Hydrogéologie

Intro Cycle de l'eau Aquifère Dynamique temp. Vulnérabilité Conclu.

Ch. 1 - 1

Hydrogéologie

1ère année (2007-2008)

Strasbourg – Février 2008

Adrien Wanko & Sylvain Payraudeau


Ch. 1 - 2

L'eau souterraine = composante du cycle de l'eauRessource en eau Vulnérabilité Contrainte en génie civil

Pourquoi un enseignement d'hydrogéologie ?


Ch. 1 - 3

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).


Ch. 1 - 4

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)

Organisation de l'enseignement


Ch. 1 - 5

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


Ch. 1 - 6

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


Ch. 1 - 7

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)

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.

Définition

But


Ch. 1 - 8

Hydrogéologie : à l'interface de deux disciplines

Hydrologie Géologie

Hydrogéologie

Branche de la géologie qui traite de l'eau souterraine et notamment de son occurrence.

Branche de l'hydrologie qui traite de l'eau souterraine en tenant compte des conditions géologiques. (hydrologie souterraine)

Attesté en 1802 : naturaliste français Lamarck


Ch. 1 - 9

Hydrogéologie : Historique

Platon et le Tartare

Aristote et les montagnes de Thrace

Thalès de Milet, Lucrèce et les vents de mer

Descartes et les canaux souterrains

Palissy, Mariotte une conception nette des eaux souterraines.

Lamark (1802)

Hydrogéologie

Lucas (1880)

Hydrogéology

Powell (1885)

Hydric geology


Ch. 1 - 10

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 Géologie

Mesures piézométriques et essais de pompage dans les nappes souterraines

R. Brémond, I.Cheret, C. Parsy

1961 Sciences


Ch. 1 - 11

Références bibliographiques


Ch. 1 - 12

3%

23%

(Jacques, 1996)

Disponibilité mondiale des ressources en eau


Ch. 1 - 13

(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


Ch. 1 - 14

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.



Ch. 1 - 15

Atmosphère : 13 000

Océan : 1 350 000 000

Aquifères souterrains : 8 400 000

Glacier : 27 500 000

Lacs et rivières : 200 000

Description et mécanismes en jeu

Stock : km3


Ch. 1 - 16

Description et mécanismes en jeu

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 cycle de l’eau

Le moteur

-l’énergie solaire

-la gravité

Le cycle à une échelle réduite

Atmosphère Surface

Précipitations ( pluie, grêle, neige)

Surface Atmosphère

Évaporation, sublimation, transpiration


Ch. 1 - 17

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

Bilan hydrique (débit en hm3/an) dans le bassin de l’Hallue (Somme)


Ch. 1 - 18

Schéma conceptuel d’un bilan hydrologique

Quels sont les temps de transit de l’eau dans les différents sous systèmes terrestres ?

Part des eaux souterraines dans le cycle de l'eau


Ch. 1 - 19

Cycle de l’eau : temps de résidence

Sous systèmes et échanges Temps de résidence


Ch. 1 - 20

-Contribution des eaux sout. durant les crues ( )-Contribution des eaux sup. durant les étiages ( )Vulnérabilité à la pollution

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


Ch. 1 - 21

Aquifères : définition

Aquifère :

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


Ch. 1 - 22

Aquifères schématisation

Limite latérale

Limite latérale

Limite inférieure ou substratum

(imperméable)

Limite supérieure ou surface piézométrique


Ch. 1 - 23

Types d’aquifères, Types de nappes

Aquifères confinés / aquifères non confinés


Ch. 1 - 24

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)


Ch. 1 - 25

Thalweg

Ligne de crête

Exutoire

Configuration : dimensions

Identification du bassin hydrogéologique (= bassin superficiel ?)


Ch. 1 - 26

Le cas de la Sorgues (Vaucluse) : contexte karstique

Écoulement moyen annuel de 18.5 m3/s

Bassin topographique

surface : 15 km2

écoulement en mm : 38 000 !!!

Bassin géologique

surface : 2500 km2

écoulement en mm : 233

D'après Gaume – DEA STE – 2002-2003



Ch. 1 - 27D'après Roche - Hydrologie de surface, Ed. Gauthier-Villars, Paris 1963.

Bassin réel A Bassin réel B

Bassin topographique A Bassin topographique B

Source



Ch. 1 - 28



Ch. 1 - 29



Ch. 1 - 30

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]

Substratum

Configuration : surface piézométrique

z

h


Ch. 1 - 31

Vue de dessus

Profil de charge de la nappe

Courbes piézométriques : égales charges (h)

Rivière

Nappe soutenue

Profil de charge de la rivièreVue de profil

imperméable

Courbes concaves en direction de l'écoulement(rivière nappe)

Équilibre (nappe rivière)méandres

RétrécissementCourbes convexes en direction de l'écoulement(nappe rivière)Zone marécageuse



Ch. 1 - 32

Aquifère à nappe libre : 3 types

1 - Nappe phréatique2 - Nappe perchée3 - Nappe "régionale"

1 - Si nappe proche de la surface = nappe phréatique (historiquement les premières exploitées)

3 :

2: Peu intéressante

Substratum



Ch. 1 - 33

Aquifère à nappe captive (ou nappe confinée ; confined aquifer) (variante semi-captive) :

Un matériau aquifère qui est recouvert d'un matériau imperméable

Pression (poids de la colonne)

Densité des matériaux 2.5 2.5 bar/10mEx. bassin de Paris : sables albiens600m = 150 bar

h > zeau

zEAUDécompression

Cas 1

h

Artésianisme (coût)

Décompression

Cas 2

h


z


Ch. 1 - 34

Substratum

Aquifère bi-couche

Synthèse…



Ch. 1 - 35

Aquifère : Réservoir souterrain = Formation perméable contenant de l'eau en quantités exploitables

Alternance formations perméables et semi-perméables

= aquifère multicouche : calcaire de Champigny(La Marne et la Seine)

D'après Castany, 1982

Formations :

PerméableSemi-perméable

Imperméable (strictement très rare)

Sable Sable très fin

Argile

Structure : formations hydrogéologiques


Ch. 1 - 36

Où trouvent-on des aquifères ?

1 - Nappes alluviales 2 - Bassins sédimentaires3 - Systèmes karstiques4 - Socles fissurés5 - Environnements volcaniques



Ch. 1 - 37

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)



Ch. 1 - 38

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


Ch. 1 - 39

2 - Bassins sédimentaires

Diversité de formations en strates ; Ex : Bassin de paris = 140 000 km²10 aquifères séparés par formations semi-perméables

Contrainte économique (sondage + équipement) +

qualité de l'eau (ex. sels dissous f(profondeur))



Ch. 1 - 40



Ch. 1 - 41

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)



Ch. 1 - 42

3 - Systèmes karstiques

(Crochet, 1996)



Ch. 1 - 43

4 - Socles fissurés - Aquifères des massifs anciens (roche plutonique : granite ou métamorphique : gneiss ou plus rarement volcanique : basalte)

1: Formations superficielles perméablesArènes granitiquesCouches d'altérationAlluvions

2: Zones de fractures et de broyage de socle

sans argiles ni filons de minéraux

3: Roches compactes fissurées du socles

Intérêts de la prospection géophysique électrique ou sismique

D'après Castany, 1982



Ch. 1 - 44

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)



Ch. 1 - 45

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


Ch. 1 - 46

Milieu non consolidé : distribution de la taille des grains

Log du diamètre du tamis (mm)

Pourcentage d'éléments qui traverse le tamis

1 10 100

100%

50%

10%

d10

d10 : paramètre caractéristique d'un matériau

0.1

Structure : granulométrie (FONCTION de STOCKAGE)


Ch. 1 - 47

Q1

Vtotal

Vpore = Vvide

= Veau + Vgaz

Vmatériau

n = Vpore

Vtotal

Eq 1.1

Avec :Vpore et Vtotal [L3]n (fraction entre 0 et 1 ou 0 et 100%)[adim.] Porosité de fissure

Porosité (pore)

Structure : porosité (FONCTION de STOCKAGE)


Ch. 1 - 48

Porosité et granulométrie :

Type cubique Type rhomboédrique

n = 47.6 % n = 25.9 %

Structure : porosité (FONCTION de STOCKAGE)


Ch. 1 - 49

Porosité efficace (ne) :

Rapport du volume de l'eau extraite par gravité d'un milieu poreux initialement saturé à son volume total

Porosité ouverte : Rapport du volume des vides intercommunicants d'un milieu poreux à son volume total;

Porosité totale >= porosité ouverte >= porosité efficace

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

Structure : différentes porosités


Ch. 1 - 50

Q1

Porosité primaire : Très faible pour roches plutoniques, métamorphiques, volcaniquesConductivité hydraulique faible : 10-13 à 10-11 m/s (métamorphique) 3000 an pour 1m

Porosité secondaire : Due à l'altération et à la fracturation

Structure : différentes porosités


Ch. 1 - 51

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 0 : 5

Grès fissurés 10 : 20 5 : 10

Roches carbonatées

Roche massive 0 : 5 0 : 5

Roche karstifiée 10 : 50 10 : 50

Roches cristallines

Roche non fissurée < 1 < 1

Roche altérée 30 : 50 10 : 30D'après Banton et Bangoy

Plaine d'Alsace : 30 : 35 10 : 15

Structure : porosités (ordres de grandeur)


Ch. 1 - 52

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)


Ch. 1 - 53

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 : hDébit 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)


Ch. 1 - 54

K = Caractéristique du matériaux mais dépend du fluide (de sa viscosité)

K =ki . . g

Eq 1.3

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]



Ch. 1 - 55



Ch. 1 - 56

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



Ch. 1 - 57

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)

Gravier : Porosité totale= 23/35%Porosité efficace = 20/30%K = 1/10-2 m.s-1

Tourbe : Porosité totale= 60/80%Porosité efficace = 45/70%K = 10-3 /10-2 m.s-1

Distances plus importantes

Argile : Porosité totale = 45/55%Porosité efficace = 0/5%K = 10-8 /10-7 m.s-1

Distances +

Eaux capillairesEaux pelliculaires


Ch. 1 - 58

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

T = Ks.b Eq 1.4

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]

Le concept de transmissivité suppose que l'écoulement dans la nappe est horizontal

Déterminé par des essais de pompage

Structure : Transmissivité : T (FONCTION de CONDUITE)


Ch. 1 - 59

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]

D'après Mermoud, 2005

S = 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]

Ss . b

S =V

A . H

Eq 1.6

Structure : Coefficient d'emmagasinement : Ss et S(FONCTION de STOCKAGE)


Ch. 1 - 60

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 volumeAugmentation pression dilatation du matériau (gonflement)diminution pression rétractation du milieu (affaissement)

S = 10-6 à 10-3

Structure : Coefficient d'emmagasinement : Ss et S(FONCTION de STOCKAGE)


Ch. 1 - 61

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

Si propriété différente suivant les directions considérées : MATERIAU ANISOTROPE

Ex : conductivité hydraulique en milieu fracturé ou sédimentaire

Q1

Structure : variabilité spatiale


Ch. 1 - 62

A quelle échelle caractériser la structure et les propriétés hydrodynamiques de l'aquifère ?

Sable grossier

Porosité ?Conductivité hydraulique ?

Echelle n°1 (0.1cm)

Echelle n°2 (1 cm)

Volume Élémentaire Représentatif(VER) : volume >> dimensions des pores :Propriétés moyennes



Ch. 1 - 63

0.001 0.01 0.1 1 10 100 1000 Echelle (m)0

2

Porosité

VER'

VER selon granulométrie ? Sphère = 30 . Dmoyen des grains

Matériau homogène Hétérogène



Ch. 1 - 64

Variation temporelle liée à la recharge P :700 mm

ETR :400 mm(60%)

Ru : 25 à 35%

?

Porosité (10%) …

Recharge = P - ETR - Stock - Ru

Zone racinaire

Zone non saturéeRe

5 à 15%

Dynamique temporelle des eaux souterraines

Aquifère


Ch. 1 - 65

http://www.eaux-tursan.fr/origine_eau.php



Ch. 1 - 66


30ans


Ch. 1 - 67



Ch. 1 - 68

Faible amplitude (1.2 m)

niveau piézométrique peu réactif à la pluie (/niveau des rivières)

Ex 1 : bassins versants bretons (10 ha)(Thèse Charlotte Martin, 2003)


2 ans

1 mois


Ch. 1 - 69


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 ?


Ch. 1 - 70

Analogie avec une

colonne de sol

charge h

Transmission rapide de l’onde de pression

Transfert lent de l’eau :(K = 30 à 120 mm/h alluvion perméable)

Limite de l’hypothèse = le bassin a une capacité d’emmagasinement +/- grande


Processus possible : effet piston

Versant Versant


Ch. 1 - 71

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


Ch. 1 - 72

Bassin Rhin-Meuse : utilisation des eaux souterraines99% 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

Enjeux de protection de la qualité des eaux souterraines



Ch. 1 - 73

(Molénat, 1999 : bassin de Naizin)

Temps de transfert : Double fonction de la distance à la rivière et du milieu parcouru



Ch. 1 - 74

1 - "Pollution" résultante des activités humaines

N'est pas pris en compte : dissolution des minéraux Eaux minérales et thermales (bruit de fond géochimique)

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)


Ex : contamination des puits (50% du million de puits construits)


Ch. 1 - 75


Polluants physiques : chaleur / Matière en suspension / radioactivité

Polluants chimiques : sels minéraux dissous (NO3) / sulfate et chlorure

Micropolluants: Métaux lourds, pesticides et détergents

Hydrocarbures

Types de polluants

Sources de polluants

Origines domestiques et urbaines / agricole / industrielle



Ch. 1 - 76


Etapes du devenir des polluants1 – Introduction du polluant (sol, rivière)

2 – Migration et évolution (zone non saturée)

3 – Propagation et évolution dans l'aquifère

Introduction :TypeDoseVolume d'eauMigration et Evolution

Propagation et Evolution

Surface piézométrique

Aquifère à nappe libre

Zone non saturée

Castany (1982)



Ch. 1 - 77


Devenir dans la zone non saturée

Auto-épuration dans "sol"[polluants]

1 – Mécanismes physiques : miscibilité avec l'eau, densité, dilution

2 – Mécanismes hydrodynamiques : Vitesse, temps de séjour

3 – Mécanismes hydrochimiques : Dissolution, précipitation, …

4 – Mécanismes hydrobiologiques : Biodégradation

5 – Mécanismes physico-chimiques : Adsorption/désorption



Ch. 1 - 78


Devenir dans la zone saturée

Auto-épuration dans l'aquifère

[polluants]

1 – Mécanisme de dilution : f(transmissivité de la nappe)

2 – Mécanismes physico-chimiques : auto-épuration ex : Pyrite sur [Nitrates]

Peu d'oxygène, peu de matières organiques, peu de micro-organismes

(Gascuel, 2005)

14 NO3- + 5 FeS2 + 4H+

7 N2 + 10 SO42- + 5 Fe2+ + 2 H2O



Ch. 1 - 79

< 10 mg.L-1

10 < < 25 mg.L-1

25 < < 50 mg.L-1

> 50 mg.L-1

Nitrates (2003)Fortes teneurs

(25-50 mg/l)

Sud du Fossé rhénan

(Bâle à Strasbourg)

Culture du maïs

Sols filtrants

Dilution de la nappe

2 – Normes



Ch. 1 - 80

< limites de détection

lim. < < 0.1 g.L-1

> 0.1 g. L-1

Pesticides : Atrazine et métabolites (2003)

Interdit (1991 – All.)(2003 – Fr.)

2 – Normes



Ch. 1 - 81

< limites de détection

lim. < < 0.1 g

> 0.1 g

Pesticides : (sauf atrazine et métabolites)(2003)

2 – Normes



Ch. 1 - 82

4 - Carte de vulnérabilité

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)

Objectifs :Prévention (zones sensibles) et protection (périmètres de captage)



Ch. 1 - 83

4 - Carte de vulnérabilité : conception

Méthode DRASTIC

Questions ? :

Quels critères ?Quels poids ?

HENTATI et al., 2005 Sfax-Agareb (Sud-Est tunisien)



Ch. 1 - 84

4 - Carte de vulnérabilité : conception

HENTATI et al., 2005 Sfax-Agareb (Sud-Est tunisien)

Vulnérabilité + Pression polluante

= carte du risque



Ch. 1 - 85

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



Ch. 1 - 86

Prévision : outils de simulation (modèles hydrodynamiques et hydrochimiques)

5 – Lutte contre la pollution - Prévention


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 !


Ch. 1 - 87

Conclusion

1 - Couplage :eau de surface/eau souterraine

P ETR

QS

QW

Non saturée

SaturéeQT = QS + QW

2 – Aquifère et types d'aquifère

Nappe libre Nappe captive

3 – Configuration et structure de l'aquifèreLien entre propriétés et processus (Fonctions de stockage et de conduite)

4 – Prise en compte de l'hétérogénéité des propriétés (notion d'échelle : VER)

5 – Dynamique temporelle du niveau piézométrique

6 – Vulnérabilité des eaux souterraines


Ch. 1 - 88

Dictionnaire d'hydrogéologie : définitionshttp://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)

Bibliographie

Documents

Hydrogéologie