Diapositive 1

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Troisième partie L'eau dans les roches et dans
les dépôts meubles
La répartition et l'écoulement de l'eau
souterraine
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Origine des eaux souterraines

• Les eaux souterraines proviennent essentiellement
  de l'infiltration dans un terrain des eaux de
  latmosphère et de lhydrosphère
  précipitations, eau des lacs, des océans et des
  cours deau.
• Les magmas sont la seule source deau neuve ou
  juvénile. La fusion partielle des roches du
  manteau ou de la croûte libère leau incorporée
  aux minéraux.
• La vitesse dinfiltration varie de 1 mètre par an
  dans la craie à quelques mètres par heure dans un
  karst (les conduits de dissolution dans un massif
  calcaire).

Eau souterraine qui sort dune falaise de grès
(Gaspésie)
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Un aquifère eau-porteur
Adaptation dune image de Ressources naturelles
Canada, Géopanorama du Canada
http//geoscape.nrcan.gc.ca/

• Un aquifère est une formation rocheuse poreuse et
  perméable capable demmagasiner et de fournir une
  quantité appréciable deau souterraine. Cest un
  contenant.
• La partie dun aquifère où les pores et les
  fractures sont totalement occupées par leau
  forme la zone saturée de laquifère. Dans la zone
  non saturée les pores et les fractures
  contiennent de lair et de leau.
• Leau de la zone saturée dun aquifère, eau
  capable de sécouler et quon peut capter, forme
  une nappe deau.

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La porosité

• La porosité désigne létat dune roche qui
  possède des ouvertures (des vides). Cest dans ce
  sens quon parle de porosité primaire, celle due
  aux pores qui se forment au moment de la
  naissance de la roche, et de porosité secondaire,
  celle due aux fractures qui apparaissent dans la
  roche au cours de sa vie.
• La porosité désigne aussi une série de paramètres
  n qui mesurent linfluence de ces ouvertures
  sur leau que peut contenir une roche. Dans tous
  les cas
• Nous naborderons pas le problème de savoir
  comment on mesure en laboratoire les divers
  paramètres n.

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• Le n le plus simple est obtenu en utilisant le
  volume de tous les vides de la roche. Cest la
  porosité totale.
• La porosité totale nest que de quelques dans
  une roche cristalline saine, comme un granite non
  fracturé. Elle peut monter à plus de 50 dans un
  dépôt meuble dargile.
• La porosité totale dun dépôt de sable et de
  gravier se situe entre 25 et 40 . Sa valeur
  dépend de la forme des particules, de la
  granulométrie et du tassement.

• Notamment, une granulométrie échelonnée (étalée)
  et un bon mélange des particules donne des
  porosités plus faibles quune granulométrie
  uniforme (serrée).

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Ce massif rocheux a acquis au fil du temps une
forte porosité secondaire (Cabo Espichel,
Portugal).
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Question

• Quel avantage tire-t-on dans le cas dun béton de
  ciment à utiliser des granulats dont la
  granulométrie est échelonnée ?

Réponse Une granulométrie échelonnée laisse
moins de vides et exige une plus petite quantité
de pâte de ciment. Comme le ciment est beaucoup
plus cher que les agrégats, on économise beaucoup
dargent. Un excès de ciment donne aussi un
béton dont la surface se fendille excessivement
et qui se dégrade plus rapidement.
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Une nappe libre ou captive

• Une nappe est libre si elle se trouve dans un
  aquifère qui a une zone non saturée et que sa
  surface peut monter et descendre librement en
  fonction des entrées et des sorties deau.
• Une nappe libre superficielle, quon peut donc
  exploiter avec un puits simple, est dite
  phréatique (du grec puits ).
• Une nappe est captive si elle se trouve dans un
  aquifère entièrement saturé recouvert partout, à
  lexception de son aire dalimentation, par une
  formation de faible perméabilité.

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Une nappe perchée

• Imaginez un grand aquifère qui possède une zone
  non saturée. Une formation imperméable peut créer
  un second aquifère dans cette zone. La nappe
  libre qui occupe ce second aquifère (de temps à
  autre) est une nappe perchée.

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La frange capillaire

• La surface dune nappe captive est bien définie,
  la nappe se terminant au contact de la couverture
  de faible perméabilité (du plafond du contenant).
• La surface dune nappe libre est moins nette
  parce que leau monte plus haut que la nappe par
  capillarité (le nom vient du fait quon a dabord
  étudié cet effet dans des tubes fins comme des
  cheveux).
• La transition de la zone saturée à la zone non
  saturée se fait donc sur une certaine épaisseur,
  la frange capillaire.

Frange dun tube de carton trempant dans leau
Zone saturée
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• En pratique, on peut trouver la surface libre de
  la nappe en creusant un trou jusquà la nappe,
  cest-à-dire en enlevant les pores et les
  fissures où leau monte par capillarité. Le
  niveau de leau dans le trou nous indique le
  sommet de la nappe.
• Leau de la frange a un comportement très
  différent de celle de la nappe parce quelle est
  en quelque sorte suspendue à la roche. Notamment,
  elle ne peut pas sécouler comme leau dune
  nappe ou être captée par un puits.

Aquifère
Zone non saturée
frange
Surface libre
Zone saturée
nappe
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Infiltration des précipitations

• Leau de pluie ou leau de fonte de la neige se
  répartit en eau de ruissellement qui participe à
  lécoulement de surface et en eau dinfiltration
  qui pénètre dans les pores et les fractures du
  terrain.
• Dans les premières dizaines de centimètres du
  terrain, cette eau dinfiltration est retournée
  en tout ou en partie à latmosphère par
  évaporation et par transpiration des plantes. En
  France, lévapo-transpiration correspond en
  moyenne aux 3/5 des précipitations.

Image tirée de Leau souterraine, Les cahiers de
lAgence de lEau Artois-Picardie.
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• Leau dinfiltration qui franchit la zone
  dévapotranspiration rencontre un second obstacle
  à sa descente dans le terrain. Elle colle aux
  particules dhumus et dargile (et à divers
  autres minéraux) par adsorption elle se fait
  piéger dans les petits espaces vides par
  capillarité. Cest le phénomène de rétention dont
  nous avons déjà parlé.
• Quand linfiltration amène une quantité deau qui
  dépasse le volume deau de rétention, la force
  dattraction de la Terre peut alors attirer leau
  non retenue en profondeur. Cette eau mobile qui
  sinfiltre par gravité est appelée eau
  gravitaire.

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(No Transcript)
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Question

• Lété, après une période de sécheresse, une
  petite pluie narrive pas en général à alimenter
  la nappe deau dun terrain comme elle le fait
  habituellement. Pourquoi ?

Réponse Leau de rétention ne peut pas
ségoutter, mais elle peut sévaporer. Lair sec
qui circule dans le terrain durant la sécheresse
diminue la quantité deau de rétention qui se
trouve dans le terrain. La première petite pluie
doit refaire la réserve deau de rétention avant
que de leau gravitaire puisse alimenter la nappe
deau.
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La porosité efficace ne

• Leau gravitaire est leau mobile dun aquifère,
  celle qui sort par les sources et les puits. On
  peut lextraire dun échantillon initialement
  saturé par simple égouttage (figure ci-contre),
  cest-à-dire en laissant agir lattraction de la
  Terre.
• La porosité efficace ne dune roche nous dit
  combien elle peut contenir deau gravitaire
• La porosité efficace dun dépôt dargile ayant
  une porosité totale de 50 nest possiblement
  que de quelques parce que leau est retenue par
  les très fines particules. La rétention étant
  moins importante, la porosité efficace dun dépôt
  de sable ou de gravier est plus proche de sa
  porosité totale.

volume deau gravitaire
ne x 100

volume de la roche
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Lécoulement de leau souterraine

• Leau souterraine se déplace à cause de
  lattraction de la Terre et elle sécoule
  toujours de façon à perdre de la hauteur.
• Comme le montre la figure, il existe deux types
  de différence de hauteur qui font sécouler leau
  dun réservoir A vers un réservoir B (tant que
  les niveaux deau sont différents). La différence
  de hauteur deau crée une différence de
  pression entre les 2 bouts du tuyau rouge.

Différence de hauteur H de leau
Même hauteur deau
A
A
B
Différence de hauteur z du fond
Même hauteur du fond
B
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La pression

• La pression est la force par m2 que leau exerce
  sur les parois dun réservoir comme celui de
  droite.
• Cette force résulte du fait quun morceau deau
  doit supporter le poids des morceaux deau situés
  au-dessus de lui dans le réservoir et celui dune
  colonne dair montant jusquau sommet de
  latmosphère.
• Puisque leau résiste à lécrasement, comme les
  ressorts utilisés pour la représenter sur la
  figure, la charge verticale quelle supporte
  lamène à pousser sur les parois du réservoir.
• À la surface de leau, la pression résulte du
  seul poids de lair, puis elle augmente avec la
  profondeur.

Colonne dair
pression atmosphérique
morceau deau
pression croissante
morceau deau
morceau deau
morceau deau
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• Lexemple ci-dessous devrait vous convaincre que,
  pour un réservoir ouvert sur latmosphère
  (surface libre), la pression ne dépend que de la
  profondeur et pas du tout de la forme du
  réservoir.

air
air
Surface libre
pression atmosphérique
La pression ne dépend que de la profondeur H
depuis la surface libre
équivalent à
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La pression dans une nappe

• La complexité du réservoir nayant pas
  dimportance, la discussion précédente sapplique
  à une nappe deau qui occupe un réseau de
  fractures et de pores dans un terrain. Si leau
  est stagnante (immobile) comme dans la
  discussion.
• Elle sapplique à une nappe libre malgré sa
  frange capillaire. En effet, leau de la frange
  ne pèse pas sur leau de la nappe.
• Elle sapplique aussi à une nappe captive
  puisquelle a nécessairement en quelque part une
  aire dalimentation ouverte sur latmosphère.

Aire dalimentation
aquifère
surface libre pression atmosphérique
H
Nappe stagnante
La pression dépasse la pression atmosphérique et
ne dépend que de H
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• Si leau de la nappe est en mouvement, cela ne
  change rien à la surface libre. Comme celle-ci
  est en contact avec latmosphère (par le réseau
  de fractures et de pores du terrain), la pression
  reste la pression atmosphérique.
• Le mouvement diminue cependant la pression pour
  un point P de la nappe situé sous la surface
  libre. On peut mesurer cette pression ainsi on
  enfonce un tube ouvert aux deux bouts dans le
  terrain jusquau point P on laisse leau de la
  nappe monter dans le tube et se stabiliser
  leau du tube étant stagnante, la pression est
  fixée par la profondeur H du point P depuis la
  surface de leau dans le tube. Ce tube est un
  piézomètre ( pression-mesure).

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2
P2
1
P1
Principe du piézomètre. La pression dans leau en
mouvement, aux points P, est fixée par la
profondeur H de leau dans chaque piézomètre.
Leau du tube agit comme un bouchon, son poids
équilibrant la poussée vers le haut créée par la
pression qui existe à lextrémité inférieure du
tube.
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Question

• Pour faire des mesures précises le tube dun
  piézomètre doit avoir un diamètre qui dépasse 1
  cm. Quel est la source derreur si le tube est
  plus fin ?

Réponse Avec un tube fin la force capillaire
fait grimper leau dans le tube plus haut que la
hauteur nécessaire pour créer la pression quon
cherche à mesurer. Plus le tube est fin et plus
lerreur est grande.
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La charge hydraulique h

• La charge hydraulique h en un point P dune nappe
  combine les deux hauteurs évoquées précédemment.
  Leau de la nappe sécoule dun point P1 vers un
  point P2 seulement si elle perd ainsi de la
  charge hydraulique.
• h z H où z est laltitude du point P mesurée
  depuis une référence quelconque et H est la
  profondeur de leau dans un piézomètre enfoncé
  jusquau point P. Si on préfère, h est laltitude
  de la surface de leau dans le piézomètre.
• Dans une nappe stagnante, la surface libre est
  horizontale et leau dans un piézomètre se
  stabilise à cette hauteur. La figure montre que
  cela donne la même charge hydraulique partout.
  Cela est normal puisque leau ne bouge pas.

H2
surface libre
contenant rempli de sable
H1
h z1H1 z2H2
z2
z1
référence (z0)
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• Puisque la pression est partout atmosphérique à
  la surface dune nappe libre (H 0), cette
  surface doit pencher dans le sens de lécoulement
  pour que z (et donc h) diminue.
• Dans le cas dune nappe captive, cest la surface
  de leau dans une série de piézomètres qui doit
  pencher dans le sens de lécoulement.

nappe libre
nappe captive
h3
h1z1 h2z2
h2
h1
référence (z0)
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Question

• On remarque sur une image utilisée plus tôt que
  la nappe libre est rabattue (enfoncée) autour
  dun puits qui en tire activement de leau.
  Pourquoi cet enfoncement est-il nécessaire ?

Réponse Le puits étant actif, leau sécoule
vers lui (flèches blanches). Or, leau ne
sécoule que si cela lui fait perdre de la charge
hydraulique. Comme leau de surface ne peut pas
perdre de profondeur (H0), elle doit perdre de
laltitude z en direction du puits.
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La surface piézométrique

• Nous venons de voir que leau dune nappe
  sécoule dans la direction où sa surface libre
  réelle ou équivalente (dans des piézomètres)
  penche.
• On parle de surface piézométrique. Pour une nappe
  libre, cest simplement la surface de leau de la
  nappe. Pour une nappe captive, cest la surface
  de leau dans une série de piézomètres enfoncés
  jusquà la surface de la nappe.
• Leau de la partie captive dune nappe est située
  en profondeur (par rapport à laire
  dalimentation) et sa pression dépasse toujours
  la pression atmosphérique. Elle va donc monter
  dans un piézomètre. La surface piézométrique de
  la partie captive dune nappe se trouve donc
  toujours plus haut que le plafond sur lequel bute
  leau.

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Dans cet exemple, on a une nappe captive où leau
stagne. La surface libre dans laire
dalimentation est horizontale et la pression
dans leau est fixée par la profondeur sous cette
surface. En suivant le plafond de la partie
captive, chaque diminution daltitude z est
exactement compensée par une augmentation de
profondeur H. Cest ainsi que la surface
piézométrique reste partout horizontale (pas
découlement) et au-dessus du plafond.
aire dalimentation
plafond
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Dans cet exemple, leau de laquifère se déplace
de droite à gauche. La surface piézométrique doit
donc monter progressivement vers la droite. Elle
suit dabord la surface libre de la nappe. On
pourrait trouver sa position en creusant des
trous et en observant le niveau des mares deau.
Le plafond de la partie captive ayant une
altitude constante, cest par une augmentation
progressive de la pression vers la droite que la
charge hydraulique poursuit sa montée et que la
surface piézométrique passe au-dessus du plafond.
plafond
surface libre
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Une nappe artésienne

• On appelle artésienne (du nom de la région
  dArtois en France) une nappe captive dont la
  surface piézométrique passe au-dessus du niveau
  du sol en certains endroits.
• Leau jaillit toute seule dun puits creusé à
  lun de ces endroits puisquelle devrait monter
  jusquà la surface piézométrique pour réussir à
  équilibrer la pression qui la pousse vers le
  haut. On a un puits sans pompage, un puits
  artésien.

puits artésien