Adrien Wanko & Sylvain Payraudeau Hydrogéologie 1ère année (2007-2008) Strasbourg – Février 2008 Adrien Wanko & Sylvain Payraudeau

Pourquoi un enseignement d'hydrogéologie ? L'eau souterraine = composante du cycle de l'eau Ressource en eau Vulnérabilité Contrainte en génie civil

Objectifs de cet enseignement Avoir la maîtrise du rôle des matériaux constituant le sous sol et les structures hydrogéologiques, Savoir exploiter les connaissances hydrauliques afin de déterminer l’influence des matériaux géologiques sur la circulation et la qualité des eaux souterraines, Acquérir des méthodes quantitatives permettant la planification des captages, l’exploitation et la gestion de l’eau souterraine (objet des 8 h de TD).

Organisation de l'enseignement Organisation du cours : 15 h de cours (A. Wanko) 8 h de TD (R. Mosé, F. Lehmann, A. Wanko) Examen 24 h de mini-projet (R. Mosé, A. Wanko)

Plan du cours Chapitre I : La dynamique des eaux souterraines et leurs réservoirs Chapitre II : Notion d'hydrodynamique des eaux souterraines Chapitre III : Transport de polluants dans les eaux souterraines Chapitre IV : Notions de modèles hydrogéologiques

Chapitre I : La dynamique des eaux souterraines et leur réservoir A - Introduction B - Importance des eaux souterraines dans le cycle de l'eau C - Géométrie et structure des aquifères D - Dynamique temporelle E - Vulnérabilité des eaux souterraines F - Conclusion

Hydrogéologie : définitions L’Hydrogéologie est la science des eaux qui se trouvent à l’intérieur du sol, avec en particulier un accent mis sur sa chimie, son mode de migration et ses relation avec l’environnement géologique. (Davis & DeWiest, 1966) But L’hydrogéologie, science de l’eau souterraine, a pour but d’en déterminer la situation, autrement dit les gîtes du minerai d’hydrogène, la quantité disponible, les qualités, en indiquant en même temps les moyens appropriés pour faire servir ces eaux aux besoins de l’humanité. On pourrait aussi adopter le nom d’Hydrologie souterraine.

Hydrogéologie : à l'interface de deux disciplines Attesté en 1802 : naturaliste français Lamarck Hydrologie Géologie Hydrogéologie Branche de l'hydrologie qui traite de l'eau souterraine en tenant compte des conditions géologiques. (hydrologie souterraine) Branche de la géologie qui traite de l'eau souterraine et notamment de son occurrence.

Hydrogéologie : Historique Platon et le Tartare Lamark (1802) Aristote et les montagnes de Thrace Hydrogéologie Thalès de Milet, Lucrèce et les vents de mer Powell (1885) Hydric geology Descartes et les canaux souterrains Lucas (1880) Hydrogéology Palissy, Mariotte une conception nette des eaux souterraines.

Références bibliographiques Intitulés Auteurs Date de publication Bibliothèques Cours d'hydrogéologie G. de Marsily 1980 INSA Essai d’hydrogéologie; : recherche, étude et captage des H2O souterraines Ed. Imbeaux 1930 Géologie Hydrogéologie: principes et méthodes Gilbert Castany 1982,1998 Sciences Hydrogéologie quantitative G. De Marsily 1981 Géologie et Sciences Pollution des nappes d’eau souterraine en France Académie des sciences 1991 Médécine Modélisation de la pollution des sols et des nappes par des hydrocarbures Philippe Tardy 1996 Mesures piézométriques et essais de pompage dans les nappes souterraines R. Brémond, I.Cheret, C. Parsy 1961

Références bibliographiques

Disponibilité mondiale des ressources en eau 3% (Jacques, 1996) 23%

Disponibilité mondiale des ressources en eau (volumes, en 106 km3) Europe 1.6 (6.8 %) Asie 7.8 (33.3 %) Afrique 5.5 (23.5 %) Amérique du Nord 4.3 (18.48 %) Amérique du Sud 3.0 (12.8 %) Australie 1.2 (5.1 %) Répartition des nappes souterraines dans le monde

Disponibilité mondiale des ressources en eau La ressource doit être >1500 m3/hab/an pour considérer qu'il n’y a pas de problème. Là où la ressource en eau est insuffisante, l’eau est à l’origine de 30% des décès (20 millions d’hommes) et 80% des maladies. L’irrigation représente une part de 70% des ressources en eaux utilisées, alors que les terres irriguées ne représentent que 17% des terres arables et 1/3 des récoltes.

Description et mécanismes en jeu Stock : km3 Atmosphère : 13 000 Glacier : 27 500 000 Lacs et rivières : 200 000 Océan : 1 350 000 000 Aquifères souterrains : 8 400 000

Description et mécanismes en jeu Le cycle de l’eau Le cycle de l’eau ou cycle hydrologique décrit le constant mouvement de l’eau sur et sous la Terre. L’eau passe des états solides, liquides et gazeux dans ce cycle. Le moteur -l’énergie solaire -la gravité Le cycle à une échelle réduite Atmosphère Surface Précipitations ( pluie, grêle, neige) Surface Atmosphère Évaporation, sublimation, transpiration

Le cycle à une échelle réduite : Cas du bassin de l’Hallue Les abréviations courantes -P : précipitations, -PE : précipitation efficace, -E : évaporation, -T : transpiration, -ETR : évapo-transpiration, -R : ruissellement L'Hallue est une rivière de Picardie, affluent de la Somme. L'Hallue coule sur 15,8 kilomètres1, à travers l'Amiénois, selon une direction nord-sud, de sa source à Contay (seulement à 54 m d'altitude) à Vecquemont où elle conflue avec la Somme. À l'exemple du Scardon, sa vallée sèche se poursuit vers l'amont sur une longueur d'au moins 15 kilomètres jusqu'à Mailly-Maillet. Le cours de la rivière, large de 2 à 4 mètres et bordé de peupleraies, est fortement urbanisé, traversant de nombreuses petites agglomérations : Bavelincourt, Beaucourt-sur-l'Hallue, Montigny-sur-l'Hallue, Béhencourt, Fréchencourt, Querrieu, Daours, Pont-Noyelles2. Renforcée par un petit affluent, la Noelle, l'Hallue présente un débit réduit, mais non négligeable pour un cours d'eau de cette longueur, de 1,5 m³/s à l'exutoire2. Bilan hydrique (débit en hm3/an) dans le bassin de l’Hallue (Somme)

Schéma conceptuel d’un bilan hydrologique Part des eaux souterraines dans le cycle de l'eau Quels sont les temps de transit de l’eau dans les différents sous systèmes terrestres ?

Cycle de l’eau : temps de résidence Sous systèmes et échanges

Cycle de l’eau : part des eaux souterraines Échanges entre les eaux superficielles et souterraines Variation spatiale du sens des échanges Variation temporelle du sens des échanges -Contribution des eaux sout. durant les crues ( ) -Contribution des eaux sup. durant les étiages ( ) Vulnérabilité à la pollution

Aquifères : définition réservoir d’eau souterrain, suffisamment poreux et suffisamment perméable pour être considéré comme une réserve exploitable par l’homme. Il contient une nappe d’eau (douce) : l’aquifère est le contenant et la nappe le contenu. une formation hydro-géologique, caractérisé par une certaine unité litho-stratigraphique et par une certaine unité de fonctionnement vis à vis du stockage et de la circulation des eaux souterraines, Exemple : sables albiens du bassin parisien, alluvions de la Crau

Aquifères schématisation Limite latérale Limite supérieure ou surface piézométrique Limite latérale Limite inférieure ou substratum (imperméable)

Types d’aquifères, Types de nappes Aquifères confinés / aquifères non confinés

Aquifère : intérêt d’étude 1 – Réservoir d’eau souterrain = configuration (dimensions + conditions aux limites) = structure (une ou des formations hydrogéologiques) 2 – Processus internes = hydrodynamiques (FONCTION de STOCKAGE et de CONDUITE) = hydrochimique (FONCTION d'échange géochimique) = hydrobiologique 3 – Interaction avec l'environnement (cycle de l'eau) (Partie B et E) 4 – Variabilité dans l'espace 5 – Variabilité dans le temps (Partie D)

Configuration : dimensions Identification du bassin hydrogéologique (= bassin superficiel ?) Thalweg Ligne de crête Exutoire

Configuration : dimensions Le cas de la Sorgues (Vaucluse) : contexte karstique Écoulement moyen annuel de 18.5 m3/s Bassin géologique surface : 2500 km2 écoulement en mm : 233 Bassin topographique surface : 15 km2 écoulement en mm : 38 000 !!! D'après Gaume – DEA STE – 2002-2003

Configuration : dimensions Bassin topographique A Bassin topographique B Bassin réel A Bassin réel B Source D'après Roche - Hydrologie de surface, Ed. Gauthier-Villars, Paris 1963.

Configuration : dimensions

Configuration : dimensions

Configuration : surface piézométrique Aquifère à nappe libre : Un matériau aquifère qui n'est pas recouvert d'un matériau moins perméable À la pression atmosphérique h charge hydraulique [L] z : altitude du substratum [L] h z Substratum

Configuration : surface piézométrique Vue de dessus Courbes piézométriques : égales charges (h) Rivière imperméable Vue de profil Profil de charge de la rivière Profil de charge de la nappe Courbes concaves en direction de l'écoulement (rivière  nappe) Équilibre (nappe  rivière) méandres Rétrécissement Courbes convexes en direction de l'écoulement (nappe  rivière) Zone marécageuse Nappe soutenue

Configuration : surface piézométrique Aquifère à nappe libre : 3 types 1 - Nappe phréatique 2 - Nappe perchée 3 - Nappe "régionale" 1 - Si nappe proche de la surface = nappe phréatique (historiquement les premières exploitées) Substratum 2 : Peu intéressante 3 :

Configuration : surface piézométrique Aquifère à nappe captive (ou nappe confinée ; confined aquifer) (variante semi-captive) : Un matériau aquifère qui est recouvert d'un matériau imperméable h > zeau Artésianisme (coût) Décompression Cas 2 h Décompression Cas 1 h Pression (poids de la colonne) zEAU z Densité des matériaux  2.5 2.5 bar/10m Ex. bassin de Paris : sables albiens 600m = 150 bar

Configuration : surface piézométrique Synthèse… Substratum Aquifère bi-couche

Structure : formations hydrogéologiques Aquifère : Réservoir souterrain = Formation perméable contenant de l'eau en quantités exploitables Formations : Perméable Semi-perméable Imperméable (strictement très rare) Sable Sable très fin Argile Alternance formations perméables et semi-perméables = aquifère multicouche : calcaire de Champigny (La Marne et la Seine) D'après Castany, 1982

Structure : formations hydrogéologiques Où trouvent-on des aquifères ? 1 - Nappes alluviales 2 - Bassins sédimentaires 3 - Systèmes karstiques 4 - Socles fissurés 5 - Environnements volcaniques

Structure : formations hydrogéologiques La Seine (haute normandie) 1 - Nappes alluviales : La Seine (haute normandie) www.arehn.asso.fr Bonnes caractéristiques hydrodynamiques, qualité des eaux permettant l'alimentation en eau potable mais : exploitation des alluvions (gravières), pompage pour irrigation (sols fins et grande disponibilité de l'eau)

Structure : formations hydrogéologiques 1 - Nappes alluviales : Plaine du Rhin Fossé d'effondrement Comblé d'alluvions récentes : (puissance du comblement  100m) Matériaux saturés jusqu'à la surface Une des nappes les plus importantes d'Europe Horst Graben

Structure : formations hydrogéologiques 2 - Bassins sédimentaires Diversité de formations en strates ; Ex : Bassin de paris = 140 000 km² 10 aquifères séparés par formations semi-perméables Contrainte économique (sondage + équipement) + qualité de l'eau (ex. sels dissous f(profondeur))

Structure : formations hydrogéologiques

Structure : formations hydrogéologiques 3 - Systèmes karstiques Dissolution des roches carbonatées Variations saisonnières importantes (10aine de m) (Capacité limitée + transmissivité élevée) Source du Lez 1600 l/s (Hérault) ; Problèmes d'intrusion d'eau salée Vulnérabilité à la pollution (sol limité + infiltration rapide + avens)

Structure : formations hydrogéologiques 3 - Systèmes karstiques (Crochet, 1996)

Structure : formations hydrogéologiques 4 - Socles fissurés - Aquifères des massifs anciens (roche plutonique : granite ou métamorphique : gneiss ou plus rarement volcanique : basalte) 1: Formations superficielles perméables Arènes granitiques Couches d'altération Alluvions 2: Zones de fractures et de broyage de socle sans argiles ni filons de minéraux 3: Roches compactes fissurées du socles D'après Castany, 1982 Intérêts de la prospection géophysique électrique ou sismique

Structure : formations hydrogéologiques 5 – Environnements volcaniques Roches compactes mais altérations + fracturations : Variabilités des matériaux : basaltes (coulées) , tufs (projections) Aquifères de Djibouti : Basaltes Complexe volcano-sédimentaire : île de la Réunion Massif central : usine d’embouteillage des eaux du Mont-Dore (tufs : réservoir de stockage des eaux d’infiltration)

Structure : propriétés / processus Propriétés de l'aquifère : Granulométrie Porosité Perméabilité Conductivité hydraulique Transmissivité Emmagasinement ? Lien entre propriétés et processus internes : = hydrodynamiques (FONCTION de STOCKAGE et de CONDUITE) = hydrochimique (FONCTION d'échange géochimique) = hydrobiologique Variabilité spatiale de ces propriétés

Structure : granulométrie (FONCTION de STOCKAGE) Milieu non consolidé : distribution de la taille des grains Pourcentage d'éléments qui traverse le tamis 100% d10 : paramètre caractéristique d'un matériau 50% 10% d10 Log du diamètre du tamis (mm) 0.1 1 10 100

Structure : porosité (FONCTION de STOCKAGE) Porosité (pore) Vmatériau Vpore = Vvide = Veau + Vgaz Vtotal Q1 Vpore Vtotal n = Eq 1.1 Avec : Vpore et Vtotal [L3] n (fraction entre 0 et 1 ou 0 et 100%) [adim.] Porosité de fissure

Structure : porosité (FONCTION de STOCKAGE) Porosité et granulométrie : Type cubique Type rhomboédrique n = 47.6 % n = 25.9 %

Structure : différentes porosités Porosité ouverte : Rapport du volume des vides intercommunicants d'un milieu poreux à son volume total; ZOOM 1 Eaux pelliculaires + eaux capillaires Porosité fermée : Porosité d'une roche ou d'un sol contenant des interstices ne communiquant pas entre eux ZOOM 2 Porosité efficace (ne) : Rapport du volume de l'eau extraite par gravité d'un milieu poreux initialement saturé à son volume total Porosité totale >= porosité ouverte >= porosité efficace

Structure : différentes porosités Porosité primaire : Très faible pour roches plutoniques, métamorphiques, volcaniques Conductivité hydraulique faible : 10-13 à 10-11 m/s (métamorphique)  3000 an pour 1m Q1 Porosité secondaire : Due à l'altération et à la fracturation

Structure : porosités (ordres de grandeur) Roche Porosité totale % Porosité efficace % Matériaux non consolidés selon leur texture Gravier 25 : 35 20 : 30 Argile 45 : 55 0 : 5 Roches sédimentaires détritiques Grès 0 : 10 Grès fissurés 10 : 20 5 : 10 Roches carbonatées Roche massive Roche karstifiée 10 : 50 Roches cristallines Roche non fissurée < 1 Roche altérée 30 : 50 10 : 30 D'après Banton et Bangoy Plaine d'Alsace : 30 : 35 10 : 15

Structure : Perméabilité k (FONCTION de CONDUITE) Perméabilité intrinsèque d'un matériau : - représente l'aptitude à laisser passer un fluide à travers lui - caractéristique propre du matériaux - noté k - [L²] ou [L3L-1] volume par unité de charge hydraulique - se mesure en Darce (10-12 m²) AFNOR - se mesure en Darcy (0,987 10-12 m²)

Structure : Conductivité hydraulique K (FONCTION de CONDUITE) Conductivité hydraulique d'un matériau : (!!! K<>k) - représente l'aptitude à laisser passer un fluide à travers lui - correspond au coefficient de proportionnalité K (Darcy) - caractéristique du matériaux mais dépend du fluide - noté K - vitesse [LT-1] Expérience de Darcy (base de l'hydrogéologie quantitative) Alimentation en eau de la ville de Dijon (1856) Débit de l'eau traversant une colonne (L : 3.5 m et ø : 0.35 m) Débit proportionnel à la différence de charge entrée/sortie : h Débit inversement proportionnel à L Q = K . S . h L Eq 1.2 Avec : Q : débit sortant [L3T-1] K : conductivité hydraulique [LT-1] S : section [L²] h : différence de charge [L] L : longueur [L]

Structure : Conductivité hydraulique K (FONCTION de CONDUITE) K = Caractéristique du matériaux mais dépend du fluide (de sa viscosité) Avec : K : conductivité hydraulique [LT-1] ki : perméabilité intrinsèque [L3L-1]  : masse volumique [ML-3] g : constante de pesanteur [LT-²]  : viscosité dynamique [ML-1T-1] ki .  . g  K = Eq 1.3

Structure : Conductivité hydraulique K (FONCTION de CONDUITE)

Structure : Conductivité hydraulique K (FONCTION de CONDUITE) Détermination de la conductivité hydraulique (cf Chapitre II) 1 – Analyses granulométriques (mesures : moy. et variance) 2 – Micro-moulinet (vitesse de circulation d'eau ; puits) 3 – Essai pompage (vitesse de remontée eaux ; puits) P.Ackerer

Structure : conductivité hydraulique et porosité Pas de lien entre la porosité totale ou efficace et l'aptitude à laisser passer un fluide (conductivité hydraulique ou perméabilité) Tourbe : Porosité totale = 60/80% Porosité efficace = 45/70% K = 10-3 /10-2 m.s-1 Distances plus importantes Gravier : Porosité totale = 23/35% Porosité efficace = 20/30% K = 1/10-2 m.s-1 Argile : Porosité totale = 45/55% Porosité efficace = 0/5% K = 10-8 /10-7 m.s-1 Distances + Eaux capillaires Eaux pelliculaires

Structure : Transmissivité : T (FONCTION de CONDUITE) Transmissivité d'un aquifère : - produit de la conductivité hydraulique par son épaisseur - noté T - [L²T-1] surface par unité de temps ou [L3 T-1L-1] débit par largeur unitaire d'aquifère - s'exprime en m².s-1 Avec : T : transmissivité [L3 T-1L-1] Ks : conductivité hydraulique à saturation[LT-1] b : épaisseur de l'aquifère, ou également appelé puissance de l'aquifère [L] T = Ks.b Eq 1.4 Le concept de transmissivité suppose que l'écoulement dans la nappe est horizontal Déterminé par des essais de pompage

Coefficient d'emmagasinement spécifique (Ss) : Structure : Coefficient d'emmagasinement : Ss et S (FONCTION de STOCKAGE) Coefficient d'emmagasinement spécifique (Ss) : - représente le rapport du volume d'eau libéré ou emmagasiné [L3] par un volume unitaire d'un matériau [L-3] pour une variation de charge hydraulique [L-1] ("rendement de l'aquifère") - [L3 L-3L-1] ou [L-1] S = Ss . b Eq 1.5 Avec : S : coefficient d'emmagasinement [adim.] Ss : coefficient d'emmagasinement spécifique [L3 L-3L-1] b : épaisseur de l'aquifère, ou également appelé puissance de l'aquifère [L] S = V A . H Eq 1.6 D'après Mermoud, 2005

Structure : Coefficient d'emmagasinement : Ss et S (FONCTION de STOCKAGE) Aquifère à nappe libre : Variation de la charge hydraulique (h) = variation du niveau de l'eau (Z) D'où Coefficient d'emmagasinement (S) = porosité efficace (P)  0.3 (30%) Aquifère à nappe captive : Variation de la charge hydraulique (h) = variation de pression Volume libéré/stocké = décompression/compression (eau+matériau+gaz)  relativement limité si volume de l'aquifère constant Volume libéré/stocké = variation de volume Augmentation pression  dilatation du matériau (gonflement) diminution pression  rétractation du milieu (affaissement) S = 10-6 à 10-3

Structure : variabilité spatiale Propriétés physiques et hydrodynamiques : variables dans les 3 directions de l'espace Si propriété identique dans toutes les directions de l'espace (x, y et z) : MATERIAU ISOTROPE Q1 Si propriété différente suivant les directions considérées : MATERIAU ANISOTROPE Ex : conductivité hydraulique en milieu fracturé ou sédimentaire

Structure : variabilité spatiale A quelle échelle caractériser la structure et les propriétés hydrodynamiques de l'aquifère ? Porosité ? Conductivité hydraulique ? Volume Élémentaire Représentatif (VER) : volume >> dimensions des pores : Propriétés moyennes Sable grossier Echelle n°1 (0.1cm) Echelle n°2 (1 cm)

Structure : variabilité spatiale Porosité 2 Matériau homogène Hétérogène VER '  Echelle (m) VER selon granulométrie ? Sphère = 30 . Dmoyen des grains

Dynamique temporelle des eaux souterraines ETR : 400 mm (60%) Variation temporelle liée à la recharge P : 700 mm Recharge = P - ETR -  Stock - Ru Ru : 25 à 35% Zone racinaire ? Zone non saturée Re 5 à 15% Porosité (10%) … Aquifère

Dynamique temporelle des eaux souterraines http://www.eaux-tursan.fr/origine_eau.php

Dynamique temporelle des eaux souterraines 30ans

Dynamique temporelle des eaux souterraines

Dynamique temporelle des eaux souterraines Ex 1 : bassins versants bretons (10 ha) (Thèse Charlotte Martin, 2003) 2 ans Faible amplitude (1.2 m) 1 mois niveau piézométrique peu réactif à la pluie (/niveau des rivières)

Dynamique temporelle des eaux souterraines Relation eaux souterraines – eaux de surface : crue (Tiré de Mérot et al., 1995 : séparation chimique et isotopique des écoulements) Eaux souterraines = 42% Eaux des versants = 38% Zone riparienne = 10% Eaux de pluie = 10% Rappel : valeur de K (10-3 à 10-6 m.s-1) Quels processus ?

Dynamique temporelle des eaux souterraines Processus possible : effet piston charge h Analogie avec une colonne de sol Transfert lent de l’eau : (K = 30 à 120 mm/h alluvion perméable) Transmission rapide de l’onde de pression Limite de l’hypothèse = le bassin a une capacité d’emmagasinement +/- grande Versant Versant

Vulnérabilité des eaux souterraines Vulnérabilité à la pollution : 1 - "Pollution" résultante des activités humaines (bruit de fond géochimique) 2 - Normes de qualité de l'eau 3 - Devenir du polluant dans les eaux souterraines : migration (auto-épuration/dilution) 4 - Carte de vulnérabilité 5 - Prévention

Vulnérabilité des eaux souterraines Enjeux de protection de la qualité des eaux souterraines Bassin Rhin-Meuse : utilisation des eaux souterraines 99% des points d’eau 95% des volumes prélevés Avantage : Qualité des eaux moins sujette aux variations (/eau de surface) Inconvénient : Si normes de potabilité dépassée : effet de la réduction des pollutions sur long terme

Vulnérabilité des eaux souterraines Temps de transfert : Double fonction de la distance à la rivière et du milieu parcouru (Molénat, 1999 : bassin de Naizin)

Vulnérabilité des eaux souterraines 1 - "Pollution" résultante des activités humaines N'est pas pris en compte : dissolution des minéraux Eaux minérales et thermales (bruit de fond géochimique) Ex : contamination des puits (50% du million de puits construits) Origine de l'arsenic : alluvions épaisses avec transfert lent (centaines, milliers d’années à filtrer à travers ces dépôts avant de rejoindre la mer) Enrichissement en arsenic des eaux au contact des alluvions  d'une pollution (phénomène naturel)

Vulnérabilité des eaux souterraines 1 - "Pollution" résultante des activités humaines Types de polluants Polluants physiques : chaleur / Matière en suspension / radioactivité Polluants chimiques : sels minéraux dissous (NO3) / sulfate et chlorure Micropolluants: Métaux lourds, pesticides et détergents Hydrocarbures Sources de polluants Origines domestiques et urbaines / agricole / industrielle

Vulnérabilité des eaux souterraines 1 - "Pollution" résultante des activités humaines Etapes du devenir des polluants 1 – Introduction du polluant (sol, rivière) 2 – Migration et évolution (zone non saturée) 3 – Propagation et évolution dans l'aquifère Introduction : Type Dose Volume d'eau Migration et Evolution Zone non saturée Propagation et Evolution Surface piézométrique Aquifère à nappe libre Castany (1982)

Vulnérabilité des eaux souterraines 1 - "Pollution" résultante des activités humaines Devenir dans la zone non saturée 1 – Mécanismes physiques : miscibilité avec l'eau, densité, dilution 2 – Mécanismes hydrodynamiques : Vitesse, temps de séjour Auto-épuration dans "sol" [polluants] 5 – Mécanismes physico-chimiques : Adsorption/désorption 3 – Mécanismes hydrochimiques : Dissolution, précipitation, … 4 – Mécanismes hydrobiologiques : Biodégradation

Vulnérabilité des eaux souterraines 1 - "Pollution" résultante des activités humaines Devenir dans la zone saturée Auto-épuration dans l'aquifère [polluants] Peu d'oxygène, peu de matières organiques, peu de micro-organismes 1 – Mécanisme de dilution : f(transmissivité de la nappe) 2 – Mécanismes physico-chimiques : auto-épuration ex : Pyrite sur [Nitrates] 14 NO3- + 5 FeS2 + 4H+  7 N2 + 10 SO42- + 5 Fe2+ + 2 H2O (Gascuel, 2005)

Vulnérabilité des eaux souterraines 2 – Normes Nitrates (2003) Fortes teneurs (25-50 mg/l) Sud du Fossé rhénan (Bâle à Strasbourg) Culture du maïs Sols filtrants Dilution de la nappe < 10 mg.L-1 10 < < 25 mg.L-1 25 < < 50 mg.L-1 > 50 mg.L-1

Vulnérabilité des eaux souterraines 2 – Normes Pesticides : Atrazine et métabolites (2003) Interdit (1991 – All.) (2003 – Fr.) < limites de détection lim. < < 0.1 g.L-1 > 0.1 g. L-1

Vulnérabilité des eaux souterraines 2 – Normes Pesticides : (sauf atrazine et métabolites) (2003) < limites de détection lim. < < 0.1 g > 0.1 g

Vulnérabilité des eaux souterraines 4 - Carte de vulnérabilité Objectifs : Prévention (zones sensibles) et protection (périmètres de captage) Facteurs de la vulnérabilité : État et caractéristique du sol et sous-sol (couverture, rhizosphère, épaisseur, perméabilité) Profondeur de la surface piézométrique (temps de résidence dans la zone non-saturée  auto-épuration) Paramètres de l'écoulement de l'eau souterraine (conductivité, vitesse d'écoulement) Conditions d'alimentation (temps de renouvellement)

Vulnérabilité des eaux souterraines 4 - Carte de vulnérabilité : conception Méthode DRASTIC Questions ? : Quels critères ? Quels poids ?     HENTATI et al., 2005 Sfax-Agareb (Sud-Est tunisien)

Vulnérabilité des eaux souterraines 4 - Carte de vulnérabilité : conception Vulnérabilité + Pression polluante = carte du risque HENTATI et al., 2005 Sfax-Agareb (Sud-Est tunisien)

Vulnérabilité des eaux souterraines 5 – Lutte contre la pollution - Prévention Réglementation : périmètre de protection captage (loi sur l'eau 1992) Prévention : source de Vittel (50 km²) Société Vittel/Agence de l'eau Rhin-Meuse/profession agricole) « Comment assurer, dans l’eau sous la zone racinaire, un taux de 10 mg/l de nitrates et de 0 mg/l de pesticides ? » Solutions : Contrat Achat de 50% des terres; Maïs interdit; Conseil gratuit; … 24 millions € / 7 ans

Vulnérabilité des eaux souterraines 5 – Lutte contre la pollution - Prévention Prévision : outils de simulation (modèles hydrodynamiques et hydrochimiques) Remédiation : Quelques essais (BRGM) pour les [Nitrates] mais très coûteux Injection de méthanol ou sucre autour du forage (substrat pour bactéries dénitrifiantes – besoin d'oxygène!!! Donc limitée à nappe libre) La prévention reste la technique la plus efficace !

Conclusion 1 - Couplage : 2 – Aquifère et types d'aquifère eau de surface/eau souterraine P ETR QS QW Non saturée Saturée QT = QS + QW 2 – Aquifère et types d'aquifère Nappe libre Nappe captive 3 – Configuration et structure de l'aquifère Lien entre propriétés et processus (Fonctions de stockage et de conduite) 5 – Dynamique temporelle du niveau piézométrique 4 – Prise en compte de l'hétérogénéité des propriétés (notion d'échelle : VER) 6 – Vulnérabilité des eaux souterraines

Bibliographie Dictionnaire d'hydrogéologie : définitions http://www.cig.ensmp.fr/~hubert/glu/HINDFRHG.HTM Ouvrages : Principes et méthodes de l'hydrogéologie, Castany (1982) Hydrogéologie, Banton et Bangoy (1997) Comprendre et estimer les écoulements souterrains et le transport des polluants, De Marsily (1996)