAppels d'eaux polluées

C- 2) Quelques cas particuliers

Les zones d'éclusesniveaux piézométrique remonte en amont et baisse en aval

Extraction de granulat1 français consomme 6t de granulats/an

alluvions (interdit)approv faible; érosion régressive; dragage à sec; segmentation des nappes; controverse

granulats concassés de roches massivespollution accidentelle; acide sulfurique

Colmatage des berges; désherbage; irrigation

C- 3) Interventions

Restaurer un niveau de nappe satisfaisantFavoriser l'infiltrationRecharge artificielleObturer les exutoires naturels

Actions qualitativesInjection d'eau enrichie en O2Injection de bactéries « mangeuses de pétrole »

Etudes préliminaires avant de construireFondation et stabilitéNiveaux enterrés

Cerner l'adéquation nature des besoins/qualité des eauxIrrigation = cuissonAlimentation = industrie agro-alimentaireSanitairesAquacultureRefroidissement des installations industrielles

La rechage activedes nappes

Source: Les eaux souterraines connaissance et gestion

CONCLUSION

Les enjeuxCertaines demandes en ES spécifiques car→ très large répartition spaciale: alim en eau « quasi sur place »→ bonne qualité bactériologique : AEP→+/- grde régulation annuelle, voire interannuelle => réserve régulatrice “de secours”

Alimentation des cours d'eau et rivières; préservation des zones humides

Besoins annuels moyens par habitants :

>1000 m3/an Satisfaisant< 500 m3/an Préoccupant pour la santé

→ consommation moyenne 700 m3/an...consommation des pays industrialisés > 1600 m3/an !

Quelques solutions au niveau mondial

Recherche et exploitation de nx gisementsValorisation d'aquifères très profondsDessalement de l'eau de merTransport d'icebergAméliorer l'exploitationGestion active des eaux

Atlas des eaux souterraines de la FranceLes eaux cachéesL ’eau souterraine en FranceHydrologie Principes et MéthodesLes eaux souterraines connaissance et gestion

http://www.environnement.gouv.frhttp://www.rnde.tm.frhttp://www.eaufrance.tm.frhttp://ades.rnde.tm.frhttp://www.oieau.frhttp://www.brgm.frhttp://www.worldwatercouncil.org

Merci de votre attention...

....Des questions? (!!!)