ELEMENTS D'HYDROLOGIE SOUTERRAINE

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  • ELEMENTS D'HYDROLOGIE SOUTERRAINE

    Document : Polycopi

    Date de rdaction : Anne universitaire 2004/05

    Rvision et reformatage : Janvier 2007

    Version : v.6-1

    Auteur : R. ABABOU

    Prof., INPT / ENSEEIHT IMFT, Toulouse, France. ababou@imft.fr http://rachid.ababou.free.fr

  • ELEMENTS D'HYDROLOGIE SOUTERRAINE RESUME

    R. ABABOU

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    RESUME Titre HYDROLOGIE SOUTERRAINE Enseignant : R. Ababou Organisation Semestre 1 Cours : 16h TD : TP : Projet : Mots-cls : hydrologie, hydrologie souterraine, nappes souterraines, hydrogologie,

    milieux poreux, loi de Darcy, aquifres, forages, pompages, drainage, nappes confines, nappes phratiques, infiltration, physique des sols, nappes daccompagnement, nappes ctires, eaux saumtres.

    Squence : Ce cours doit avoir lieu avant le cours d'Hydrologie des Transferts. Auditoire : 3H Sciences de l'Eau Environnement + DEA-STE + Mastre Hydraulique Lieu : ENSEEIHT Pr-requis : Hydraul. Souterr. (2H), Hydrol. Gnrale (3H Sci. Eau) Bibliographie R.A.Freeze, J.A.Cherry, 1979 : Groundwater. Prentice-Hall Inc, Englewood Cliffs NJ. A.Musy, M.Souter, 1991: Physique du Sol. Presses Polytech. & Univ. Romandes (EPFL), Lausanne. G.Schneebeli, 1966 & 1987 : Hydraulique Souterraine. Eyrolles, Coll. DER-EDF, Paris.

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    Objectif : Ce cours dhydrologie souterraine a pour objectif de prsenter une approche quantitative des circulations deaux souterraines, leur interaction avec lhydrologie de surface, et les problmes dexploitation des ressources en eau souterraines par lhomme (pompages, dbits de fuite, intrusions d'eaux saumtres, soutien d'tiage par les nappes, etc). Programme : On utilise les lois dcoulements en milieux poreux, en particulier les quations des nappes souterraines en coulements saturs (Darcy, Dupuit, Boussinesq), ainsi que la thorie de linfiltration dans les sols non saturs (Darcy-Buckingham, Green-Ampt, Philip). Partant de la loi de Darcy, on dveloppe les quations spcifiques certains coulements souterrains : conditions aux surfaces libres et aux interfaces hydrologiques; quations verticalement intgres des coulements quasi-plans (Dupuit-Boussinesq); drainance travers les couches semi-permables, etc. On se penche ensuite sur des tudes de cas :

    Influences de lhydro-mto, topographie, et gologie, sur l'coulement et la pizomtrie des nappes : circulations locales/rgionales; nappes superficielles/profondes; confines/libres.

    Exploitation des ressources en eaux souterraines (pompage); identification des proprits hydrauliques daquifres & interprtation de tests de pompage; rayon d'action d'un puits; groupes de puits.

    Problmes d'intrusion d'eaux saumtres en nappes ctires; migration de contaminants & traceurs souterrains (voir aussi le cours de transferts et pollution des sols). Infiltration, percolation, drainage, dbits de fuite, recharge de nappes; interactions nappe-rivire, lois de tarissement de nappes, coulements hypodermiques, et autres.

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    TABLE DES MATIERES LISTE DES FIGURES

    LISTE DES TABLEAUX

    CHAPITRE 1. INTRODUCTION & HYDROGEOLOGIE QUALITATIVE................................................ 1

    1.1. Introduction gnrale : hydrologie et eaux souterraines ................................................................... 4

    1.1.1. Hydrologie et Hydrogologie ............................................................................................................. 4

    1.1.2. Couplages Surface/Souterrain et Rle des Interfaces en Hydrologie ................................................. 8

    1.1.3. Processus Hydrologiques Diffrentes Echelles ............................................................................. 12

    1.2. Bibiographie gnrale (hydrogologie & hydraulique souterraine) ............................................... 17

    1.3. Types d'aquifres, types de nappes, configurations d'coulements ................................................ 18

    1.3.1. Notion d'aquifre et premiers exemples ........................................................................................... 18

    1.3.2. Schma gnral d'un systme d'aquifres multiples (coupe verticale) d'aprs J.Bear 1972 & 1988 22

    1.3.3. Aquifres confins / Aquifres non-confins ................................................................................... 23

    1.3.4. Communications d'une nappe avec l'extrieur.................................................................................. 24

    1.3.5. Aquifres "semi-confins" (phnomne de drainance)..................................................................... 25

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    1.3.6. Nappes perches (plus ou moins localises et phmres)............................................................... 26

    1.3.7. Echanges surface-souterrain : infiltration et recharge d'une nappe .................................................. 28

    1.3.8. Echanges surface-souterrain : exfiltration, sources & lignes de sources .......................................... 28

    1.3.9. Echanges nappe-rivire : tarissement nappe dbit de base rivire .............................................. 29

    1.3.10. Notions de pizomtrie - mesures et cotes pizomtriques (introduction)..................................... 31

    1.4. Exemples de nappes souterraines : .................................................................................................... 32

    1.4.1. Nappe des Sables Albiens du Bassin Parisien .................................................................................. 32

    Nappe des Sables Eocnes d'Aquitaine ...................................................................................................... 37

    1.4.2. Nappe alluviale d'accompagnement de la Garonne .......................................................................... 40

    1.5. Structure htrogne du "souterrain"............................................................................................... 43

    1.5.1. Htrognit des aquifres alluviaux de type sable-gravier............................................................ 43

    1.5.2. Htrognit des roches cristallines (granitiques) diffrentes chelles........................................ 43

    1.5.3. Roches fractures et rseaux de fractures ......................................................................................... 43

    1.5.4. Roches fissures et/ou karstiques (rseaux de fissures, galeries, cavits) ........................................ 43

    1.5.5. Illustration des effets de l'htrognit par simulations d'coulements (nappes en rgime satur)

    ou d'humectation de sols (non saturs). ...................................................................................................... 43

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    1.6. Exemples d'applications de l'hydrogologie quantitative ................................................................ 51

    CHAPITRE 2. MILIEUX POREUX : STRUCTURES, PROPRIETES PHYSIQUES, ET PROPRIETES

    HYDRODYNAMIQUES (LOI DE DARCY & PERMEABILITE)........................................................................ 59

    2.1. Milieux Poreux : Structures et Proprits Physiques ....................................................................... 62

    2.1.1. Structures de diffrents types de milieux poreux ............................................................................. 62

    2.1.2. Empilements de grains...................................................................................................................... 63

    2.1.3. Porosit, indice de vide, densits apparentes.................................................................................... 64

    2.1.4. Surface spcifique ............................................................................................................................ 65

    2.1.5. Texture et granulomtrie (courbe granulomtrique)......................................................................... 67

    2.1.6. Exercices de cours pores & grains .............................................................................................. 72

    2.2. Hydrostatique des Milieux Poreux (Saturs ou Non) ....................................................................... 78

    2.2.1. Equilibres hydrostatiques en zone sature........................................................................................ 78

    2.2.2. Equilibres hydrostatiques en zone non sature ................................................................................. 79

    2.2.3. Relation pression / teneur en eau, ou "courbe de rtention" d'un milieux poreux ............................ 84

    2.2.4. Exemples d'quilibres eau/air rgi par la capillarit : ....................................................................... 88

    2.2.5. Phnomnes de compressibilit........................................................................................................ 94

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    2.3. Hydrodynamique des Milieux Poreux (Permabilit, Darcy) ......................................................... 95

    2.3.1. Loi de Darcy et permabilit ............................................................................................................ 97

    2.3.2. Permamtrie.......................................................................................