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Eau qui suinte dun massif de grès et qui alimente une mare.

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1 Eau qui suinte dun massif de grès et qui alimente une mare

2 La loi de Darcy Nous savons que leau souterraine sécoule dun point à un autre quand il y a une différence de charge hydraulique h entre ces points. Nous voulons maintenant examiner à quelle vitesse elle le fait. Nous allons considérer le cas le plus simple : un écoulement deau régulier et lent à travers un réseau de pores ou de fissures ; réseau qui est, si on fait une moyenne sur un petit volume, pareil en chaque point et dans chaque direction. On peut dans ce cas utiliser une loi formulée pour le sable par lingénieur français Henry Darcy en Image de Wikipedia

3 réservoirs de niveau constant Matériau plaque poreuse débit Q mesuré charge constante h 2 h1h1 aire A L h2h2 pesée charge constante h 1 La loi prédit le volume deau par seconde, le débit Q, qui traverse une colonne du matériau (longueur L, aire A) si on maintient une différence de charge hydraulique h 2 – h 1 entre les deux extrémités.

4 La perméabilité K mesure la perméabilité du milieu granulaire, cest-à-dire la facilité avec laquelle leau y circule. On lappelle conductivité hydraulique. Si on mesure le débit Q en m 3 /s, la charge h en m, la longueur L en m et laire A en m 2, alors K se mesure en m/s. Mais K nest pas une vitesse parce que h nest pas une hauteur habituelle. Voici quelques valeurs typiques de la perméabilité (m/s) dans des roches meubles :

5 Le rapport (h 2 – h 1 )/L est le gradient hydraulique. Il mesure le taux de diminution de la charge hydraulique dans le sens de lécoulement de leau. Cest une quantité qui ressemble beaucoup à la pente dun tuyau, qui spécifie de quelle hauteur le tuyau descend à chaque mètre de longueur. Dans un terrain, la charge peut chuter de 1 m sur une distance de 2 km pour un gradient moyen de 1 m / 2000 m = 0,0005. Dans un barrage de terre, la charge peut chuter de 15 m sur une distance de 25 m pour un gradient moyen de 15 m / 25 m = 0,6. Le gradient hydraulique 2 km 1 m 15 m 25 m réservoir drain barrage terrain

6 Question On mesure le gradient hydraulique avec des piézomètres. Si lécoulement dans la nappe est essentiellement horizontal, ce qui est souvent le cas, pourquoi la profondeur où on enfonce les piézomètres dans la nappe na-t-elle pas dimportance ? nappe écoulement Ces piézomètres donnent correctement le gradient entre les deux points rouges. Réponse : Sil ny a pas de composante verticale à lécoulement, cela signifie que la charge ne varie pas le long dune verticale. La profondeur où se trouve le bout du tube na donc pas dimportance.

7 La vitesse moyenne Reprenons la colonne de matériau utilisée pour présenter la loi de Darcy et regardons à quelle vitesse moyenne v leau sy déplace pour expliquer le débit Q observé. Le volume du matériau est AL et le volume deau mobile (gravitaire) quil contient à un instant donné est n e (AL) où n e est la porosité efficace. Le temps nécessaire pour que cette eau sorte de la colonne est L/v. Cela donne un débit Q = volume deau/temps = (n e AL) / (L/v) = n e Av. On a donc : aire A L v Après un temps L/v Roche et eau de rétention Volume n e AL deau mobile

8 Un exemple Nous allons appliquer les idées précédentes à un aquifère de la MRC de Portneuf décrit dans le document : Cartographie hydrogéologique régionale du Piémont laurentien dans la MRC de Portneuf, qgc.ca/recherche/hydro/index.htmlhttp://www.cgq- qgc.ca/recherche/hydro/index.html La carte ci-dessus montre lépaisseur des sédiments de surface qui forment laquifère. Lintervalle séparant les courbes dépaisseur constante est de 5 m. Il sagit de sable et de gravier deltaïques mis en place à lembouchure des rivières à lépoque où elles se déversaient dans la mer de Champlain.

9 La nappe qui occupe les sédiments est phréatique, c.-à-d. libre et superficielle. La surface de la nappe est donc aussi sa surface piézométrique. On a utilisé des courbes isopièzes pour la dessiner sur la carte suivante : la charge hydraulique a partout la même valeur sur une courbe isopièze. Il y a une différence de charge de 5 m entre deux courbes voisines. Entre ces deux isopièzes, la charge change de 5 m sur une distance de 200 m. Gradient = 5/200 = 0,025 Surface libre à 3,1 m de profondeur et à 134,3 m au-dessus du Saint-Laurent

10 Les conditions découlement varient beaucoup dun endroit à lautre de laquifère. À titre dexemple, prenons une couche de sable qui fait, perpendiculairement à lécoulement de leau, 10 m de hauteur par 100 m de largeur, soit A = 10 3 m 2. Nous supposerons que la couche est saturée deau et que le gradient hydraulique vaut 0,03. Cela signifie que pour chaque mètre parcouru dans le sens de lécoulement la charge hydraulique chute de 0,03 m (3 cm). 10 m 100 m écoulement

11 Nous supposerons un sable bien trié ayant une bonne perméabilité K = 2 x m/s et une porosité efficace de 0,2 (20 %). La loi de Darcy donne : Sur une journée, soit 24 x 3600 s = 8,64 x 10 4 s, cela donne (0,06 m 3 /s)(8,64 x 10 4 s) 5200 m 3. La vitesse moyenne de leau dans le sable est : Sur une journée, cela donne (0,000 3 m/s)(8,64 x 10 4 s) m de déplacement. Q gradient de 0,03 A=1000 m 2

12 Question Leau se déplace dans un aquifère de grès à une vitesse moyenne de 4 m/a sous un gradient de 0,005 (perte de charge de 5 mm par m). Quelle est la conductivité du grès si sa porosité efficace est de 5 % ? Réponse : La loi de Darcy donne : où on ignore ce que vaut Q/A. Mais, léquation de la vitesse permet décrire : et 1 an = 365,25 x 24 x 3600 s = 3,16 x 10 7 s Cest une faible perméabilité comparable à celle donnée plus tôt pour un sable riche en silt.

13 Conditions hydrogéologiques au Québec On distingue les aquifères dans le substratum rocheux et ceux dans les dépôts meubles. Les seconds sont affaire de porosité primaire des sédiments, mais les premiers résultent surtout de la porosité secondaire, cest-à-dire des réseaux de fractures qui apparaissent durant la vie dun massif rocheux. On divise les massifs rocheux du Québec en unités hydrostratigraphiques en fonction du débit deau des puits, du type de roche, des structures internes et de la fracturation. Cette division se base sur les travaux de Simard et Des Rosiers. Les diapositives suivantes montrent quelques éléments de cette classification. On notera la division habituelle du Québec en Bouclier canadien, plate-forme du Saint-Laurent et Appalaches. On notera aussi les nombreuses notions étudiées dans le cours quon trouve dans cette classification.

14 Tableaux et figures tirés de : Outils de détermination daires dalimentation et de protection de captages deau souterraine, édité par Rasmussen, Rouleau et Chevalier, seconde édition, mars Aquifères dans les massifs rocheux

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17 Question Ce massif rocheux est un très bon aquifère. Il sagit de lave basaltique dans laquelle un réseau de conduits sest formé au moment de sa mise en place (certains de ces conduits servaient à la circulation de la lave fluide). À quel type de porosité le massif doit-il son caractère de bon aquifère ? Réponse : Cest un cas de porosité primaire puisquelle date de la mise en place de la roche. De ce point de vue, les laves sont une sorte dexception dans les massifs rocheux qui ont surtout des porosités acquises après leur mise en place.

18 Aquifères dans les dépôts meubles Ce sont les aquifères les plus utilisés au Québec. Ces dépôts proviennent de la glaciation du Wisconsinien et des processus actifs depuis la déglaciation du territoire. Les dépôts reliés à la glaciation sont les moraines, les kames, les eskers, les plaines dépandage, les deltas, les dépôts dans les lacs glaciaires, etc. Les dépôts reliés aux processus actifs présentement sont les plaines alluviales, les cônes dalluvions, les dunes, les talus déboulement, etc. La valeur de chaque type de dépôt comme aquifère tient essentiellement à ses dimensions et à sa granulométrie. Les réservoirs intéressants sont dans les sables, les graviers et les blocs (du till lessivé de sa matrice par leau). Le till et les dépôts de particules fines ont peu dintérêt.

19 Voici quelques exemples des descriptions quon trouve dans le document cité plus tôt. [Une zone « aquiclude » est une zone de faible perméabilité qui interdit tout écoulement significatif et une zone « aquitard » est une zone semi-perméable qui retarde lécoulement de leau.]

20 Les vallées enfouies Les dépôts de la dernière glaciation ont comblé certaines vallées préexistantes. On trouve à ces endroits des piles épaisses de couches de sédiments. Les couches de sable ou de gravier font de bons aquifères granulaires captifs. Route de lArizona qui découpe une vallée enfouie par des coulées de lave basaltique (et non des sédiments glaciogéniques).

21 Une partie de lancienne vallée du fleuve Yukon est aujourdhui comblée par des sédiments glaciogéniques. Le fleuve entaille le bout de la section enfouie et permet dobserver le fond de la vallée et les sédiments (photo). La ville de Whitehorse exploite laquifère de cette vallée enfouie.

22 Le captage Pour utiliser leau souterraine, on peut capter une source préexistante ou creuser un puits. Une source est un point de sortie naturel dune nappe souterraine. Cest un endroit où la surface piézométrique (en tirets) atteint la surface du sol. Voici des exemples : aquifère 1 nappe libre source aquifère aquifère 2 incapable de transmettre tout le débit arrivant du 1 source nappe libre nappe captive devenant libre source terrain imperméable aquiclude

23 Exemples de sources Rocheuses en Alberta Source chaude, Islande

24 Source karstique (Fonte Benémola, Portugal)

25 Question Quel est le type de source montré sur la photographie ? Réponse : La structure du terrain nous permet de croire quil sagit dun point de sortie dune nappe libre. Lérosion par la rivière a coupé la formation imperméable qui forme la base de la nappe. nappe libre source aquifère aquiclude

26 Périmètre de protection Des contaminants (produits chimiques, virus ou bactéries) provenant de lagriculture, des déchets domestiques, des procédés industriels, etc. peuvent atteindre un ouvrage de captage de leau souterraine. De tels polluants ont forcé labandon au Québec de certains ouvrages de captage municipaux. Pour protéger la qualité de leau, on établit un périmètre de protection autour de louvrage de captage. On interdira ou on surveillera certaines activités à lintérieur de ce périmètre. La détermination dun périmètre est complexe. Nous allons nous contenter dun exemple simple, celui dun puits creusé dans un aquifère phréatique, granulaire, en forme de coin et sétendant très loin du puits.

27 Gradient Gradient hydraulique Avant linstallation du puits, la surface du sol, la surface de la nappe libre, la surface du roc, le gradient hydraulique et les lignes découlement de leau ont cette allure. Surface du roc Surface de la nappe Surface du sol Lignes découlement

28 Lextraction deau par le puits crée un cône de rabattement dans la surface de la nappe et modifie les lignes découlement. La projection sur la surface du sol des lignes découlement qui aboutissent au puits délimite laire dalimentation du puits. Leau qui sinfiltre dans le terrain à lintérieur de cette aire va atteindre un jour le puits. aire dalimentation puits rabattement

29 La question est maintenant de savoir quelles parties de laire dalimentation on souhaite protéger et dans quelle mesure. Si on sait quun pesticide est dégradé biologiquement dans le sol et que le processus prend 3 ans, on peut interdire ce pesticide dans toutes les parties de laire dalimentation où leau prend moins de 3 ans pour atteindre le puits. Le périmètre de protection aurait alors cette allure : puits 3 ans périmètre

30 Dans le cas dun aquifère réel, on doit se poser de nombreuses questions pour déterminer le périmètre de protection. Comme : –Quelle est la capacité datténuation du sol par dilution, par dispersion, par dégradation biologique… des divers contaminants ? –Où linfiltration verticale depuis la surface du sol se fait-elle principalement ? –Y a-t-il de linfiltration depuis les plans deau et les rivières ? –Etc. À défaut détablir un périmètre de protection adéquat, on devra éventuellement engager une compagnie spécialisée dans la décontamination… qui emploie des techniciennes, techniciens en génie civil. Et espérer quil sera effectivement possible de décontaminer.

31 Question Pour déterminer sil y a infiltration verticale dans un terrain depuis un lac, on enfonce le piézomètre 2 dans le fond du lac. Sil y a infiltration, leau va-t-elle se stabiliser dans ce piézomètre plus bas ou plus haut que le niveau du lac ? Réponse : Leau ne se déplace que sil y a un gradient hydraulique. Si elle se déplace de haut en bas, la charge dans le lac, indiquée par le piézomètre 1, doit être plus grande quà lextrémité inférieure du piézomètre 2. Le niveau deau sera donc plus bas dans le piézomètre 2 que dans le lac. lac nappe piézomètres 1 2


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