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HYDROGEOLOGIE
&
OUVRAGE DE CAPTAGE
PARTIE 1
Mahamadou KOITA
Objectifs
 Comprendre les fondements et principes
théoriques de l’étude des eaux souterraines.
 concevoir et réaliser des ouvrages de captage
d’eau souterraine
 gérer et exploiter les ouvrages de captages et
les nappes captées
HYDROGEOLOGIE
GENERALE
PARTIE 1
Mahamadou KOITA
Plan
I. Histoire de l’eau et intérêt des sciences de la terre
II. L’hydrogéologie dans le cycle de l’eau
III. Propriétés du complexe eau/roche
IV. Notion d’aquifère et de nappe
I. Histoire de l’eau et intérêt des sciences de la
terre
Qu’est ce que l’hydrogéologie ?
l’hydrogéologie (du grec hydra : l’eau, ge : la terre et
logos : le discours ou la raison) peut être définie comme la
science qui traite de l’eau souterraine
 l’occurrence,
la distribution,
le mouvement
et l’interaction entre la géologie et
l’eau de la croute terrestre
L’exploitation des eaux souterraines
I. Histoire de l’eau et intérêt des sciences de la
terre
 Première exploitation : Les sources d’eau en
raisons des vertus thérapeutiques et de bien être qui
leurs étaient assignés (avant l’ère chrétienne)
 Utilisation des tranchées et puits de gros diamètres:
Accès à l’eau souterraines
L’exploitation des eaux souterraines
I. Histoire de l’eau et intérêt des sciences de la
terre
Exploitation des eaux
souterraines à l’aide
de « Qanat » en
Afghanistan (~~ 1000
ans J.C)
L’exploitation des eaux souterraines
I. Histoire de l’eau et intérêt des sciences de la
terre
Puits Egyptiens (2000 avant J.C)
Puits Perses (systèmes à
motricité animale)
Les grandes périodes de l’évolution de l’hydrogéologie
I. Histoire de l’eau et intérêt des sciences de la
terre
Antiquité
Aristote (384-322 av J.C), Grèce): Système
spongieux, émanation de la vapeur de l’intérieur
de la terre qui donnent aux sources
Vitruve (Rome) infiltration de la pluie dans les
zones montagneuse et leur réapparition en basse
altitude sous forme de source
A partir du 17e siècle
Pierre Perrault (1611-1680): compréhension claire du
cycle de l’eau sur la base de mesure des précipitations et
des écoulements dans le bassin de la rivière Seine
(Paris).
Edme Mariotte (1620-1684) : la précipitation totale
annuelle dans le bassin de la Seine est
approximativement six fois l’écoulement annuel de la
Seine. L’eau des sources fournie par la précipitations.
Les grandes périodes de l’évolution de l’hydrogéologie
I. Histoire de l’eau et intérêt des sciences de la
terre
Les grandes périodes de l’évolution de l’hydrogéologie
I. Histoire de l’eau et intérêt des sciences de la
terre
Hagen (1839) et Poiseuille (1840), Henry darcy (1856): les
bases de la description quantitative de l’écoulement des
eaux souterraines.
La loi de Darcy, dans sa former généralisée, demeure
aujourd’hui l’équation fondamentale dans l’étude de
l’écoulement des eaux souterraines.
A partir du 19e siècle
Les grandes périodes de l’évolution de l’hydrogéologie
I. Histoire de l’eau et intérêt des sciences de la
terre
Hagen (1839) et Poiseuille (1840), Henry darcy (1856): les
bases de la description quantitative de l’écoulement des
eaux souterraines.
La loi de Darcy, dans sa former généralisée, demeure
aujourd’hui l’équation fondamentale dans l’étude de
l’écoulement des eaux souterraines.
A partir du 19e siècle
Les différentes connaissance cumulatives de
l’hydrogéologie incluent une compréhension
du rôle des eaux souterraines dans le cycle
hydrologique
Les grandes périodes de l’évolution de l’hydrogéologie
I. Histoire de l’eau et intérêt des sciences de la
terre
Fin du 19e siècle et début 20e siècle
Fin du 19e siècle et début 20e siècle
l’apparition de la modélisation numérique qui
permet de simuler le fonctionnement des
réservoirs d’eau souterraine
Les problèmes rencontrés en hydrogéologie
I. Histoire de l’eau et intérêt des sciences de la
terre
une quantité ou qualité suffisante : Alimentation en eau de
boisson dans certaines localités
Forage abandonné
(Centre est de la
Côte d’Ivoire)
Les problèmes rencontrés en hydrogéologie
I. Histoire de l’eau et intérêt des sciences de la
terre
une trop quantité : (exemple remontée d’eau souterraine) d’eau
de certain sites minier et de construction .
Mise en place
d’un système
d’évacuateur de
crue souterraine
à Kadarache
Où enfouir les déchets dangereux sans affecter
l’approvisionnement d’eau local ou régional
Dépollution des sites contaminés par : les déchets
nucléaires, les pesticides (agricole) , les fuites au
niveau des oléoducs, les fuites au niveau des
réservoirs de déchets souterrains qui migrent dans
les réservoirs d’eau souterrain, etc.
Les problèmes rencontrés en hydrogéologie
I. Histoire de l’eau et intérêt des sciences de la
terre
Les axes de hydrogéologie
I. Histoire de l’eau et intérêt des sciences de la
terre
II. L’hydrogéologie dans le cycle de l’eau
La circulation et le séjour de l’eau dans le sous sol sont
une étape d’un processus sans fin, le cycle de l’eau
Par les précipitations et les ruissellements, une fraction
de l’eau entraînée dans le cycle s’infiltre sous la terre
L’infiltration, en renouvelant l’eau des réservoirs
souterrains, alimente les circulations profondes à
l’origine des sources
II. L’hydrogéologie dans le cycle de l’eau
Cycle externe de l’eau
II. L’hydrogéologie dans le cycle de l’eau
Les éléments du cycle de l’eau
L’évapotranspiration englobe l’évaporation et la
transpiration des plantes.
L’évaporation est le processus par lequel l’eau passe de l’état
liquide (pluie) à l’état vapeur (nuage) à travers des
transferts de chaleur.
La transpiration quant à elle est la perte d’eau par les
plantes sous forme de vapeur d’eau
Estimation de l’évapotranspiration
II. L’hydrogéologie dans le cycle de l’eau
Les éléments du cycle de l’eau
L’évapotranspiration dépend de nombreux facteurs
température du sol, de l’air et de l’eau
état d’humidité é de l’air (moins l’air est saturé en
humidité, plus le pouvoir évaporatoire est élevé)
état et quantité d’eau contenue dans le sol
rayonnement solaire
vent et pression atmosphérique
nature et état de la végétation
 topographie et de l’exposition
II. L’hydrogéologie dans le cycle de l’eau
Les éléments du cycle de l’eau
Estimation de l’évapotranspiration
Il existe pour cela des formules empiriques qui sont basées sur des
mesures climatologiques (température, ensoleillement, vitesse du vent,
etc.)
différencier l’évapotranspiration potentielle ETP, qui est la quantité
d’eau théoriquement évaporable. Elle représente le pouvoir évaporant de
l’atmosphère, qui serait celle que l’on observait sur un sol avec couvert
végétal, où l’eau serait disponible en abondance.
l’évapotranspiration réelle ETR, qui est la quantité d’eau réellement
évaporée et qui dépend des conditions naturelles (végétation), nature du
sol…) et de la quantité d’eau disponible dans le sol aussi appelé réserve
utile (RU).
II. L’hydrogéologie dans le cycle de l’eau
Les éléments du cycle de l’eau
Méthode de calcul de l’évapotranspiration
a) Formule de Thornthwaite
 


F
I
ETP
a
mois
mm 







10
6
,
1
)
/
(
  Température mensuelle moyenne
en degré celsius ;
a est une fonction complexe de l’indice
I ;
a  6,75.10-7 I3 – 7,71.10-5 I2 + 1,79.10-2 I +
0,49239 ;
I représente un indice thermique
annuel, somme de douze indices
thermiques mensuels i, i  (/5)1,514
F()  coefficient de correction en
fonction de la latitude du lieu considéré
(donné par des tables).
II. L’hydrogéologie dans le cycle de l’eau
Les éléments du cycle de l’eau
Méthode de calcul de l’évapotranspiration
a) Formule de Thornthwaite
On établit ainsi un bilan à l'échelle mensuelle, à partir de la pluie du mois P, de l'Etp et
de la RFU.
Si P > Etp, alors :
• Etr = Etp
• il reste un excédent (P - Etp) qui est affecté en premier lieu à la RFU , et, si la RFU est
complète, à l'écoulement Q
Si P < Etp :
• On évapore toute la pluie et on prend à la RFU (jusqu'à la vider) l'eau nécessaire pour
satisfaire l'Etr soit :
•• Etr = P +min (RFU,Etp-P)
•• RFU= 0 ou RFU+P-Etp
• si RFU = 0, la quantité (Da = Etp - Etr) représente le déficit agricole, c'est-à-dire
sensiblement la quantité d'eau qu'il faudrait apporter aux plantes pour qu'elles ne
souffrent pas de la sécheresse.
II. L’hydrogéologie dans le cycle de l’eau
Les éléments du cycle de l’eau
Les éléments du cycle de l’eau
Méthode de calcul de l’évapotranspiration
a) Formule de Thornthwaite
II. L’hydrogéologie dans le cycle de l’eau
Les éléments du cycle de l’eau
Méthode de calcul de l’évapotranspiration
a) Formule de Turc
Les formules de Turc donnent l’évapotranspiration potentielle en fonction de
l ‘insolation et de la température
Lorsque l’humidité relative est supérieure à 50%
 
15
50
R
40
,
0
ETP g
)
mo
/
mm
(





Lorsque l’humidité relative est inférieure à 50%, On
multiplie l’ETP par le facteur correctif
70
h
50
I r


II. L’hydrogéologie dans le cycle de l’eau
Les éléments du cycle de l’eau
Méthode de calcul de l’évapotranspiration
a) Formule de Turc
  Température moyenne mensuelle en degré celcius ;
Rg  Iga (0,18 – 0,62 h/H)  radiation solaire globale du mois considéré
(cal/cm2/j) ;
h  durée maximale d’insolation possible en heure (durée astronomique du
jour) ;
H = durée maximale d’insolation possible (durée astronomique du jour) ;
h et H ne dépendent que de la latitude et sont donnés par les tables d’Angot.
Le coefficient 0,4 est valable pour les mois de 30 et 31 jours. Pour le mois de
Février on remplace 0,4 par 0,37 ;
Hr  humidité relative ;
Iga  radiation solaire directe en l’absence d’atmosphère.
II. L’hydrogéologie dans le cycle de l’eau
Les éléments du cycle de l’eau
Méthode de calcul de l’évapotranspiration
a) Formule de Turc
 
 2
2
L
P
9
,
0
P
ETR

 P = précipitation moyenne
mensuelle en mm ;
L = 300 + 27T + 0,05T3 ;
T = température moyenne
mensuelle en °C.
II. L’hydrogéologie dans le cycle de l’eau
Les éléments du cycle de l’eau
Humidification et Infiltration
Dans la quasi-totalité des pays où il pleut, le sous sol renferme
en temps normal de l’eau. Un profil habituel de la quantité
d’eau contenue en fonction de la cote se présente de la façon
suivante
Teneur en eau
du sol avant
pluie
II. L’hydrogéologie dans le cycle de l’eau
Les éléments du cycle de l’eau
Humidification et Infiltration
L’eau qui tombe à la surface du sol commence par humidifier
la fraction supérieure du sol (qq centimètres). Le profil
devient le suivant
Teneur en eau
du sol
pendant la
pluie
II. L’hydrogéologie dans le cycle de l’eau
Les éléments du cycle de l’eau
Ruissellement de surface
Si l’intensité de la pluie est forte, le sol ne peut ingurgiter
l’apport d’eau : passés les premiers instants et l’humidification
de la zone tout à fait supérieure du sol, un excès d’eau apparaît
en surface.
II. L’hydrogéologie dans le cycle de l’eau
Les éléments du cycle de l’eau
La pluie
Elle se mesure par des pluviomètres ou pluviographe et
s’exprime en hauteur d’eau (mm).
Elle représente généralement la pluie moyenne pour un
domaine donnée pour une période allant de la durée d’un orage
à l’année.
Pour la détermination de la pluie moyenne, la méthode de
Thiessen est généralement utilisée pour une distribution
non uniforme de la pluie.
Cette méthode utilise un facteur de pondération pour
chaque station présente sur un bassin donné. Le facteur est
basé sur la taille de l’aire d’influence des stations de
pluviométriques.
II. L’hydrogéologie dans le cycle de l’eau
Les éléments du cycle de l’eau
La pluie
II. L’hydrogéologie dans le cycle de l’eau
Les éléments du cycle de l’eau
La pluie
II. L’hydrogéologie dans le cycle de l’eau
Les éléments du cycle de l’eau
La pluie
A
Precipitation
des station
(cm)
B
surface
d’influence
(km2)
C
Pourcentage de
surface totale
D
Precipitation
ponderée (cm)
(A x C)
5.76 16.9 11.9 0.686
4.81 16.1 11.4 0.546
4.11 3.4 2.4 0.099
3.86 1.6 1.1 0.044
3.45 19.3 13.6 0.470
1.89 2.5 1.8 0.033
1.75 12 8.5 0.148
1.46 19.8 14 0.204
1.03 18 12.7 0.131
0.65 17 12 0.078
0.46 6 4.2 0.019
0.21 7.2 5.1 0.011
0.09 2 1.4 0.001
Total 141.8 km2 2.47 cm
II. L’hydrogéologie dans le cycle de l’eau
Bilan du cycle de l’eau
Afin d’étudier le fonctionnement des systèmes hydrologiques,
on effectue des mesures et des bilans, en quantifiant les entrées
et les sorties d’eau, afin d’évaluer les volumes d’eau circulant
dans les différents réservoirs du cycle.
Pour un domaine donné et au cours d’une période donnée,
l’équation générale du bilan hydrique est la suivante :
P = ETR + R + I + S
P : la hauteur moyenne de la pluie tombée
R la lame d’eau écoulée à l’exutoire du domaine
ETR évapotranspiration réelle
I : la lame d’eau infiltrée
S : variation de stock d’eau dans le sol
III. Complexe EAU/ROCHE
Etat de l’eau dans les matériaux
Les interactions eau/roches sont à la base de la rétention des
quantités d’eau à la surface des grains et contre les parois des
fissures
Structure de l’eau souterraine au voisinage d’un grain et forces mises en jeu
III. Complexe EAU/ROCHE
Types d’eau souterraines : eau gravitaire et eau de rétention
 L’eau gravitaire ou l’eau mobilisable est la fraction d’eau souterraine libérée par
l’action de la force de gravité. C’est l’eau mobilisable. Elle seule circule dans les
formations géologiques et alimentent les ouvrages de captage et les sources.
 L’eau de rétention ou l’eau non mobilisable (eau pelliculaire et eau adsorbée)
est la fraction d’eau souterraine maintenue dans les vides à la surface des grains ou des
parois des microfissures, par les forces supérieures à celle de la gravité. Elle n’est donc
pas mobilisable
 L’eau adsorbée constitue un film continu, mince pellicule d’une épaisseur
de l’ordre du dixième de micron, soit l’empilement de quelques dizaines de
molécules.
L’eau pelliculaire, soumise à la force de tension superficielle, avec deux
types d’eau : l’eau capillaire continue et l’eau capillaire suspendue.
L’eau capillaire continue dont la présence est due à l’ascension capillaire, est
localisée dans la frange capillaire
III. Complexe EAU/ROCHE
Types d’eau souterraines : eau gravitaire et eau de rétention
Types d’eau souterraine déterminés conventionnellement, par les
moyens et les énergies mises en œuvre pour leur extraction
III. Complexe EAU/ROCHE
Principales Fonctions des réservoirs souterrains
Les formations rocheuses contiennent
des vides qui leur permettent d’assurer
les fonctions principales suivantes :
fonction de réservoir ou stockage,
fonction de conduite, fonction
d’échange….
III. Complexe EAU/ROCHE
Fonction de stockage : Porosité
Principales Fonctions des réservoirs souterrains
La porosité totale ou porosité est propriété d’une roche (milieu
poreux ou fissuré) de comporter des vides interconnectés ou
non. Elle est exprimée, en pourcentage, par le rapport du
volume des vides, Vv, de la roche, au volume total Vt, de
l’échantillon (sec).
III. Complexe EAU/ROCHE
Fonction de stockage : Porosité
Principales Fonctions des réservoirs souterrains
matériau granulaire
non consolidé ;
roche volcanique ;
calcaire fissuré et karstifié ;
roche schisteuse ;
granite fissuré et altéré.
III. Complexe EAU/ROCHE
Méthodes d’étude des vides et détermination de la porosité
Fonction de stockage : Porosité
Principales Fonctions des réservoirs souterrains
Sur le terrain
En affleurement ou en sondage par une analyse structurale,
géophysique, télédétection, géomorphologie…
 Pores : une analyse qualitative
Fissures : analyse qualitative et quantitative (direction, pendage,
espacement, densité, épaisseur, remplissage, rugosité…)
III. Complexe EAU/ROCHE
III. Complexe EAU/ROCHE
Méthodes d’étude des vides et détermination de la porosité
Fonction de stockage : Porosité
Principales Fonctions des réservoirs souterrains
échantillon de volume connu V
Dessiccation de l’échantillon à T > 105 ° C
Saturation de l’échantillon dans un volume d’eau connu
Le volume des vides (Vv) = volume d’eau initial - le
volume d’eau restant (lorsque l’échantillon ait été enlevé)
III. Complexe EAU/ROCHE
Principales Fonctions des réservoirs souterrains
Facteurs influençant la porosité
Fonction de stockage : Porosité
L’arrangement des grains
Arrangement cubique
(porosité=47.65%)
Arrangement rhomboédrique
(porosité=25.95%)
III. Complexe EAU/ROCHE
Principales Fonctions des réservoirs souterrains
Facteurs influençant la porosité
Fonction de stockage : Porosité
La surface spécifique des grains
C’est le rapport de la surface totale des grains (fissures) et
du volume de l’échantillon.
Plus la surface spécifique est importante, plus l’eau de
rétention est importante. Elle se mesure par adsorption de
gaz azote
III. Complexe EAU/ROCHE
Principales Fonctions des réservoirs souterrains
Facteurs influençant la porosité
Fonction de stockage : Porosité
Dimension des grains
les vides occupés par des grains de
faibles diamètres: réduction de la
porosité
Arrangement cubique de
sphères de diamètres identiques
III. Complexe EAU/ROCHE
Principales Fonctions des réservoirs souterrains
Fonction de stockage : Porosité
Dimension des grains
La technique Visio-manuelle
Nom Taille (mm) Exemple
Galet >305 Ballon de basket
Pavé 76 – 305 Pamplemousse
Gravier grossier 19 – 76 Citron
Gravier fin 4.75 – 19 Pois
Sable grossier 2 – 4.75 Sel brut
Sable moyen 0.42 – 2 Sel de table
Sable fin 0.075 – 0.42 Sucre en poudre
III. Complexe EAU/ROCHE
Principales Fonctions des réservoirs souterrains
Fonction de stockage : Porosité
Dimension des grains
L’analyse granulométrique
Déterminer les caractéristiques des vides par
celles des grains
Classer qualitativement les roches meubles
Calculer les paramètres granulométriques
Permettre de choisir le diamètre des crépines
lors de l’équipement des forages
Objectifs
III. Complexe EAU/ROCHE
Principales Fonctions des réservoirs souterrains
Fonction de stockage : Porosité
Dimension des grains
L’analyse granulométrique
Manipulation
Tri des grains par des tamis
standards en fourchettes de
diamètres conventionnelles
(phases granulométriques)
III. Complexe EAU/ROCHE
Principales Fonctions des réservoirs souterrains
Fonction de stockage : Porosité
Dimension des grains
L’analyse granulométrique
Courbe granulo-
Métrique
III. Complexe EAU/ROCHE
Principales Fonctions des réservoirs souterrains
Fonction de stockage : Porosité
Dimension des grains
interprétation granulométrique
La position de la courbe dans le
diagramme permet, par référence à la
classification granulométrique portée
en haut , de classer l’échantillon et
de le designer par un terme
lithologique précis.
Pente forte : on une granulométrie
uniforme ou homogène
Pente faible : on a une
granulométrie hétérogène
III. Complexe EAU/ROCHE
Principales Fonctions des réservoirs souterrains
Fonction de stockage : Porosité
Dimension des grains
L’analyse granulométrique
Le coefficient d’uniformité, U, sans
dimension, attribue une valeur numérique à
la pente de la courbe
1 <U < 2 : granulométrie uniforme
U>2 : granulométrie variée
III. Complexe EAU/ROCHE
Principales Fonctions des réservoirs souterrains
Fonction de stockage : Porosité efficace
La porosité efficace ou porosité de drainage, notée ne, sans dimension,
exprimée en pourcentage, est le rapport du volume d’eau gravitaire, Ve que le
réservoir peut contenir à l’état saturé, puis libérer sous l’effet d’un égouttage
complet, à son volume total
La porosité totale est égale à la somme de la porosité
efficace et de la porosité de rétention
III. Complexe EAU/ROCHE
Facteurs influençant la porosité efficace
Principales Fonctions des réservoirs souterrains
Fonction de stockage : Porosité efficace
La granulométrie. La porosité efficace diminue avec le diamètre des grains et
lorsque la granulométrie est variée (importance de d10 et U). Plus la taille des
grains est petite, plus ne est petite et plus l’eau de rétention augmente.
L’arrangement des grains (tassement). Pour des grains sphériques, la
porosité efficace diminue de l’arrangement cubique au rangement
rhomboédrique.
La surface spécifique des grains. La porosité efficace diminue quand la surface
spécifique (eau de rétention) augmente.
III. Complexe EAU/ROCHE
Facteurs influençant la porosité efficace
Principales Fonctions des réservoirs souterrains
Fonction de stockage : Porosité efficace
Porosité efficace
diminue avec le
diamètre des grains
III. Complexe EAU/ROCHE
Principales Fonctions des réservoirs souterrains
Fonction de stockage : Teneur en eau
La teneur en eau volumique notée θ, est la quantité d’eau,
exprimée en pourcentage, contenue dans un réservoir,
saturé ou non, rapporté au volume total, quelque soit le
type d’eau considérée
III. Complexe EAU/ROCHE
III. Complexe EAU/ROCHE
Principales Fonctions des réservoirs souterrains
Fonction de stockage : Teneur en eau
III. Complexe EAU/ROCHE
Principales Fonctions des réservoirs souterrains
Fonction de stockage : Zonalité eau/sol
La zone non saturée ou d’aération,
caractérisée par le complexe
reversoir/ eau de rétention/ air.
La zone saturée, caractérisé par le
complexe
réservoir/eau de rétention/eau
gravitaire
III. Complexe EAU/ROCHE
Principales Fonctions des réservoirs souterrains
Fonction de Conduite : La conductivité hydraulique des roches
La fonction conduite du réservoir assure le transport de quantité
d’eau ou flux souterrain et la transmission d’influences,
différence de charge ou de pression, sous l’action de gradients
Expérience de Darcy
III. Complexe EAU/ROCHE
Principales Fonctions des réservoirs souterrains
Fonction de Conduite : La conductivité hydraulique des roches
Expérience de Darcy
Le signe (-) indique que
l’écoulement se fait dans
le sens de décroissance de
la charge hydraulique.
Loi de
Darcy
III. Complexe EAU/ROCHE
La loi de darcy peut être écrite sous la forme suivante
Principales Fonctions des réservoirs souterrains
Fonction de Conduite : La conductivité hydraulique des roches
V est appelé aussi vitesse de Darcy
𝒅𝒉
𝒅𝒍
= gradient hydraulique
III. Complexe EAU/ROCHE
 Vitesse de filtration et vitesse effective
Principales Fonctions des réservoirs souterrains
Fonction de Conduite : La conductivité hydraulique des roches
V est appelé aussi vitesse de Darcy
𝒊 =
𝒅𝒉
𝒅𝒍
= gradient hydraulique
 Vitesse de filtration ou vitesse de Darcy: c’est la vitesse
calculée par la loi de Darcy et se rapporte à la section totale.
Elle n’a pas de réalité physique
𝑉 =
𝑄
𝐴
=Ki
III. Complexe EAU/ROCHE
 Vitesse de filtration et vitesse effective
Principales Fonctions des réservoirs souterrains
Fonction de Conduite : La conductivité hydraulique des roches
Ve est appelé aussi vitesse efficace
𝒊 =
𝒅𝒉
𝒅𝒍
= gradient hydraulique
ne=porosité efficace
 Vitesse de filtration ou vitesse de Darcy: c’est la vitesse de
Darcy corrigée et se rapporte à la section efficace (section
participant réellement à l’écoulement.
𝑽𝒆 =
𝑸
𝑨 ∗ 𝒏𝒆
=
𝑽
𝒏𝒆
=
𝑲𝒊
𝒏𝒆
III. Complexe EAU/ROCHE
Hubert (1956) montre que la constante de
proportionnalité K de Darcy est une fonction à la fois
des propriétés du milieu poreux et du fluide le
traversant.
Il est intuitivement évident que les fluides visqueux (plus
épais) tel que le pétrole brut, va circuler à une vitesse plus
faible que l’eau qui est moins épaisse et d’une faible
viscosité.
Principales Fonctions des réservoirs souterrains
Fonction de Conduite : La conductivité hydraulique des roches
Conductivité hydraulique et Perméabilité
III. Complexe EAU/ROCHE
Le débit est :
proportionnelle au poids volumique, γ, du fluide. Il représente la force
exercée par la gravité sur une unité de volume du fluide,
inversement proportionnel à la viscosité dynamique du fluide, µ, qui
traduit la résistance du fluide au mouvement.
Si l’expérimentation est faite avec des verres sphériques de diamètre uniforme,
le débit est aussi proportionnel au carré du diamètre des perles de verres
d.
Principales Fonctions des réservoirs souterrains
Fonction de Conduite : La conductivité hydraulique des roches
Conductivité hydraulique et Perméabilité
III. Complexe EAU/ROCHE
Principales Fonctions des réservoirs souterrains
Fonction de Conduite : La conductivité hydraulique des roches
Conductivité hydraulique et Perméabilité
La loi de Darcy peut être réécrite sous la
forme suivante :
La nouvelle constante de proportionnalité C est appelée facteur de
forme.
C et d2 sont tous deux des propriétés du milieu poreux, alors que γ
et µ sont des propriétés du fluide.
III. Complexe EAU/ROCHE
Principales Fonctions des réservoirs souterrains
Fonction de Conduite : La conductivité hydraulique des roches
Conductivité hydraulique et Perméabilité
La relation entre la
conductivité
hydraulique et la
perméabilité
intrinsèque est :
Ou
III. Complexe EAU/ROCHE
Principales Fonctions des réservoirs souterrains
Fonction de Conduite : La conductivité hydraulique des roches
Détermination de la Conductivité hydraulique
Perméamètre à charge constant
V est le volume d’eau évacuée pendant le temps t (L3, cm3, T, s)
L est la longueur de l’echantillon (L, cm2)
A est la section transversale du récipient (L2, cm2)
H est la charge hydraulique (L, cm)
K est la conductivité hydraulique (L/T, cm/s).
III. Complexe EAU/ROCHE
Principales Fonctions des réservoirs souterrains
Fonction de Conduite : La conductivité hydraulique des roches
Détermination de la Conductivité hydraulique
Perméamètre à charge variable
1 2
1 2
=
III. Complexe EAU/ROCHE
Principales Fonctions des réservoirs souterrains
Fonction de Conduite : La conductivité hydraulique des roches
Détermination de la Conductivité hydraulique
Intégration
t=0 à t=1 h=h0 à t=0
K est la conductivité hydraulique (L/T, cm/s)
L est la longueur de l’échantillon (L, cm)
h0 est la charge initiale dans le tube à charge décroissante (L, cm)
h est la charge finale dans le tube à charge décroissante (L, cm)
t est le temps écoulé pendant que la charge passe de h0 à h (T,s)
dt est le diamètre intérieur du tube à charge variableL, cm)
dc est le diamètre intérieur du cylindre contenant l’échantillon (L, cm)
VI. Notion d’AQUIFERE et de NAPPE
Système hydrogéologique : agencement spatial de
matériaux présentant des propriétés différentes plus
ou moins contrastée.
Le réservoir hydrogéologique est constitué d’un
matériaux aquifère (du latin « qui transfère l’eau)
généralement limité dans l’espace par des matériaux
non perméables.
L’écoulement naturel et l’exploitation de cet aquifère
sont alors dépendants du matériau aquifère, de sa
géométrie, des propriétés des matériaux à ses
limites et des conditions hydrauliques de celles-ci.
VI. Notion d’AQUIFERE et de NAPPE
 Aquifère : Domaine souterrain perméable et continu
(hydrauliquement, l’eau pouvant aller partout) qui constitue un
gisement d’eau souterrain.
Aquifère = réservoir (squelette rocheux) + eau souterraine
Nappe d’eau souterraine représente la partie saturée en eau du
matériau aquifère
VI. Notion d’AQUIFERE et de NAPPE
Aquiclude : matériau qui contient de l’eau mais n’a
pas de propriétés aquifère (ne transmet pas l’eau)
Aquitard : matériau peu perméable
VI. Notion d’AQUIFERE et de NAPPE
Limites physiques d’une nappe d’eau souterraine
La limite inferieure constituée par :
Une couche imperméable sous-jacente à la couche
aquifère (cas des nappes d’interstice) : cette limite est
appelée le mur imperméable de la nappe.
ou
La limite inferieure des fissures (cas des nappes de
fissures), c'est-à-dire la limite de décompression de la
roche fissurée. Dans ce cas, elle correspond au mur de la
nappe.
VI. Notion d’AQUIFERE et de NAPPE
Limites physiques d’une nappe d’eau souterraine
La limite inferieure
VI. Notion d’AQUIFERE et de NAPPE
Limites physiques d’une nappe d’eau souterraine
La limite supérieure
Trois types :
 Dynamique avec fluctuation libre : nappe libre
 Géologie imperméable : nappe captive
Géologie semi perméable : nappe semi captive
VI. Notion d’AQUIFERE et de NAPPE
Types de nappes Aquifère libre et nappe libre
Aquifère libre: Absence de recouvrement d’un matériau
aquifère par un autre matériau moins perméable
Nappe libre ou nappe à surface: nappe contenue dans
l’aquifère libre dont le niveau supérieur est en relation avec
l’atmosphère.
VI. Notion d’AQUIFERE et de NAPPE
Types de nappes Aquifère captif et nappe captive
Aquifère captif : Présence de recouvrement d’un matériau
aquifère par un matériau imperméable.
Nappe captive: Nappe contenue dans l’aquifère captif dont
la surface ne peut pas varier
VI. Notion d’AQUIFERE et de NAPPE
Types de nappes Aquifère semi-captif
Aquifère semi-captif: Présence de recouvrement d’un matériau
aquifère par un autre matériau moins perméable, mais sans
pouvoir être considéré comme imperméable,
Nappe semi-captive: nappe sans surface contenue dans
l’aquifère semi-captif.
VI. Notion d’AQUIFERE et de NAPPE
Caractéristiques des aquifères et nappes selon leur typologie
Typologie des
aquifères
Aquifère libre Aquifère semi-
captif
Aquifère captif
Limite supérieure Perméable Peu perméable imperméable
Recharge verticale Libre (totale) Partielle
(drainante)
Impossible
(nulle)
Typologie des
nappes
Nappe libre Nappe semi-
captif
Nappe captive
Fluctuation de la
surface libre
libre Aucune aucune
HN versus ZN HN=ZN HN>ZN HN>ZN
Echange verticale Libre Limité aucun
Caractéristique des nappes
VI. Notion d’AQUIFERE et de NAPPE
Cas des nappes libres
 Recharge: rapide et directe par infiltration
 Exutoire : possibilité d’affleurement des nappes libre (zone humide, marais…)
 ETP : parfois importante et important prélèvement racinaire
 Echange : possibilité d’échange entre eaux superficielles et eaux souterraines
 Pollution : risque de pollution depuis la surface
 Inondation : par remontée d’installation de surface ou souterraines
VI. Notion d’AQUIFERE et de NAPPE
Caractéristique des nappes Cas particuliers des nappes
libres
Nappe phréatique (du grec phreatos = puits). Ce sont des nappes
libres proche du sol. Leur recharge est rapide et l’ETP est très
importante.
Nappe perchées. Elles sont dues à des hétérogénéités verticale. Si elles
sont proches de la surface, elles vont constituer des lacs temporaires.
VI. Notion d’AQUIFERE et de NAPPE
Caractéristique des nappes Cas des nappes captives
Physiquement représentées comme des conduites d’eau sous pression.
 Recharge : recharge latérale parfois très distante, souvent lente et plus
élevée que la zone d’exploitation de l’eau. Nappe généralement libre ou semi-
captif dans cette zone
Risques : affaissement des sols.
VI. Notion d’AQUIFERE et de NAPPE
Caractéristique des nappes Cas particuliers des nappes
captives
Nappes artésiennes (ou jaillissante): variante de nappe captive où la
charge hydraulique est supérieure à la surface du sol.
Ainsi si un puits est réalisé dans cette nappe, l’eau y jaillit alors
naturellement du sol.
VI. Notion d’AQUIFERE et de NAPPE
Caractéristique des nappes Cas des nappes semi-captives
Condition de décharge : si la charge hydraulique HN de la nappe est
supérieure à celle existante dans le toit (aquifère sus jacent), on a un
écoulement verticale ascendant suivant la loi de Darcy). Cet
écoulement entraine une perte d’eau de la nappe
Condition de recharge : Si la charge hydraulique HN de la nappe est
plus faible que celle existante dans l’aquifère sus-jacent, un écoulement
descendant a lieu.
VI. Notion d’AQUIFERE et de NAPPE
Isotropie et Anisotropie
Isotrope Anisotrope
Isotropie: Constance des
caractéristiques physique dans
les directions de l’espace
Anisotropie: Variation des
caractéristiques physiques
dans les directions de l’espace
VI. Notion d’AQUIFERE et de NAPPE
Homogénéité et Hétérogénéité
Hétérogène Homogène
Homogénéité: Constance des
caractéristiques physique en
tous points de espace dans le
sens de l’écoulement
Hétérogénéité: Variation des
caractéristiques physiques en
tous points de l’espace dans le
sens de l’écoulement
VI. Notion d’AQUIFERE et de NAPPE
Homogénéité / Hétérogénéité & Isotropie/Anisotropie
VI. Notion d’AQUIFERE et de NAPPE
Piézométrie d’une nappes
Charge hydraulique
L’énergie mécanique est égale à l’énergie cinétique plus l’énergie
potentielle et l’énergie de pression du fluide
Energie cinétique : énergie dont possède un fluide et qui lui
permet de se maintenir en mouvement
Ec : l’energie cinétique (Kg.m2.s-2)
v : la vitesse (m/s)
m : la masse (Kg)
(1)
VI. Notion d’AQUIFERE et de NAPPE
Caractéristique des nappes
Charge hydraulique
L’énergie mécanique est égale à l’énergie cinétique plus l’énergie
potentielle gravitationnelle et l’énergie de pression du fluide
Energie potentielle gravitationnelle : énergie acquise par un
fluide en mouvement verticale
z : l’élévation du centre de gravité du
fluide au dessus de la référence
altimétrique
(2)
VI. Notion d’AQUIFERE et de NAPPE
Caractéristique des nappes
Charge hydraulique
L’énergie mécanique est égale à l’énergie cinétique plus l’énergie
potentielle gravitationnelle et l’énergie de pression du fluide
Energie de pression: Energie due à la pression des fluides
environnant sur un fluide donné
P : la pression
A : la section perpendiculaire à
direction de la force
(3)
VI. Notion d’AQUIFERE et de NAPPE
Caractéristique des nappes
Charge hydraulique
 Pour une unité de volume du fluide, la masse m est
numériquement égale à la masse volume.
Pour obtenir l’énergie totale par unité de masse il suffit de
diviser l’équation (4) par 
(4)
(5)
Equation de
Bernoulli
VI. Notion d’AQUIFERE et de NAPPE
Caractéristique des nappes
Charge hydraulique
Pour un écoulement permanent d’un fluide incompressible le
long d’une ligne de courant, la somme des trois composantes est
constante
Si on divise l’équation (6) par g , on obtient une énergie totale
par unité de poids charge hydraulique
(6)
charge
hydraulique (7)
VI. Notion d’AQUIFERE et de NAPPE
Caractéristique des nappes
Charge hydraulique
Dans le cas des eaux souterraines, les vitesses sont généralement
faibles, l’énergie cinétique est dons négligée devant les autres
composantes.
VI. Notion d’AQUIFERE et de NAPPE
Caractéristique des nappes
Niveau piézométrique
 Niveau piézométrique (H): niveau de la colonne d'eau qui
équilibre la pression hydrostatique régnant au bas de la colonne.
Niveau piézométrique (H) = Altitude de l'ouvrage (Z) -
Profondeur (n) de l'eau dans cet ouvrage.
 Surface piézométrique: courbes d'égal niveau piézométriques
représentant la mesure de niveaux piézométriques dans plusieurs
endroits d'une nappe
VI. Notion d’AQUIFERE et de NAPPE
Caractéristique des nappes
Niveau piézométrique
VI. Notion d’AQUIFERE et de NAPPE
Caractéristique des nappes
Niveau piézométrique: Nappe libre
VI. Notion d’AQUIFERE et de NAPPE
Caractéristique des nappes
Niveau piézométrique: Nappe Captive
VI. Notion d’AQUIFERE et de NAPPE
Caractéristique des nappes
Niveau piézométrique: Nappe Semi- Captive
VI. Notion d’AQUIFERE et de NAPPE
Caractéristique des nappes
Cartes piézométrique: Représentation de la distribution
spatiale des charges ou potentiels hydrauliques, à une date
donnée
 Il s’agit de construire des courbes d'égal niveau piézométrique ou
isopièzes. Elles sont aussi appelées courbes hydroisohypses par
analogie aux courbes de niveau ou isohypses de la surface
topographique.
Carte piézométrique: définition et construction
VI. Notion d’AQUIFERE et de NAPPE
Caractéristique des nappes
Carte piézométrique: Construction
Mesurer les charges piézométriques sur le terrain
Report des données sur une carte
Choix de l'équidistance de la carte
tracer les courbes selon la méthode choisie
Méthode des triangles Ordinateur
VI. Notion d’AQUIFERE et de NAPPE
Caractéristique des nappes
Carte piézométrique: méthode des triangles
VI. Notion d’AQUIFERE et de NAPPE
Caractéristique des nappes
Carte piézométrique: Analyse et interprétation
Analyse de la carte piézométrique: Distinction des zones
de recharge (où l’eau entre), des zones de transition (où
l’eau s’écoule) et des zones d’exutoire (où l’eau ressort)
VI. Notion d’AQUIFERE et de NAPPE
Caractéristique des nappes
Carte piézométrique: Analyse et interprétation
Avant toute interprétation il faut habiller la carte:
Tracer les lignes de courants de la surface piézométrique, donc
superficielles. Elles matérialisent la direction moyenne de
l’écoulement. Ce sont des droites de plus grandes pentes, donc la
perpendiculaire élevée sur chaque hydroisohypes
Flécher les lignes de courant indiquant ainsi le sens de
l’écoulement déduit des niveaux piézométriques
:
VI. Notion d’AQUIFERE et de NAPPE
Caractéristique des nappes
Carte piézométrique
LIGNE DE
PARTAGE DES
EAUX
HYDROISOH
YPSES
LIGNE DE
COURANT
VI. Notion d’AQUIFERE et de NAPPE
Caractéristique des nappes
Carte piézométrique: calcul du gradient
hydraulique
VI. Notion d’AQUIFERE et de NAPPE
Caractéristique des nappes
Carte piézométrique: Interprétation
Formes élémentaires des courbes hydroisohypes
Ecoulement uniforme Ecoulement convergent
Vers un axe de drainage
VI. Notion d’AQUIFERE et de NAPPE
Caractéristique des nappes
Carte piézométrique: Interprétation
Ecoulement divergent qui matérialise une
crête piézométrique et caractérise souvent
une zone d’apport par infiltration
Dépression piézométrique: ponction
dans la nappe par pompage ou par
fuite vers un aquifère sous-jacent
VI. Notion d’AQUIFERE et de NAPPE
Caractéristique des nappes
Carte piézométrique: Interprétation
Dôme piézométrique qui
correspond à des aires privilégiés
d’infiltration
VI. Notion d’AQUIFERE et de NAPPE
Caractéristique des nappes
Carte piézométrique: Interprétation
Module
d’espacement
Gradient
hydraulique
Conductivité
hydraulique
Décroit
(resserrement)
croit Décroit
Croit
(élargissement)
décroit croit
VI. Notion d’AQUIFERE et de NAPPE
Caractéristique des nappes
Transmissivité
Quantité d'eau qui peut être transmise horizontalement par
l'épaisseur saturée totale de la roche par unité de largeur et sous
l'effet d'un gradient égal à l'unité.
aquifère captif
T = K b K = coefficient de perméabilité, b = épaisseur
 aquifère à nappe libre
T = K e e = épaisseur mouillée qui varie en fonction du temps
VI. Notion d’AQUIFERE et de NAPPE
Caractéristique des nappes
Transmissivité
VI. Notion d’AQUIFERE et de NAPPE
Caractéristique des nappes
Coefficient d’emmagasinement
Nombre sans dimension, noté S est
le rapport du volume d’eau libéré ou
emmagasiné par unité de surface de
l’aquifère (un mètre carré), à la
variation la charge hydraulique ∆h.
VI. Notion d’AQUIFERE et de NAPPE
Caractéristique des nappes
 Emmagasinement spécifique
 Noté Ss , exprimé en unité de volume d’eau libéré ou
emmagasiné par unité de volume de l’aquifère (1 m3) sous
l’action d’une variation unitaire de charge hydraulique, ∆h.
S = Ss *b
S = coefficient d’emmagasinement de l’aquifère
Ss = son coefficient d’emmagasinement spécifique
b = son épaisseur
VI. Notion d’AQUIFERE et de NAPPE
Caractéristique des nappes
Coefficient d’emmagasinement
Nappe libre: Volume d’eau libéré et qui correspond à la
porosité efficace
 Nappe captive: La variation en plus ou en moins du
niveau de la nappe qui permet de définir le coefficient
d’emmagasinement dépend de phénomènes plus
complexes
VI. Notion d’AQUIFERE et de NAPPE
Caractéristique des nappes
Coefficient d’emmagasinement : nappe
captive
 stockage ou libération du volume d’eau en fonction de la
porosité efficace
 compression ou décompression de l’eau de la nappe fonction
du coefficient compressibilité de l’eau qui est très faible
 compression ou décompression du milieu aquifère qui
dépend du coefficient de compressibilité de la matrice poreuse
et du coefficient de compressibilité des grains
VI. Notion d’AQUIFERE et de NAPPE
Caractéristique des nappes
Valeurs de Coefficient d’emmagasinement :
Nappes libres
Nappes captives
0,01 < S < 0,2
0,0001 < S < 0,001
FIN PARTIE 1

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cours1 hydrogeolgie ouvrage de captage.pptx

  • 2. Objectifs  Comprendre les fondements et principes théoriques de l’étude des eaux souterraines.  concevoir et réaliser des ouvrages de captage d’eau souterraine  gérer et exploiter les ouvrages de captages et les nappes captées
  • 4. Plan I. Histoire de l’eau et intérêt des sciences de la terre II. L’hydrogéologie dans le cycle de l’eau III. Propriétés du complexe eau/roche IV. Notion d’aquifère et de nappe
  • 5. I. Histoire de l’eau et intérêt des sciences de la terre Qu’est ce que l’hydrogéologie ? l’hydrogéologie (du grec hydra : l’eau, ge : la terre et logos : le discours ou la raison) peut être définie comme la science qui traite de l’eau souterraine  l’occurrence, la distribution, le mouvement et l’interaction entre la géologie et l’eau de la croute terrestre
  • 6. L’exploitation des eaux souterraines I. Histoire de l’eau et intérêt des sciences de la terre  Première exploitation : Les sources d’eau en raisons des vertus thérapeutiques et de bien être qui leurs étaient assignés (avant l’ère chrétienne)  Utilisation des tranchées et puits de gros diamètres: Accès à l’eau souterraines
  • 7. L’exploitation des eaux souterraines I. Histoire de l’eau et intérêt des sciences de la terre Exploitation des eaux souterraines à l’aide de « Qanat » en Afghanistan (~~ 1000 ans J.C)
  • 8. L’exploitation des eaux souterraines I. Histoire de l’eau et intérêt des sciences de la terre Puits Egyptiens (2000 avant J.C) Puits Perses (systèmes à motricité animale)
  • 9. Les grandes périodes de l’évolution de l’hydrogéologie I. Histoire de l’eau et intérêt des sciences de la terre Antiquité Aristote (384-322 av J.C), Grèce): Système spongieux, émanation de la vapeur de l’intérieur de la terre qui donnent aux sources Vitruve (Rome) infiltration de la pluie dans les zones montagneuse et leur réapparition en basse altitude sous forme de source
  • 10. A partir du 17e siècle Pierre Perrault (1611-1680): compréhension claire du cycle de l’eau sur la base de mesure des précipitations et des écoulements dans le bassin de la rivière Seine (Paris). Edme Mariotte (1620-1684) : la précipitation totale annuelle dans le bassin de la Seine est approximativement six fois l’écoulement annuel de la Seine. L’eau des sources fournie par la précipitations. Les grandes périodes de l’évolution de l’hydrogéologie I. Histoire de l’eau et intérêt des sciences de la terre
  • 11. Les grandes périodes de l’évolution de l’hydrogéologie I. Histoire de l’eau et intérêt des sciences de la terre Hagen (1839) et Poiseuille (1840), Henry darcy (1856): les bases de la description quantitative de l’écoulement des eaux souterraines. La loi de Darcy, dans sa former généralisée, demeure aujourd’hui l’équation fondamentale dans l’étude de l’écoulement des eaux souterraines. A partir du 19e siècle
  • 12. Les grandes périodes de l’évolution de l’hydrogéologie I. Histoire de l’eau et intérêt des sciences de la terre Hagen (1839) et Poiseuille (1840), Henry darcy (1856): les bases de la description quantitative de l’écoulement des eaux souterraines. La loi de Darcy, dans sa former généralisée, demeure aujourd’hui l’équation fondamentale dans l’étude de l’écoulement des eaux souterraines. A partir du 19e siècle
  • 13. Les différentes connaissance cumulatives de l’hydrogéologie incluent une compréhension du rôle des eaux souterraines dans le cycle hydrologique Les grandes périodes de l’évolution de l’hydrogéologie I. Histoire de l’eau et intérêt des sciences de la terre Fin du 19e siècle et début 20e siècle Fin du 19e siècle et début 20e siècle l’apparition de la modélisation numérique qui permet de simuler le fonctionnement des réservoirs d’eau souterraine
  • 14. Les problèmes rencontrés en hydrogéologie I. Histoire de l’eau et intérêt des sciences de la terre une quantité ou qualité suffisante : Alimentation en eau de boisson dans certaines localités Forage abandonné (Centre est de la Côte d’Ivoire)
  • 15. Les problèmes rencontrés en hydrogéologie I. Histoire de l’eau et intérêt des sciences de la terre une trop quantité : (exemple remontée d’eau souterraine) d’eau de certain sites minier et de construction . Mise en place d’un système d’évacuateur de crue souterraine à Kadarache
  • 16. Où enfouir les déchets dangereux sans affecter l’approvisionnement d’eau local ou régional Dépollution des sites contaminés par : les déchets nucléaires, les pesticides (agricole) , les fuites au niveau des oléoducs, les fuites au niveau des réservoirs de déchets souterrains qui migrent dans les réservoirs d’eau souterrain, etc. Les problèmes rencontrés en hydrogéologie I. Histoire de l’eau et intérêt des sciences de la terre
  • 17. Les axes de hydrogéologie I. Histoire de l’eau et intérêt des sciences de la terre
  • 18. II. L’hydrogéologie dans le cycle de l’eau La circulation et le séjour de l’eau dans le sous sol sont une étape d’un processus sans fin, le cycle de l’eau Par les précipitations et les ruissellements, une fraction de l’eau entraînée dans le cycle s’infiltre sous la terre L’infiltration, en renouvelant l’eau des réservoirs souterrains, alimente les circulations profondes à l’origine des sources
  • 19. II. L’hydrogéologie dans le cycle de l’eau Cycle externe de l’eau
  • 20. II. L’hydrogéologie dans le cycle de l’eau Les éléments du cycle de l’eau L’évapotranspiration englobe l’évaporation et la transpiration des plantes. L’évaporation est le processus par lequel l’eau passe de l’état liquide (pluie) à l’état vapeur (nuage) à travers des transferts de chaleur. La transpiration quant à elle est la perte d’eau par les plantes sous forme de vapeur d’eau
  • 21. Estimation de l’évapotranspiration II. L’hydrogéologie dans le cycle de l’eau Les éléments du cycle de l’eau L’évapotranspiration dépend de nombreux facteurs température du sol, de l’air et de l’eau état d’humidité é de l’air (moins l’air est saturé en humidité, plus le pouvoir évaporatoire est élevé) état et quantité d’eau contenue dans le sol rayonnement solaire vent et pression atmosphérique nature et état de la végétation  topographie et de l’exposition
  • 22. II. L’hydrogéologie dans le cycle de l’eau Les éléments du cycle de l’eau Estimation de l’évapotranspiration Il existe pour cela des formules empiriques qui sont basées sur des mesures climatologiques (température, ensoleillement, vitesse du vent, etc.) différencier l’évapotranspiration potentielle ETP, qui est la quantité d’eau théoriquement évaporable. Elle représente le pouvoir évaporant de l’atmosphère, qui serait celle que l’on observait sur un sol avec couvert végétal, où l’eau serait disponible en abondance. l’évapotranspiration réelle ETR, qui est la quantité d’eau réellement évaporée et qui dépend des conditions naturelles (végétation), nature du sol…) et de la quantité d’eau disponible dans le sol aussi appelé réserve utile (RU).
  • 23. II. L’hydrogéologie dans le cycle de l’eau Les éléments du cycle de l’eau Méthode de calcul de l’évapotranspiration a) Formule de Thornthwaite     F I ETP a mois mm         10 6 , 1 ) / (   Température mensuelle moyenne en degré celsius ; a est une fonction complexe de l’indice I ; a  6,75.10-7 I3 – 7,71.10-5 I2 + 1,79.10-2 I + 0,49239 ; I représente un indice thermique annuel, somme de douze indices thermiques mensuels i, i  (/5)1,514 F()  coefficient de correction en fonction de la latitude du lieu considéré (donné par des tables).
  • 24. II. L’hydrogéologie dans le cycle de l’eau Les éléments du cycle de l’eau Méthode de calcul de l’évapotranspiration a) Formule de Thornthwaite On établit ainsi un bilan à l'échelle mensuelle, à partir de la pluie du mois P, de l'Etp et de la RFU. Si P > Etp, alors : • Etr = Etp • il reste un excédent (P - Etp) qui est affecté en premier lieu à la RFU , et, si la RFU est complète, à l'écoulement Q Si P < Etp : • On évapore toute la pluie et on prend à la RFU (jusqu'à la vider) l'eau nécessaire pour satisfaire l'Etr soit : •• Etr = P +min (RFU,Etp-P) •• RFU= 0 ou RFU+P-Etp • si RFU = 0, la quantité (Da = Etp - Etr) représente le déficit agricole, c'est-à-dire sensiblement la quantité d'eau qu'il faudrait apporter aux plantes pour qu'elles ne souffrent pas de la sécheresse.
  • 25. II. L’hydrogéologie dans le cycle de l’eau Les éléments du cycle de l’eau Les éléments du cycle de l’eau Méthode de calcul de l’évapotranspiration a) Formule de Thornthwaite
  • 26. II. L’hydrogéologie dans le cycle de l’eau Les éléments du cycle de l’eau Méthode de calcul de l’évapotranspiration a) Formule de Turc Les formules de Turc donnent l’évapotranspiration potentielle en fonction de l ‘insolation et de la température Lorsque l’humidité relative est supérieure à 50%   15 50 R 40 , 0 ETP g ) mo / mm (      Lorsque l’humidité relative est inférieure à 50%, On multiplie l’ETP par le facteur correctif 70 h 50 I r  
  • 27. II. L’hydrogéologie dans le cycle de l’eau Les éléments du cycle de l’eau Méthode de calcul de l’évapotranspiration a) Formule de Turc   Température moyenne mensuelle en degré celcius ; Rg  Iga (0,18 – 0,62 h/H)  radiation solaire globale du mois considéré (cal/cm2/j) ; h  durée maximale d’insolation possible en heure (durée astronomique du jour) ; H = durée maximale d’insolation possible (durée astronomique du jour) ; h et H ne dépendent que de la latitude et sont donnés par les tables d’Angot. Le coefficient 0,4 est valable pour les mois de 30 et 31 jours. Pour le mois de Février on remplace 0,4 par 0,37 ; Hr  humidité relative ; Iga  radiation solaire directe en l’absence d’atmosphère.
  • 28. II. L’hydrogéologie dans le cycle de l’eau Les éléments du cycle de l’eau Méthode de calcul de l’évapotranspiration a) Formule de Turc    2 2 L P 9 , 0 P ETR   P = précipitation moyenne mensuelle en mm ; L = 300 + 27T + 0,05T3 ; T = température moyenne mensuelle en °C.
  • 29. II. L’hydrogéologie dans le cycle de l’eau Les éléments du cycle de l’eau Humidification et Infiltration Dans la quasi-totalité des pays où il pleut, le sous sol renferme en temps normal de l’eau. Un profil habituel de la quantité d’eau contenue en fonction de la cote se présente de la façon suivante Teneur en eau du sol avant pluie
  • 30. II. L’hydrogéologie dans le cycle de l’eau Les éléments du cycle de l’eau Humidification et Infiltration L’eau qui tombe à la surface du sol commence par humidifier la fraction supérieure du sol (qq centimètres). Le profil devient le suivant Teneur en eau du sol pendant la pluie
  • 31. II. L’hydrogéologie dans le cycle de l’eau Les éléments du cycle de l’eau Ruissellement de surface Si l’intensité de la pluie est forte, le sol ne peut ingurgiter l’apport d’eau : passés les premiers instants et l’humidification de la zone tout à fait supérieure du sol, un excès d’eau apparaît en surface.
  • 32. II. L’hydrogéologie dans le cycle de l’eau Les éléments du cycle de l’eau La pluie Elle se mesure par des pluviomètres ou pluviographe et s’exprime en hauteur d’eau (mm). Elle représente généralement la pluie moyenne pour un domaine donnée pour une période allant de la durée d’un orage à l’année.
  • 33. Pour la détermination de la pluie moyenne, la méthode de Thiessen est généralement utilisée pour une distribution non uniforme de la pluie. Cette méthode utilise un facteur de pondération pour chaque station présente sur un bassin donné. Le facteur est basé sur la taille de l’aire d’influence des stations de pluviométriques. II. L’hydrogéologie dans le cycle de l’eau Les éléments du cycle de l’eau La pluie
  • 34. II. L’hydrogéologie dans le cycle de l’eau Les éléments du cycle de l’eau La pluie
  • 35. II. L’hydrogéologie dans le cycle de l’eau Les éléments du cycle de l’eau La pluie A Precipitation des station (cm) B surface d’influence (km2) C Pourcentage de surface totale D Precipitation ponderée (cm) (A x C) 5.76 16.9 11.9 0.686 4.81 16.1 11.4 0.546 4.11 3.4 2.4 0.099 3.86 1.6 1.1 0.044 3.45 19.3 13.6 0.470 1.89 2.5 1.8 0.033 1.75 12 8.5 0.148 1.46 19.8 14 0.204 1.03 18 12.7 0.131 0.65 17 12 0.078 0.46 6 4.2 0.019 0.21 7.2 5.1 0.011 0.09 2 1.4 0.001 Total 141.8 km2 2.47 cm
  • 36. II. L’hydrogéologie dans le cycle de l’eau Bilan du cycle de l’eau Afin d’étudier le fonctionnement des systèmes hydrologiques, on effectue des mesures et des bilans, en quantifiant les entrées et les sorties d’eau, afin d’évaluer les volumes d’eau circulant dans les différents réservoirs du cycle. Pour un domaine donné et au cours d’une période donnée, l’équation générale du bilan hydrique est la suivante : P = ETR + R + I + S P : la hauteur moyenne de la pluie tombée R la lame d’eau écoulée à l’exutoire du domaine ETR évapotranspiration réelle I : la lame d’eau infiltrée S : variation de stock d’eau dans le sol
  • 37. III. Complexe EAU/ROCHE Etat de l’eau dans les matériaux Les interactions eau/roches sont à la base de la rétention des quantités d’eau à la surface des grains et contre les parois des fissures Structure de l’eau souterraine au voisinage d’un grain et forces mises en jeu
  • 38. III. Complexe EAU/ROCHE Types d’eau souterraines : eau gravitaire et eau de rétention  L’eau gravitaire ou l’eau mobilisable est la fraction d’eau souterraine libérée par l’action de la force de gravité. C’est l’eau mobilisable. Elle seule circule dans les formations géologiques et alimentent les ouvrages de captage et les sources.  L’eau de rétention ou l’eau non mobilisable (eau pelliculaire et eau adsorbée) est la fraction d’eau souterraine maintenue dans les vides à la surface des grains ou des parois des microfissures, par les forces supérieures à celle de la gravité. Elle n’est donc pas mobilisable  L’eau adsorbée constitue un film continu, mince pellicule d’une épaisseur de l’ordre du dixième de micron, soit l’empilement de quelques dizaines de molécules. L’eau pelliculaire, soumise à la force de tension superficielle, avec deux types d’eau : l’eau capillaire continue et l’eau capillaire suspendue. L’eau capillaire continue dont la présence est due à l’ascension capillaire, est localisée dans la frange capillaire
  • 39. III. Complexe EAU/ROCHE Types d’eau souterraines : eau gravitaire et eau de rétention Types d’eau souterraine déterminés conventionnellement, par les moyens et les énergies mises en œuvre pour leur extraction
  • 40. III. Complexe EAU/ROCHE Principales Fonctions des réservoirs souterrains Les formations rocheuses contiennent des vides qui leur permettent d’assurer les fonctions principales suivantes : fonction de réservoir ou stockage, fonction de conduite, fonction d’échange….
  • 41. III. Complexe EAU/ROCHE Fonction de stockage : Porosité Principales Fonctions des réservoirs souterrains La porosité totale ou porosité est propriété d’une roche (milieu poreux ou fissuré) de comporter des vides interconnectés ou non. Elle est exprimée, en pourcentage, par le rapport du volume des vides, Vv, de la roche, au volume total Vt, de l’échantillon (sec).
  • 42. III. Complexe EAU/ROCHE Fonction de stockage : Porosité Principales Fonctions des réservoirs souterrains matériau granulaire non consolidé ; roche volcanique ; calcaire fissuré et karstifié ; roche schisteuse ; granite fissuré et altéré.
  • 43. III. Complexe EAU/ROCHE Méthodes d’étude des vides et détermination de la porosité Fonction de stockage : Porosité Principales Fonctions des réservoirs souterrains Sur le terrain En affleurement ou en sondage par une analyse structurale, géophysique, télédétection, géomorphologie…  Pores : une analyse qualitative Fissures : analyse qualitative et quantitative (direction, pendage, espacement, densité, épaisseur, remplissage, rugosité…)
  • 44. III. Complexe EAU/ROCHE III. Complexe EAU/ROCHE Méthodes d’étude des vides et détermination de la porosité Fonction de stockage : Porosité Principales Fonctions des réservoirs souterrains échantillon de volume connu V Dessiccation de l’échantillon à T > 105 ° C Saturation de l’échantillon dans un volume d’eau connu Le volume des vides (Vv) = volume d’eau initial - le volume d’eau restant (lorsque l’échantillon ait été enlevé)
  • 45. III. Complexe EAU/ROCHE Principales Fonctions des réservoirs souterrains Facteurs influençant la porosité Fonction de stockage : Porosité L’arrangement des grains Arrangement cubique (porosité=47.65%) Arrangement rhomboédrique (porosité=25.95%)
  • 46. III. Complexe EAU/ROCHE Principales Fonctions des réservoirs souterrains Facteurs influençant la porosité Fonction de stockage : Porosité La surface spécifique des grains C’est le rapport de la surface totale des grains (fissures) et du volume de l’échantillon. Plus la surface spécifique est importante, plus l’eau de rétention est importante. Elle se mesure par adsorption de gaz azote
  • 47. III. Complexe EAU/ROCHE Principales Fonctions des réservoirs souterrains Facteurs influençant la porosité Fonction de stockage : Porosité Dimension des grains les vides occupés par des grains de faibles diamètres: réduction de la porosité Arrangement cubique de sphères de diamètres identiques
  • 48. III. Complexe EAU/ROCHE Principales Fonctions des réservoirs souterrains Fonction de stockage : Porosité Dimension des grains La technique Visio-manuelle Nom Taille (mm) Exemple Galet >305 Ballon de basket Pavé 76 – 305 Pamplemousse Gravier grossier 19 – 76 Citron Gravier fin 4.75 – 19 Pois Sable grossier 2 – 4.75 Sel brut Sable moyen 0.42 – 2 Sel de table Sable fin 0.075 – 0.42 Sucre en poudre
  • 49. III. Complexe EAU/ROCHE Principales Fonctions des réservoirs souterrains Fonction de stockage : Porosité Dimension des grains L’analyse granulométrique Déterminer les caractéristiques des vides par celles des grains Classer qualitativement les roches meubles Calculer les paramètres granulométriques Permettre de choisir le diamètre des crépines lors de l’équipement des forages Objectifs
  • 50. III. Complexe EAU/ROCHE Principales Fonctions des réservoirs souterrains Fonction de stockage : Porosité Dimension des grains L’analyse granulométrique Manipulation Tri des grains par des tamis standards en fourchettes de diamètres conventionnelles (phases granulométriques)
  • 51. III. Complexe EAU/ROCHE Principales Fonctions des réservoirs souterrains Fonction de stockage : Porosité Dimension des grains L’analyse granulométrique Courbe granulo- Métrique
  • 52. III. Complexe EAU/ROCHE Principales Fonctions des réservoirs souterrains Fonction de stockage : Porosité Dimension des grains interprétation granulométrique La position de la courbe dans le diagramme permet, par référence à la classification granulométrique portée en haut , de classer l’échantillon et de le designer par un terme lithologique précis. Pente forte : on une granulométrie uniforme ou homogène Pente faible : on a une granulométrie hétérogène
  • 53. III. Complexe EAU/ROCHE Principales Fonctions des réservoirs souterrains Fonction de stockage : Porosité Dimension des grains L’analyse granulométrique Le coefficient d’uniformité, U, sans dimension, attribue une valeur numérique à la pente de la courbe 1 <U < 2 : granulométrie uniforme U>2 : granulométrie variée
  • 54. III. Complexe EAU/ROCHE Principales Fonctions des réservoirs souterrains Fonction de stockage : Porosité efficace La porosité efficace ou porosité de drainage, notée ne, sans dimension, exprimée en pourcentage, est le rapport du volume d’eau gravitaire, Ve que le réservoir peut contenir à l’état saturé, puis libérer sous l’effet d’un égouttage complet, à son volume total La porosité totale est égale à la somme de la porosité efficace et de la porosité de rétention
  • 55. III. Complexe EAU/ROCHE Facteurs influençant la porosité efficace Principales Fonctions des réservoirs souterrains Fonction de stockage : Porosité efficace La granulométrie. La porosité efficace diminue avec le diamètre des grains et lorsque la granulométrie est variée (importance de d10 et U). Plus la taille des grains est petite, plus ne est petite et plus l’eau de rétention augmente. L’arrangement des grains (tassement). Pour des grains sphériques, la porosité efficace diminue de l’arrangement cubique au rangement rhomboédrique. La surface spécifique des grains. La porosité efficace diminue quand la surface spécifique (eau de rétention) augmente.
  • 56. III. Complexe EAU/ROCHE Facteurs influençant la porosité efficace Principales Fonctions des réservoirs souterrains Fonction de stockage : Porosité efficace Porosité efficace diminue avec le diamètre des grains
  • 57. III. Complexe EAU/ROCHE Principales Fonctions des réservoirs souterrains Fonction de stockage : Teneur en eau La teneur en eau volumique notée θ, est la quantité d’eau, exprimée en pourcentage, contenue dans un réservoir, saturé ou non, rapporté au volume total, quelque soit le type d’eau considérée
  • 58. III. Complexe EAU/ROCHE III. Complexe EAU/ROCHE Principales Fonctions des réservoirs souterrains Fonction de stockage : Teneur en eau
  • 59. III. Complexe EAU/ROCHE Principales Fonctions des réservoirs souterrains Fonction de stockage : Zonalité eau/sol La zone non saturée ou d’aération, caractérisée par le complexe reversoir/ eau de rétention/ air. La zone saturée, caractérisé par le complexe réservoir/eau de rétention/eau gravitaire
  • 60. III. Complexe EAU/ROCHE Principales Fonctions des réservoirs souterrains Fonction de Conduite : La conductivité hydraulique des roches La fonction conduite du réservoir assure le transport de quantité d’eau ou flux souterrain et la transmission d’influences, différence de charge ou de pression, sous l’action de gradients Expérience de Darcy
  • 61. III. Complexe EAU/ROCHE Principales Fonctions des réservoirs souterrains Fonction de Conduite : La conductivité hydraulique des roches Expérience de Darcy Le signe (-) indique que l’écoulement se fait dans le sens de décroissance de la charge hydraulique. Loi de Darcy
  • 62. III. Complexe EAU/ROCHE La loi de darcy peut être écrite sous la forme suivante Principales Fonctions des réservoirs souterrains Fonction de Conduite : La conductivité hydraulique des roches V est appelé aussi vitesse de Darcy 𝒅𝒉 𝒅𝒍 = gradient hydraulique
  • 63. III. Complexe EAU/ROCHE  Vitesse de filtration et vitesse effective Principales Fonctions des réservoirs souterrains Fonction de Conduite : La conductivité hydraulique des roches V est appelé aussi vitesse de Darcy 𝒊 = 𝒅𝒉 𝒅𝒍 = gradient hydraulique  Vitesse de filtration ou vitesse de Darcy: c’est la vitesse calculée par la loi de Darcy et se rapporte à la section totale. Elle n’a pas de réalité physique 𝑉 = 𝑄 𝐴 =Ki
  • 64. III. Complexe EAU/ROCHE  Vitesse de filtration et vitesse effective Principales Fonctions des réservoirs souterrains Fonction de Conduite : La conductivité hydraulique des roches Ve est appelé aussi vitesse efficace 𝒊 = 𝒅𝒉 𝒅𝒍 = gradient hydraulique ne=porosité efficace  Vitesse de filtration ou vitesse de Darcy: c’est la vitesse de Darcy corrigée et se rapporte à la section efficace (section participant réellement à l’écoulement. 𝑽𝒆 = 𝑸 𝑨 ∗ 𝒏𝒆 = 𝑽 𝒏𝒆 = 𝑲𝒊 𝒏𝒆
  • 65. III. Complexe EAU/ROCHE Hubert (1956) montre que la constante de proportionnalité K de Darcy est une fonction à la fois des propriétés du milieu poreux et du fluide le traversant. Il est intuitivement évident que les fluides visqueux (plus épais) tel que le pétrole brut, va circuler à une vitesse plus faible que l’eau qui est moins épaisse et d’une faible viscosité. Principales Fonctions des réservoirs souterrains Fonction de Conduite : La conductivité hydraulique des roches Conductivité hydraulique et Perméabilité
  • 66. III. Complexe EAU/ROCHE Le débit est : proportionnelle au poids volumique, γ, du fluide. Il représente la force exercée par la gravité sur une unité de volume du fluide, inversement proportionnel à la viscosité dynamique du fluide, µ, qui traduit la résistance du fluide au mouvement. Si l’expérimentation est faite avec des verres sphériques de diamètre uniforme, le débit est aussi proportionnel au carré du diamètre des perles de verres d. Principales Fonctions des réservoirs souterrains Fonction de Conduite : La conductivité hydraulique des roches Conductivité hydraulique et Perméabilité
  • 67. III. Complexe EAU/ROCHE Principales Fonctions des réservoirs souterrains Fonction de Conduite : La conductivité hydraulique des roches Conductivité hydraulique et Perméabilité La loi de Darcy peut être réécrite sous la forme suivante : La nouvelle constante de proportionnalité C est appelée facteur de forme. C et d2 sont tous deux des propriétés du milieu poreux, alors que γ et µ sont des propriétés du fluide.
  • 68. III. Complexe EAU/ROCHE Principales Fonctions des réservoirs souterrains Fonction de Conduite : La conductivité hydraulique des roches Conductivité hydraulique et Perméabilité La relation entre la conductivité hydraulique et la perméabilité intrinsèque est : Ou
  • 69. III. Complexe EAU/ROCHE Principales Fonctions des réservoirs souterrains Fonction de Conduite : La conductivité hydraulique des roches Détermination de la Conductivité hydraulique Perméamètre à charge constant V est le volume d’eau évacuée pendant le temps t (L3, cm3, T, s) L est la longueur de l’echantillon (L, cm2) A est la section transversale du récipient (L2, cm2) H est la charge hydraulique (L, cm) K est la conductivité hydraulique (L/T, cm/s).
  • 70. III. Complexe EAU/ROCHE Principales Fonctions des réservoirs souterrains Fonction de Conduite : La conductivité hydraulique des roches Détermination de la Conductivité hydraulique Perméamètre à charge variable 1 2 1 2 =
  • 71. III. Complexe EAU/ROCHE Principales Fonctions des réservoirs souterrains Fonction de Conduite : La conductivité hydraulique des roches Détermination de la Conductivité hydraulique Intégration t=0 à t=1 h=h0 à t=0 K est la conductivité hydraulique (L/T, cm/s) L est la longueur de l’échantillon (L, cm) h0 est la charge initiale dans le tube à charge décroissante (L, cm) h est la charge finale dans le tube à charge décroissante (L, cm) t est le temps écoulé pendant que la charge passe de h0 à h (T,s) dt est le diamètre intérieur du tube à charge variableL, cm) dc est le diamètre intérieur du cylindre contenant l’échantillon (L, cm)
  • 72. VI. Notion d’AQUIFERE et de NAPPE Système hydrogéologique : agencement spatial de matériaux présentant des propriétés différentes plus ou moins contrastée. Le réservoir hydrogéologique est constitué d’un matériaux aquifère (du latin « qui transfère l’eau) généralement limité dans l’espace par des matériaux non perméables. L’écoulement naturel et l’exploitation de cet aquifère sont alors dépendants du matériau aquifère, de sa géométrie, des propriétés des matériaux à ses limites et des conditions hydrauliques de celles-ci.
  • 73. VI. Notion d’AQUIFERE et de NAPPE  Aquifère : Domaine souterrain perméable et continu (hydrauliquement, l’eau pouvant aller partout) qui constitue un gisement d’eau souterrain. Aquifère = réservoir (squelette rocheux) + eau souterraine Nappe d’eau souterraine représente la partie saturée en eau du matériau aquifère
  • 74. VI. Notion d’AQUIFERE et de NAPPE Aquiclude : matériau qui contient de l’eau mais n’a pas de propriétés aquifère (ne transmet pas l’eau) Aquitard : matériau peu perméable
  • 75. VI. Notion d’AQUIFERE et de NAPPE Limites physiques d’une nappe d’eau souterraine La limite inferieure constituée par : Une couche imperméable sous-jacente à la couche aquifère (cas des nappes d’interstice) : cette limite est appelée le mur imperméable de la nappe. ou La limite inferieure des fissures (cas des nappes de fissures), c'est-à-dire la limite de décompression de la roche fissurée. Dans ce cas, elle correspond au mur de la nappe.
  • 76. VI. Notion d’AQUIFERE et de NAPPE Limites physiques d’une nappe d’eau souterraine La limite inferieure
  • 77. VI. Notion d’AQUIFERE et de NAPPE Limites physiques d’une nappe d’eau souterraine La limite supérieure Trois types :  Dynamique avec fluctuation libre : nappe libre  Géologie imperméable : nappe captive Géologie semi perméable : nappe semi captive
  • 78. VI. Notion d’AQUIFERE et de NAPPE Types de nappes Aquifère libre et nappe libre Aquifère libre: Absence de recouvrement d’un matériau aquifère par un autre matériau moins perméable Nappe libre ou nappe à surface: nappe contenue dans l’aquifère libre dont le niveau supérieur est en relation avec l’atmosphère.
  • 79. VI. Notion d’AQUIFERE et de NAPPE Types de nappes Aquifère captif et nappe captive Aquifère captif : Présence de recouvrement d’un matériau aquifère par un matériau imperméable. Nappe captive: Nappe contenue dans l’aquifère captif dont la surface ne peut pas varier
  • 80. VI. Notion d’AQUIFERE et de NAPPE Types de nappes Aquifère semi-captif Aquifère semi-captif: Présence de recouvrement d’un matériau aquifère par un autre matériau moins perméable, mais sans pouvoir être considéré comme imperméable, Nappe semi-captive: nappe sans surface contenue dans l’aquifère semi-captif.
  • 81. VI. Notion d’AQUIFERE et de NAPPE Caractéristiques des aquifères et nappes selon leur typologie Typologie des aquifères Aquifère libre Aquifère semi- captif Aquifère captif Limite supérieure Perméable Peu perméable imperméable Recharge verticale Libre (totale) Partielle (drainante) Impossible (nulle) Typologie des nappes Nappe libre Nappe semi- captif Nappe captive Fluctuation de la surface libre libre Aucune aucune HN versus ZN HN=ZN HN>ZN HN>ZN Echange verticale Libre Limité aucun
  • 82. Caractéristique des nappes VI. Notion d’AQUIFERE et de NAPPE Cas des nappes libres  Recharge: rapide et directe par infiltration  Exutoire : possibilité d’affleurement des nappes libre (zone humide, marais…)  ETP : parfois importante et important prélèvement racinaire  Echange : possibilité d’échange entre eaux superficielles et eaux souterraines  Pollution : risque de pollution depuis la surface  Inondation : par remontée d’installation de surface ou souterraines
  • 83. VI. Notion d’AQUIFERE et de NAPPE Caractéristique des nappes Cas particuliers des nappes libres Nappe phréatique (du grec phreatos = puits). Ce sont des nappes libres proche du sol. Leur recharge est rapide et l’ETP est très importante. Nappe perchées. Elles sont dues à des hétérogénéités verticale. Si elles sont proches de la surface, elles vont constituer des lacs temporaires.
  • 84. VI. Notion d’AQUIFERE et de NAPPE Caractéristique des nappes Cas des nappes captives Physiquement représentées comme des conduites d’eau sous pression.  Recharge : recharge latérale parfois très distante, souvent lente et plus élevée que la zone d’exploitation de l’eau. Nappe généralement libre ou semi- captif dans cette zone Risques : affaissement des sols.
  • 85. VI. Notion d’AQUIFERE et de NAPPE Caractéristique des nappes Cas particuliers des nappes captives Nappes artésiennes (ou jaillissante): variante de nappe captive où la charge hydraulique est supérieure à la surface du sol. Ainsi si un puits est réalisé dans cette nappe, l’eau y jaillit alors naturellement du sol.
  • 86. VI. Notion d’AQUIFERE et de NAPPE Caractéristique des nappes Cas des nappes semi-captives Condition de décharge : si la charge hydraulique HN de la nappe est supérieure à celle existante dans le toit (aquifère sus jacent), on a un écoulement verticale ascendant suivant la loi de Darcy). Cet écoulement entraine une perte d’eau de la nappe Condition de recharge : Si la charge hydraulique HN de la nappe est plus faible que celle existante dans l’aquifère sus-jacent, un écoulement descendant a lieu.
  • 87. VI. Notion d’AQUIFERE et de NAPPE Isotropie et Anisotropie Isotrope Anisotrope Isotropie: Constance des caractéristiques physique dans les directions de l’espace Anisotropie: Variation des caractéristiques physiques dans les directions de l’espace
  • 88. VI. Notion d’AQUIFERE et de NAPPE Homogénéité et Hétérogénéité Hétérogène Homogène Homogénéité: Constance des caractéristiques physique en tous points de espace dans le sens de l’écoulement Hétérogénéité: Variation des caractéristiques physiques en tous points de l’espace dans le sens de l’écoulement
  • 89. VI. Notion d’AQUIFERE et de NAPPE Homogénéité / Hétérogénéité & Isotropie/Anisotropie
  • 90. VI. Notion d’AQUIFERE et de NAPPE Piézométrie d’une nappes Charge hydraulique L’énergie mécanique est égale à l’énergie cinétique plus l’énergie potentielle et l’énergie de pression du fluide Energie cinétique : énergie dont possède un fluide et qui lui permet de se maintenir en mouvement Ec : l’energie cinétique (Kg.m2.s-2) v : la vitesse (m/s) m : la masse (Kg) (1)
  • 91. VI. Notion d’AQUIFERE et de NAPPE Caractéristique des nappes Charge hydraulique L’énergie mécanique est égale à l’énergie cinétique plus l’énergie potentielle gravitationnelle et l’énergie de pression du fluide Energie potentielle gravitationnelle : énergie acquise par un fluide en mouvement verticale z : l’élévation du centre de gravité du fluide au dessus de la référence altimétrique (2)
  • 92. VI. Notion d’AQUIFERE et de NAPPE Caractéristique des nappes Charge hydraulique L’énergie mécanique est égale à l’énergie cinétique plus l’énergie potentielle gravitationnelle et l’énergie de pression du fluide Energie de pression: Energie due à la pression des fluides environnant sur un fluide donné P : la pression A : la section perpendiculaire à direction de la force (3)
  • 93. VI. Notion d’AQUIFERE et de NAPPE Caractéristique des nappes Charge hydraulique  Pour une unité de volume du fluide, la masse m est numériquement égale à la masse volume. Pour obtenir l’énergie totale par unité de masse il suffit de diviser l’équation (4) par  (4) (5) Equation de Bernoulli
  • 94. VI. Notion d’AQUIFERE et de NAPPE Caractéristique des nappes Charge hydraulique Pour un écoulement permanent d’un fluide incompressible le long d’une ligne de courant, la somme des trois composantes est constante Si on divise l’équation (6) par g , on obtient une énergie totale par unité de poids charge hydraulique (6) charge hydraulique (7)
  • 95. VI. Notion d’AQUIFERE et de NAPPE Caractéristique des nappes Charge hydraulique Dans le cas des eaux souterraines, les vitesses sont généralement faibles, l’énergie cinétique est dons négligée devant les autres composantes.
  • 96. VI. Notion d’AQUIFERE et de NAPPE Caractéristique des nappes Niveau piézométrique  Niveau piézométrique (H): niveau de la colonne d'eau qui équilibre la pression hydrostatique régnant au bas de la colonne. Niveau piézométrique (H) = Altitude de l'ouvrage (Z) - Profondeur (n) de l'eau dans cet ouvrage.  Surface piézométrique: courbes d'égal niveau piézométriques représentant la mesure de niveaux piézométriques dans plusieurs endroits d'une nappe
  • 97. VI. Notion d’AQUIFERE et de NAPPE Caractéristique des nappes Niveau piézométrique
  • 98. VI. Notion d’AQUIFERE et de NAPPE Caractéristique des nappes Niveau piézométrique: Nappe libre
  • 99. VI. Notion d’AQUIFERE et de NAPPE Caractéristique des nappes Niveau piézométrique: Nappe Captive
  • 100. VI. Notion d’AQUIFERE et de NAPPE Caractéristique des nappes Niveau piézométrique: Nappe Semi- Captive
  • 101. VI. Notion d’AQUIFERE et de NAPPE Caractéristique des nappes Cartes piézométrique: Représentation de la distribution spatiale des charges ou potentiels hydrauliques, à une date donnée  Il s’agit de construire des courbes d'égal niveau piézométrique ou isopièzes. Elles sont aussi appelées courbes hydroisohypses par analogie aux courbes de niveau ou isohypses de la surface topographique. Carte piézométrique: définition et construction
  • 102. VI. Notion d’AQUIFERE et de NAPPE Caractéristique des nappes Carte piézométrique: Construction Mesurer les charges piézométriques sur le terrain Report des données sur une carte Choix de l'équidistance de la carte tracer les courbes selon la méthode choisie Méthode des triangles Ordinateur
  • 103. VI. Notion d’AQUIFERE et de NAPPE Caractéristique des nappes Carte piézométrique: méthode des triangles
  • 104. VI. Notion d’AQUIFERE et de NAPPE Caractéristique des nappes Carte piézométrique: Analyse et interprétation Analyse de la carte piézométrique: Distinction des zones de recharge (où l’eau entre), des zones de transition (où l’eau s’écoule) et des zones d’exutoire (où l’eau ressort)
  • 105. VI. Notion d’AQUIFERE et de NAPPE Caractéristique des nappes Carte piézométrique: Analyse et interprétation Avant toute interprétation il faut habiller la carte: Tracer les lignes de courants de la surface piézométrique, donc superficielles. Elles matérialisent la direction moyenne de l’écoulement. Ce sont des droites de plus grandes pentes, donc la perpendiculaire élevée sur chaque hydroisohypes Flécher les lignes de courant indiquant ainsi le sens de l’écoulement déduit des niveaux piézométriques :
  • 106. VI. Notion d’AQUIFERE et de NAPPE Caractéristique des nappes Carte piézométrique LIGNE DE PARTAGE DES EAUX HYDROISOH YPSES LIGNE DE COURANT
  • 107. VI. Notion d’AQUIFERE et de NAPPE Caractéristique des nappes Carte piézométrique: calcul du gradient hydraulique
  • 108. VI. Notion d’AQUIFERE et de NAPPE Caractéristique des nappes Carte piézométrique: Interprétation Formes élémentaires des courbes hydroisohypes Ecoulement uniforme Ecoulement convergent Vers un axe de drainage
  • 109. VI. Notion d’AQUIFERE et de NAPPE Caractéristique des nappes Carte piézométrique: Interprétation Ecoulement divergent qui matérialise une crête piézométrique et caractérise souvent une zone d’apport par infiltration Dépression piézométrique: ponction dans la nappe par pompage ou par fuite vers un aquifère sous-jacent
  • 110. VI. Notion d’AQUIFERE et de NAPPE Caractéristique des nappes Carte piézométrique: Interprétation Dôme piézométrique qui correspond à des aires privilégiés d’infiltration
  • 111. VI. Notion d’AQUIFERE et de NAPPE Caractéristique des nappes Carte piézométrique: Interprétation Module d’espacement Gradient hydraulique Conductivité hydraulique Décroit (resserrement) croit Décroit Croit (élargissement) décroit croit
  • 112. VI. Notion d’AQUIFERE et de NAPPE Caractéristique des nappes Transmissivité Quantité d'eau qui peut être transmise horizontalement par l'épaisseur saturée totale de la roche par unité de largeur et sous l'effet d'un gradient égal à l'unité. aquifère captif T = K b K = coefficient de perméabilité, b = épaisseur  aquifère à nappe libre T = K e e = épaisseur mouillée qui varie en fonction du temps
  • 113. VI. Notion d’AQUIFERE et de NAPPE Caractéristique des nappes Transmissivité
  • 114. VI. Notion d’AQUIFERE et de NAPPE Caractéristique des nappes Coefficient d’emmagasinement Nombre sans dimension, noté S est le rapport du volume d’eau libéré ou emmagasiné par unité de surface de l’aquifère (un mètre carré), à la variation la charge hydraulique ∆h.
  • 115. VI. Notion d’AQUIFERE et de NAPPE Caractéristique des nappes  Emmagasinement spécifique  Noté Ss , exprimé en unité de volume d’eau libéré ou emmagasiné par unité de volume de l’aquifère (1 m3) sous l’action d’une variation unitaire de charge hydraulique, ∆h. S = Ss *b S = coefficient d’emmagasinement de l’aquifère Ss = son coefficient d’emmagasinement spécifique b = son épaisseur
  • 116. VI. Notion d’AQUIFERE et de NAPPE Caractéristique des nappes Coefficient d’emmagasinement Nappe libre: Volume d’eau libéré et qui correspond à la porosité efficace  Nappe captive: La variation en plus ou en moins du niveau de la nappe qui permet de définir le coefficient d’emmagasinement dépend de phénomènes plus complexes
  • 117. VI. Notion d’AQUIFERE et de NAPPE Caractéristique des nappes Coefficient d’emmagasinement : nappe captive  stockage ou libération du volume d’eau en fonction de la porosité efficace  compression ou décompression de l’eau de la nappe fonction du coefficient compressibilité de l’eau qui est très faible  compression ou décompression du milieu aquifère qui dépend du coefficient de compressibilité de la matrice poreuse et du coefficient de compressibilité des grains
  • 118. VI. Notion d’AQUIFERE et de NAPPE Caractéristique des nappes Valeurs de Coefficient d’emmagasinement : Nappes libres Nappes captives 0,01 < S < 0,2 0,0001 < S < 0,001