Systèmes aquifères et nappes d’eau souterraines Types d’aquifères Aquifères poreux Aquifères fissurés Aquifères karstiques Types de nappes Nappes libres.

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1 Systèmes aquifères et nappes d’eau souterraines Types d’aquifères Aquifères poreux Aquifères fissurés Aquifères karstiques Types de nappes Nappes libres Nappes captives Nappes semi-captives Nappes semi-libres L’écoulement des nappes en milieu poreux En milieux fissuré En milieu karstique Piézométrie des nappes

2 Les systèmes aquifères Définition d’un aquifère Un aquifère est un corps géologique contenant partiellement ou entièrement de l’eau et susceptible de la transmettre librement. Selon le type de matériaux et la structure de ce corps géologique on distingue trois types d’aquifères: Aquifères poreux Aquifères fissurés Aquifères karstiques

3 Les aquifères poreux Un aquifère est dit poreux lorsque les vides sont des espaces intergranulaires d’origine sédimentaire (pores sensu stricto) ou diagénétiques (fantômes de cristaux) on parlera de porosité intergranulaire ou porosité vraie.

4 Les aquifères poreux Les aquifères poreux sont constitués blocs, galets, graviers, sables, silts, grès, craie, biolithites, Carbonates bioclastiques, scories volcaniques, arènes granitiques…

5 Les aquifères fissurés Les aquifères fissurés sont développés dans les roches magmatiques (massifs de granite, de gabbros, coulées de roches effusives…), mais aussi métamorphiques (gneiss, micaschistes, pélites…) ou sédimentaires (grès, carbonates…). Généralement, les aquifères fissurés sont observés dans des séries dont les minéraux sont peu solubles ou peu altérables (silicates).

6 Les aquifères karstiques La karstification est la mise en place d’une macroporosité dans les roches par la dissolution de minéraux solubles. évaporites, carbonates) ces figures de dissolution sont des: Dolines: dépressions circulaires Lapièzes: trous et cannelures en surface Gouffres trous très profonds Poljès: dépression fermées à fond plat de plusieurs km Ponors: gouffre à l’aval de poljè Canyons: canaux de surface Drain: canaux souterrain

7 Types de nappes Définition d’une nappe Une nappe d’eau souterraine est la partie saturée d’un aquifère. Cette partie présente des propriétés hydrodynamiques différentes en fonction de la pression et de la structure du réservoir. On distingue alors trois type de nappes: Nappes libres: la surface piézométrique est à la pression atmosphérique. La surface libre d’une telle nappe est appelée niveau phréatique Nappes semi-libres: nappe semi-captive mais dont le mur dispose d’une certaine perméabilité et admet un écoulement latéral. Cette nappe a un comportement intermédiaire entre une nappe libre et une nappe semi-captive.

8 Types de nappes Nappe captive: nappe sous pression entre deux formations imperméables. L’aquifère est complètement saturé et l’eau, dans le puits de forage, est au-dessus de la limite supérieure de l’aquifère. Lorsque l’eau jaillit d’un puits ont dit que le puits est artésien Nappe semi-captive: nappe sous pression partielle, en communication avec une nappe sus-jacente ou sous-jacente à travers une formation semi-perméable, Puits artésien

9 Types de nappes

10 Toit type de nappe Étanche (K’=0) : nappe captive Semi-perméable avec écoulement horizontal négligeable (K’<<K) : nappe semi-captive Semi-perméable avec écoulement horizontal non négligeable (K’<K) : nappe semi-libre Identique à la nappe principale (K’=K) : nappe libre En résumé lorsque le mur d’une nappe est parfaitement étanche, le classement est fait en fonction de la perméabilité du toit:

11 Exemple de système aquifère à nappes, libre et captive

12 L’écoulement de l’eau dans les aquifères poreux: la loi de Darcy En milieux poreux et homogènes, la probabilité est élevée d'obtenir les mêmes caractéristiques hydrodynamiques à une certaine distance d'un ouvrage. l'écoulement se fait alors dans toute la section de l'aquifère, avec des vitesses relativement homogènes et faibles, le long de la grande section d'écoulement. Ceci n’est pas le cas dans un aquifère hétérogène, dans lequel l'écoulement est hautement chenalisé, et la répartition des vitesses très hétérogène.

13 L’écoulement de l’eau dans les aquifères poreux: la loi de Darcy Cette écoulement en milieu poreux a été modélisé par Darcy vers les années 1856. Cette expérience de base de l'hydrogéologie des milieux continus a été réalisée comme suit:

14 L’écoulement de l’eau dans les aquifères poreux: la loi de Darcy Dans un cylindre de section A, une hauteur h d'eau percole à travers une longueur L de sable. Darcy observe qu'il existe une proportionnalité entre le débit Q d'eau qui traverse cette section et le rapport  h/L Darcy a appelé «perte de charge » ou «gradient hydraulique » (i) ce rapport  h/L, et coefficient de perméabilité ou de filtration K le facteur de proportionnalité entre perte de charge et débit de percolation.

15 L’écoulement de l’eau dans les aquifères poreux: la loi de Darcy Cette expérience est transposable à l'écoulement horizontal d’une nappe La formule de cet écoulement dite loi de Darcy est la suivante: Q = K.A.  h /L Si l'on divise les deux membres par A, on obtient : Q/A = K.i Q/A = U est appelée vitesse de filtration.

16 La loi de Darcy, ses domaines d'application L'inconvénient de U est qu‘il s'applique à l'intégralité de la section de la nappe, comme si celle-ci était une conduite d'eau libre sans squelette solide. De ce fait, cette vitesse minimaliste n'est pas validée par les mesures effectuées par traçage.

17 La loi de Darcy, ses domaines d'application La vitesse obtenue par traçage est la vitesse réelle des molécules d'eau dans le milieu poreux. C’est la vitesse réelle, égale à la vitesse de filtration de Darcy, divisée par la porosité. Ainsi, dans les pores d'un grès dont la porosité est de 10%, la vitesse réelle sera 10 fois plus élevée que celle de Darcy.

18 Paramètres hydrodynamiques de la nappe Les paramètres qui régissent l’écoulement de l’eau en milieu poreux sont: La perméabilité La transmissivité Le coefficient d’emmagasinement

19 Paramètres hydrodynamiques de la nappe: la perméabilité (K) Définition: la perméabilité K d'un réservoir caractérise la facilité avec laquelle l'eau le traverse sous l'effet d'un gradient hydraulique. Il s'agit d'un coefficient, défini par la loi de Darcy, qui correspond au débit Q (en m3/s) traversant une unité de section A (en m2), sous l'effet d'un gradient hydraulique unitaire (i). Expression de la perméabilité: elle est donnée par l'expression K = Q / A.i elle est assimilable à une vitesse de filtration et s'exprime en mètres par seconde (m/s). Sa valeur évolue de 10 -1 ou 10 -2 m/s dans les terrains les plus perméables à 10 -7 m/s pour les formations peu perméables.

20 Paramètres hydrodynamiques de la nappe: la perméabilité (K)

21 Paramètres hydrodynamiques de la nappe: la transmissivité (T) transmissivité T représente le débit (Q) d'un aquifère sur toute son épaisseur, par unité de largeur et sous un gradient hydraulique unitaire. Elle correspond donc au produit de la perméabilité moyenne (K), en m/s par l'épaisseur (e) du niveau aquifère (en m), soit T = K.e et s'exprime en m 2 /s.

22 Paramètres hydrodynamiques de la nappe: le coefficient d’emmagasinement (S) Le coefficient d'emmagasinement S est le rapport du volume d'eau libéré par unité de surface, sous une charge hydraulique unitaire, Il détermine la fonction capacitive du réservoir. Il exprime: en nappe libre, la capacité de vidange des pores de la roche et peut donc être assimilé à sa porosité efficace. en nappe captive, la décompression du réservoir et de l'eau contenue dans ses pores. Sa valeur varie de: 0,2 à 0,01 pour les nappes libres et de 0,001 à 0,0001 pour les nappes captives.

23 Paramètres hydrodynamiques de la nappe: la diffusivité (T/S) La diffusivité T/S régit la propagation des influences dans le milieu aquifère. Elle s'exprime en m 2 /s et détermine le transfert de masses d'eau ou de pressions.

24 La circulation de l'eau dans les aquifères poreux: la piézométrie On appelle convection (ou parfois advection) l'écoulement de l'eau dans le sous-sol, qui obéit à la loi de Darcy. Une campagne piézométrique consiste à déterminer simultanément la cote de l’eau sur un ensemble spatial de points: puits, forages, piézomètres, sources, eaux de surface à une période hydrologique caractéristique étiage, eaux moyennes, crue).

25 La circulation de l'eau dans les aquifères poreux: la piézométrie Sur le terrain on détermine la profondeur du niveau de l’eau par rapport à la tête du tube (piézomètres, forages) ou de la margelle (puits, sources). Cette profondeur est lue sur le ruban gradué d’une sonde à électrodes

26 La circulation de l'eau dans les aquifères poreux: la piézométrie Afin de transformer ces profondeurs en cotes, référencées par rapport au nivellement général du pays concerné, il est nécessaire de niveler ces têtes de puits, en bouclant les cotes sur un point coté de l’IGN. A cette condition, il sera possible de tracer des profils piézométriques linéaires ou des cartes piézométriques (spatiales).

27 La circulation de l'eau dans les aquifères poreux: la piézométrie Les courbes qui interpolent la cote de la nappe entre les points de mesure appelées hydroisohypses, Isopièzes ou courbes piézométriques se présentent comme la surface topographique d’un bassin versant superficiel, l’eau souterraine s’écoulant perpendiculairement aux courbes, des « sommets » de la nappe vers ses points bas.

28 La circulation de l'eau dans les aquifères poreux: la piézométrie L'analyse de la géométrie de la surface piézométrique permet de distinguer: les zones à grande ou à faible transmissivité dans le cas d'un milieu hétérogène, les zones d'alimentation et de décharge de la nappe en milieu homogène, ainsi que les limites de la nappe.

29 Piézométrie des nappes:définitions et méthodes Au sein des réservoirs aquifères, la position des nappes souterraines peut-être caractérisée par leur surface piézométrique, qui représente la distribution des charges hydrauliques de la nappe. Cette surface coïncide avec la surface de la nappe dans le cas des aquifères libres. Lorsque l'aquifère est captif, elle est par contre située au dessus de la surface de la nappe qui se confond avec son toit imperméable.

30 Piézométrie des nappes:définitions et méthodes l’étude piézométrique d'une nappe fournit des renseignements de première importance sur les caractéristiques de l'aquifère. elle permet d'apprécier: les conditions d'écoulement des eaux souterraines, leurs conditions d'alimentation et de drainage, et la variation de leurs réserves. Pour ce faire il est nécessaire de disposer d’observatoires tels que: des puits des forages des piézomètres.

31 Piézométrie des nappes:définitions et méthodes La mesure des niveaux d'eau s'effectue depuis la surface à l'aide d'une sonde piézométrique. Elle peut être automatisée par la mise en place d'un piézographe (limnigraphe, thalimédes) pour l’observation de la surface de l’eau dans l’ouvrage ou d'une sonde de pression (Orphéus Mini) pour l’observation de la colonne d'eau au dessus d'un capteur fixe). Dans le cas des nappes artésiennes, la tête des piézomètres doit être parfaitement étanche et munie d'un manomètre pour mesurer la pression de la nappe au niveau de l'ouvrage.

32 Piézométrie des nappes: Cartes piézométriques Les études piézométriques nécessitent de disposer d'un nivellement très précis des points d'observation (puits, forages, piézomètres, sources) qui permet de garantir la précision dans l'établissement d'une carte piézométrique. Celle-ci est tracée par interpolation entre les cotes relevées, sur la base de courbes hydroisohypses (lignes d'égale altitude de la surface piézométrique) dont la qualité et l'équidistance dépendront de la densité des points de mesure et de l'échelle d'étude adoptée.

33 Piézométrie des nappes: Cartes piézométriques la carte piézométrique d'une nappe permet une vision instantanée de son état à un moment précis. Elle sera donc établie durant une période très courte, pour être représentative sur l'ensemble du secteur couvert de conditions identiques vis-à-vis des influences locales et des évènements périphériques (débit des vallons, pluviométrie, et exploitation en particulier).

34 Piézométrie des nappes: Cartes piézométriques La surface piézométrique s'interprète, de la même façon qu'une surface topographique, par des lignes isopièzes. Ces courbes permettent d’analyser une nappe par: sa morphologie, ses pentes, ses variations instantanées et ses anomalies.

35 Piézométrie des nappes: Cartes piézométriques Le niveau piézométrique est le niveau de la colonne d’eau qui équilibre la pression hydrostatique qui règne au bas de la colonne d’eau dans un puits complet. Il est défini à partir d’un niveau de référence topographique (0 m IGN), La surface piézométrique représente la surface d’une nappe libre ou la distribution des charges hydrostatiques d’une nappe captive, La charge hydrostatique est la hauteur de la colonne d’eau depuis le niveau de référence.

36 Piézométrie des nappes: Cartes piézométriques La charge hydrodynamique est due aux mouvements de l’eau dans l’aquifère entrainant une instabilité de la surface hydrostatique. La charge hydraulique est la somme des charges hydrostatique et hydrodynamique. Elle est souvent négligeable et la charge hydrostatique est égale à la charge hydraulique. Ainsi le niveau piézométrique est l’équivalent de la charge hydraulique encore appelé potentiel hydraulique

37 Piézométrie des nappes: Cartes piézométriques Les courbes piézométriques sont des lignes d’égale charge hydrostatique ou d’égale charge ou potentiel hydraulique. Ces courbes sont dressées sur la base de l’interpolation des charges entre des points à potentiel connu. Les lignes de courant ou filets liquides sont des droites orthogonales aux courbes piézométriques et orientées suivant la plus grande pente. Elles matérialisent la direction et le sens d'écoulement de la nappe.

38 Interprétation des cartes piézométriques L’interprétation des cartes piézométriques comporte 2 phases L’analyse morphologique de la surface piézométrique L’étude de la structure de l’aquifère

39 L’analyse morphologique de la surface piézométrique C’est l’étude de la forme de la surface piézométrique. Dans une carte piézométrique on met en évidence : les filets liquides ou lignes de courants qui schématisent la trajectoire des particules d’eau. Lorsque l’écoulement est permanent ces lignes sont parallèles au vecteur vitesse et perpendiculaire aux équipotentiels le sens de l’écoulement est indiqué, par des flèches, sur ces filets. Ce sens va des potentiels les plus hauts vers les plus bas. Le gradient hydraulique: c’est la différence de charge hydraulique entre deux points le long d’une ligne de courant. Il est égal au rapport de la différence de charge  h à la distance  l entre ces deux points i  h/  l

40 L’analyse morphologique de la surface piézométrique Les axes de drainage (lorsque les filets liquides convergent vers une zone) sont matérialisés par des flèches plus épaisses, Les lignes de partage des eaux souterraines (lorsque les filets liquides divergent à partir d’une zone) par des un alignement de ronds, Il est ainsi possible de subdiviser l’aquifère en plusieurs bassins hydrogéologiques dont chacun peut être structuré en une ou plusieurs unités hydrogéologiques à caractéristiques hydrodynamiques propres.

41 L’analyse morphologique de la surface piézométrique Ligne de partage des eaux souterraines

42 Les types d’écoulement Il existe deux types d’écoulement : uniforme et non uniforme: 1. Écoulement uniforme: débit, vitesse, direction d’écoulement constants en tout points de l’aquifère. Les équipotentiels sont des droites parallèles et équidistants. Une telle nappe est dite plate. Le profil piézométrique est à pente régulière et constante. De tels écoulements sont rares. Filets liquides équipotentiels Ecoulement uniforme Profil piézométrique régulier d’écoulement uniforme

43 Les types d’écoulement 2. Écoulement non uniforme: débit, vitesse, direction d’écoulement variables selon la position de l’aquifère. Dans ces conditions il existe deux types de nappe: nappe cylindrique nappe radiale

44 Les types d’écoulement nappe cylindrique: équipotentielles = droites parallèles mais à espacement variable (variation de la vitesse de l’écoulement Filets liquides équipotentiels À Gradient hydraulique décroissant dans le sens de l’écoulement (Vitesse d’écoulement croissant) Filets liquides équipotentiels Ecoulement non uniforme À gradient hydraulique croissant dans le sens de l’écoulement (Vitesse d’écoulement décroissant)

45 Les types d’écoulement Lorsque l’écartement des courbes diminue dans le sens de l’écoulement il y a augmentation du gradient hydraulique. Ceci correspond à une baisse de la vitesse d’écoulement donc de la perméabilité de l’aquifère. Le profil piézométrique est alors de type parabolique

46 Les types d’écoulement Lorsque l’écartement des courbes augmente dans le sens de l’écoulement, le gradient hydraulique diminue, indiquant une augmentation de la vitesse de l’écoulement, donc de la perméabilité de l’aquifère. Le profil piézométrique est alors de type hyperbolique

47 Les types d’écoulement Nappe radiale: équipotentielles = courbes avec courbure à concavité tournée vers l'aval où les lignes de courant convergent vers un axe de drainage privilégié, et courbure à concavité tournée vers l'amont et lignes de courant divergentes, matérialisant une crête piézométrique (ligne de partage des eau souterraines)

48 Piézométrie des nappes: Cartes piézométriques des courbes fermées avec lignes de courant convergentes matérialisant des dépressions piézométriques pouvant correspondre à des ponctions dans la nappe par pompages ou par fuites vers un aquifère sous- jacent ; des courbes fermées avec lignes de courant divergentes. Il s'agit alors de dômes piézométriques qui correspondent à des aires privilégiées d'infiltration (impluvium de recharge de nappe).

49 Les types d’écoulement Remarque Un profil piézométrique peut être à la fois parabolique puis hyperbolique et vice versa selon les variations de la vitesse de l’écoulement parabolique hyperbolique parabolique