Malou, R.

Saos, Jean-Luc

Horizon / Pleins textes

~<Ii
CORAF
r
c
s
[I!!!i!J
Atelier de Formation aux Techniques
d'Etude de l'eau dans le système
Sol - Plante - Atmosphère
Mbour, 30 Novembre - 10 Décembre 1992
ELEMENTS D'HYDRODYNAMIQUE DE
L'EAU DANS LA ZONE SATUREE
J_L_ SAOS et R_ MALOU
ELEMENTS D'HYDRODYNAMIQUE DE L'EAU DANS LA ZONE SATCREE
(l.L. SAOS * ET R. MALOU **)
* Chargé de recherche - ORSTOM - Dakar - Sénégal.
** Assistant - Département de Géologie -UeAD - Sénégal.
2
I- NOTION DE BASSIN HYDROGEOLOGIQUE
Le transit de l'eau dans dans le sol et le sous sol est une étape
importante du cycle global de l'eau. Le réservoir souterrain est, en
dehors des océans et des glaciers, le plus important. Il stocke,
environ, 40 % de l'eau douce à l'échelle planétaire(UNESCO. 1978).
Le bassin hydrogéologique est (fig. 1), le prolongement
souterrain du bassin hydrologique et correspond, en général, au
basin sédimentaire. Il est constitué d'un ou de plusieurs aquifères.
11- ORIGINE DES EAUX SOUTERRAINES
L'eau du sol et du sous-sol provient des précipitations (P en
mm) qui, après avoir fait l'objet de reprises évaporatoires (EP en
mm), parviennent à la surface du sol. Cette quantité d'eau
précipitée, appelée pluie efficace est alors répartie en deux
fractions: le ruissellement (R) qui alimente l'écoulement de surface
et l'infiltration qui franchie la surface du sol.
Une partie de cette lame infiltrée est reprise par
l'évapotranspiration (ETP), la fraction résiduaire, lE, appelée
infiltration efficace, alimente l'écoulement souterrain (Qœ ). Elle
rejoindra, à plus ou moins long terme, l'écoulement total (QT) (fig.
1) .
CJ
:t>
sn
sn
I~
II~
1-< (fl
10 sn
:::tlZ
OI
ï-<
o~
,,0
o
-m
.00Co
mG)
s
C
m
AQUIFERE
===
BILAN DU BASSIN HYDROLOGIQUE
P - ETR: PE . PE = QT
(exprimes en debits)
Figure 1 . Troi~ domaines d 'espace identifie~t trois systèmes hydrologiques emboîtés
de gr~n~e.urs.decr~lSsantes.: bassin hyd~ol~gJ.qu~. bassin hydrogéologique et aquifère.
P. pre~lJ?ltatIO~~ • ETR. evapotranSpU'l~tlOn reelle. ; PE, .précipitations efficaces ;
QT•.débit de 1~coulement t?t~l mes~.re à la station de Jaugeage de l'exutoire du~assln hydrologique ; QS. ?~blt de.1 ecoulement de .surface ; 1. infiltration ; ts.
inflttration efficace; QW, débit de l'ecoulement souterrain.
:1) RESERVOIR
(j4\~omai"e~ !.l!!.!~
~J c or-o i c rcns aUll Ilm,tU
L'EAU
-
"~
/JI
~
z
'"~ 1»
()--I-.....~-I ~ ~
:l 030.
",'1»
c..
E
1
S(jr'tact! plézomêtrlQue
cal a
3) SEQUENCE
z
o
MODELE
~ ~ J1)PROCESSUS
~ §!1- t..~_:,~ !@ structure
;, ~ 1 ~.~ ; 1N TER NES0. ~ 1 - ,..-------------------
E C /~~rface du substratum
.- Cl "
Figure 2 - Schéma d'identification du système aquifère.
B Il AN DE l' AOUIFÈRE: IE=QW±..lW
Figure J - Le réservoir de l'aquifère remplit trois fonctions vis-à-vis de l'eau
souterraine : 1, réservoir (capacitive), 2, conduite (conductrice) et 3, échanges
phYsico-chimiques (interactions eau/roche).
3111- NOTION D'AQUIFERE
Un aquifère est une formation hydrogéologique perméable
permettant l'écoulement significatif d'une nappe d'eau souterraine
et le captage de quantités d'eau appréciables par des moyens
économiques. Il s'agit d'un système hydrologique et
hydrodynamique identifiable (fig. 2) par:
- un réservoir (1), domaine d'espace fini, caractérisé par ses
conditions aux limites et ses dimensions ou configuration (A) et par
son organisation interne ou structure (B):
des processus internes ou mécanismes (2)
hydrodynamiques, hydrochimiques et hydrobiologiques entraînant
le stockage, la conduite et les échanges géochimiques de l'eau (fig.
3) ;
une séquence du cycle de l'eau,
l'en vironnemen t et caractérisé par le couple
exprimé par une relation ou fonction de transfert
interaction avec
impulsion/ré ponse
(fig. 4):
- la variabilité dans l'espace de ces caractéristiques;
des conditions de temps, toutes les mesures des
caractéristiques étant rapportées à une date (état initial) ou à une
durée moyenne (variabilité des caractéristiaues dans le temps),
I-~
'------
_____~\ -;0';:-
de_
lL toncDonde bPE 1 ~ ït t
,mpulsoon par loi de convoIullC)n
PE d'une aw:Be
CD COMPORTEMENT HYDRODYNAMIQUE
inlè<aCt>005
eau infittrabon gOocIl,m_
... ___ne
eau/milieu
\il COMPORTEMENT HYDROGÉOCHIMIOUE
outoepunIbDf'l
1
-. eprie
... poAuee ~
CV COMPORTEMENT HYDROBIOLOGIOUE
Fig e 4 _L'aquifère séquence de l'écoulement de l'eau dans le bassin hydrogéolo-gi~~: présente trois ~omportements, en réponse a.ux i~f1uences de son environne-
~,_,' "',.' '~""""""';11ue h vd rochi m ia ue et hydrobiologiq ue.
4IV- AQUIFERES ET STOCKAGE DEL'EAU SOUTERRAINE
L'aquifère est un complexe de deux constituants en
interactions: le réservoir et l'eau souterraine. La fonction principale
du réservoir est l'emmagasinement qui règle le stockage et la
libération de l'eau gravitaire. Cette fonction est déterminée par les
caractéristiques physico-chimiques du réservoir (morphologie et
interconnexion des vides):
- la morphologie des pores et milieux poreux: la dimension
des pores est directement liée à celle des grains du réservoir;
interconnexion des pores et milieu continu: la
communication des pores permet le déplacement des particules
d'eau selon des trajectoires plus ou moins compliquées (tortuosité
des trajectoires).
morphologie des fissures et milieu fissuré: micro et
macrofissures, fentes plus ou moins allongées issues d'un processus
purement mécanique.
En fonction de ces caractéristiques, les réservoirs se classent
en deux grandes catégories:
- Les réservoirs poreux, constitués de roches meubles, non
consolidées (fig. 5);
- les réservoirs fissurés, constitués de roches compactes,
consolidées (fig. 6).
}I lU0-
-'
0j :J~ IIIIII
",.J:l Cl.ClIO a:E 0E u
eau Souterraine "mobile
NAPPE 0' EAU SOUTERRAINE
Figure 5 - L'aquifère. est un complexe physico-<:himique unique de deux consti-
tuants ou phases: le reservoir et l'eau souterraine dont la fraction mobile constitue
la nappe d'eau souterraine,
..
.5
o
®
__ 3
__ b
Figure 6 - Microfissures et macrofissures des roches compactes. Milieu fissuré.
Formation hydrogéologique perméable carbonatée fissurée de la craie supérieure du
bassin de Paris.
l , bloc diagramme d'un grand volume d'aquifère ; 2, échantillon montrant trois
grandes familles de microfissures (diaclases) identifiées par l'étude statistique des
affleurements: a, fissures subverticaJes ; b, fissures obliques aquifères.
f
5Les paramètres du complexe eau/réservoir sont mesurés en
laboratoire et sur le terrain par la détermination de la porosité
efficace et les pompages d'essai:
- La porosité (n) est le rapport du volume des vides (vv) au
volume total de la roche (vt ) :
- La porosité efficace (ne) 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 (vt)
(fig. 7):
- L'emmagasinement: le coefficient d'emmagasinernent (S) se
détermine sur le terrain par des pompages d'essai. Il se définit
comme étant le rapport du volume d'eau libéré ou emmagasiné, par
unité de surface de l'aquifère (m2), à la variation de charge
hydraulique (ôh) correspondante. Dans une nappe à surface libre le
coefficient d'emmagasinement est égal, en pratique à la porosité
efficace, ce qui n'est pas le cas pour une nappe captive où il lui est
10 à 100 fois plus inférieur.
CD
w
c
, -J
o
(/)
air
.m='Vr
TT
1 IIlt
1 ~\==: ~~:ffi
1 :>'il
-l III
:>1' ~l
Cl'
~~
s at uré non saturé sec
rmm;:rmmn eau - mNIl V~....gravitaire ~ \ v
Ve
----=--=ne e
Vt
Figure 7 - Schéma des trois états d'un échantillon de sous-sol montrant les types
d'eau souterraine présents dans les vides du réservoir. Dèfinition de la porosité
efficace, ne et de la teneur et eau 6. Ve et ~Ve ,volumes d'eau gravitaire ; Vr, volume
d'eau de rétention; Vs. volume de la phase solide; Vr• volume total de l'échantillon.
6- Le niveau piézométrique (H, en m)
Le niveau piézométrique est l'altitude, en m, du plan d'eau
par rapport au niveau de référence géographique (niveau marin). Il
est mesuré par différence entre la cote du sol (z en m) et la
profondeur du plan d'eau en équilibre naturel dans un ouvrage.
H = z - Hp
Pour une source c'est l'altitude de l'émergence naturelle
H=z
Pour une nappe artésienne elle est égale à la cote (z) du sol
plus l'élevation du niveau d'eau au-dessus du sol.
- La charge hydraulique est le poids de la colonne d'eau au-
dessus du niveau de référence. C'est l'énergie par unité de poids.
- Le potentiel hydraulique est l'énergie exigée pour porter
l'unité de masse au-dessus du niveau de référence.
Ces trois paramètres sont assimilable, par convention, étant
donné la précision des mesures, au niveau piézométrique.
- Le gradient hydraulique est la différence de niveau entre
deux points de la surface piézométrique, par unité de longueur le
long d'une ligne de courant.
v-AQUIFERE ET ECOULEMENT DE L'EAU SOUTERRAINE
En hydrodynamique souterraine, l'écoulement est le
déplacement de particules d'eau le long de trajectoires théoriques
matérialisées par les lignes de courant, encore appelées lignes de
flux ou filets liquides.
La perpendiculaire aux lignes de courant successives est la
ligne équipotentielle. C'est la ligne d'égal potentiel hydraulique,
TT-~= =i=k~
HII-+l==~~~~~J· ot
COUPE VERTICALE AB
..
..
~
"o..
..
C
III
..
"0
equi potentiel les
1 1
1 .. !
~I
1
1
:4 module
lignes
-,
•
..
..
A
!Il - - __---:.i----+_-+-+q4-Je
q,
~-----...;....---...;....-_-1
PLA N
Figure 8 - Réseau d'écoulement. Aquifère à nappe libre alimentant une source de
déversement. Equidistance et module d'espacement des courbes hydroisohypses.
niveau constant
o
" ::>
E ~I:>" ~ -'0 c :>3 '" <li" ~ ..:- 1 .. '0
:;": '0 c
'0 C
>- 0 ~ .=.
"
-Y·' s: u
l '00 '" h=H
.. 0- :>
.c L c
'"<li :> c 3 ..... E 'C0 0 <li >-
..
.0 u U ... s:
'"'0 ::> ~ >-
," 'C .. s: ..
"
c ..
c
L
'0
" ~c . ::> C>
0 c
'"
...
... ~
0 '00 C> s: :> '"
u
. ~..
0' u ~ .c 0u a.
Q=KA.lL
1
SECT la N
TOTALE
~ volume d'eau
Figure 9 • Expérience de 0 S hé d d'
filtration est calculée avec la ::~tYl'O'n ctoetmalea. Ut' .1Spositif expérimental. La vitesse de
• In eneure du tube,
assimilable à une ligne
piézométrique (fig. 8).
7
d'égale charge ou d'égal niveau
La fonction conduite du réservoir permet le transport des
quantités d'eau et la transmission d'influence. Elle est imposée par
la structure de l'aquifère (paramètres géométriques et
hydrodynamiques).
La loi de Darcy, établie expérimentalement (fig. 9), est à la
base de l'hydrodynamique souterraine. Elle montre que le volume
d'eau (Q, en m3), filtrant de haut en bas, dans une colonne de sable
de hauteur, l, (en m), à travers la section totale, A, (en m2),
perpendiculaire à la direction verticale d'écoulement, est une
fonction d'un coefficient de proportionnalité K (en mis),
caractéristique du sable et de la perte de charge h/I (sans
dimension), par unité de longueur du cylindre de sable:
Q (m2) == K (mis) . A (m2) . h/1
Le paramètre (K) est le coefficient de perméabilité;
le quotient de la charge (h) par la longueur (1) de la colonne
de sable ou perte de charge par unité de longueur (h/I) est appelé
le gradient hydraulique, i, sans dimensions).
Q == K. A. i
L'expression. Q/A (en mis) noté q, en mis est le débit
unitaire. Il est égal au produit du coefficient de perméabilité au
gradient hydraulique
q== K. i
Il est l'équivalent de la vitesse de filtration, V, (en mis),
rapportée à la section totale (A en m2):
v = q = QIA = K. i
L'application sur le terrain de loi de Darcy donne le schéma
(fig. 10) de l'écoulement latéral de la nappe qui s'écrit:
q == - K. (hl- h2)/1 = - K. ôh/1 =K. i
8~ 1 T"". "-2
<, ~ plezométrlque
0"
~ 1·..,., .:," ::.,
'" }"'~ K o~' >":'g"o:":~
;,.)~;.-•...•.,,':o· ... ~l_
_ O. ~.__ ~.'!.:...:..o."~~_. . __~
p r a n fixe de reference
Q=KA~ = KA~
l l
jFigure 10 -,Dispositif d~ laboratoire avec écoulement latéral représentatif de l'écou-ement de 1eau souterraine dans l'aquifère.
VI- PRINCIPAUX TYPES DE NAPPES D'EAU SOUTERRAINE
La nappe désigne l'eau contenue dans son
évoque la notion de continuité de l'eau dans
hydrogéologique (un aquifère).
gisement. Elle
une formation
Il existe trois types de nappes définies par la nature de la
limite supérieure de la formation aquifère:
- Nappe libre
La limite supérieure (fig. Il) est constituée par un niveau
hydrodynamique, lieu de tous les points constituant la hauteur de
l'eau dans l'aquifère et appelé surface piézométrique. Elle est en
contact avec l'atmosphère (zone non saturée) et se déplace
verticalement en fonction de l'exploitation ou de l'écoulement
souterrain.
- Nappe captive
La limite supérieure (fig. 12) est constituée par une formation
géologique imperméable appelée toit de l'aquifère. L'eau de la
nappe est sous pression entre deux formations imperméables (le
substratum ou mur et le toit de l'aquifère).
~ b z..
fi
fi
..
a.
...
-
H=Z-h p
Figure 11 - Schéma de l'aquifère à nappe libre. Mesure du niveau piézométrique.
,
i~
ë
;;
..
....r~ ..'" ...... _01
... , ....... Q',,~
-~.~...:..:..:.:..:..=.~~­
surface piezométrique
Ù'
'1 1· .... •..~ .. aQÙ if èr e: 1 1 H E
:: e il 1 :;: :;:L~l~~_ 5 u..~,~ t.r,:'\:~..r:....... ë q_••
H=z.h z
- Schéma de l'aquifère à nappe captive. Mesure du niveau piézornétrique.Figure 12
o
....................,......i....
.-.:: ~I:~.. .;: ::;.' ,'.::
b ~a.qui.fèrè(à~·..ria.pp.e::1 ...
o subStratum
--------------.~t_
Figure 13 - Drainance et aquifère multicouche (bicouche). La drainance exige deux
conditions : présence d'une formation hydrogéologique semi-perméable et diffé-
rence de charge.ë h.
9- Nappe semi-captive ou à drainance
Le toit de l'aquifère est constitué par une formation serni-
perméable permettant, dans certaines conditions hydrodynamiques
(différence de charge), des échanges d'eau ou de pression avec un
aquifère supérieur ou sous-jacent (fig. 13).
VII- ETUDE DES VARIATIONS PIEZOMETRIQUES
La surface piézométrique des nappes présente, en fonction du
temps, des fluctuations de niveau qui sont de deux ordres:
naturelles et artificielles.
Les variations naturelles sont essentiellement dues aux
précipitations, de concert avec l'évapotranspiration. Les fluctuations
induites sont cycliques (saisonnières et même séculaires).
Les variations accidentelles ont des causes di verses
(tremblement de terre, ébranlement, tassement, effondrement etc).
Les variations artificielles sont souvent le fait d'actions
anthropiques (aménagements, exploitations abusives).
Nous n'insisterons que sur l'influence conj uguée des
précipitations est de l'évapotranspiration, facteurs essentiels du
bilan hydrologique des nappes superficielles dans les conditions
climatiques actuelles de la zone tropicale sèche.
- Influence des précipitations et de l'évapotranspiration
Les précipitations, lorsqu'elles sont suffisantes, provoquent
l'existence d'infiltrations efficaces, qui alimentent les nappes d'eau
souterraine. En zone tropicale, la périodicité saisonnière des
précipitations entraîne, avec un retard, dû au temps de percolation
et fonction, essentiellement, de la profondeur de la nappe et de la
perméabilité du substratum géologique, celle de l'hydrologie des
nappes. La recharge saisonnière relève la surface piézométrique au
cours de la saison humide. Au cours de la saison sèche qui suit, se
1/8/88
1500
1/8/89 1/8/90
, 2480
~~
1
~
4500 ,
\ La5500
6500
6360
-
2500
3500
N5
(mm)
10
produit le processus inverse, sous l'effet de l'évapotranspiration
(fig. 14).
L'hydrodynamique des nappes superficielles reste dominée
par des mouvements verticaux, de recharge et de décharge
piézométriq ue (fig. 15)
-
.'
·
,
·
·
· ,: ~ .
· . ,"
1 1 .'1 • I"
AJ alQ}
•....--~~.~..~.~~~0"8TT8t~~_~~~~T:" l ','.':','.'. :. : :.:.:.: -:
.: : ::::::: .:: : ::::::::: : :::::::
'f t""",
:. ~~
.'.',',
,','.',
:::::::
':',','
','.','
'.'.','.......
:::::::
:.:.:.:
,'.',',
..... '.
Figure 15 : éléments du bilan hydrique en
Basse Casamance.
ETR: évapotranspiratton réelle; 100: infiltration efficace; .11: écoulement hypodermique; P:
précipitations; Q: écoulement global; R: ruissellement direct; ZNS: zone non saturée; ZS: Zone
saturée.


Atelier de formation aux techniques d'étude de l'eau dans le système sol plante atmosphère

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

Horizon / Pleins textes