gille - géol cours II hydrologie étudiants

re ann é IUT GB 1è ère ée e

G Gé é ologie ologie – – hydrologie

Introduction : des notions de géologie pour comprendre l’environnement la notion de milieu naturel, naturel, l’environne l’environnement ment et l’eau, agent agent à l’interface l’interface lithosphère lithosphère - atmosphèr atmosphèree - biosphère biosphère

I Eléments de Géologie générale I-1 géodynamique interne

Plan de cours (8h cours , 8h TD, 1 sortie)

a - structure structure du du globe globe b - tectonique tectonique des des plaques plaques c - paléogéogr paléogéographie aphie d - orogènes orogènes et grands grands types de reliefs - régions régions stables stables - bassins bassins sédimentair sédimentaires es – régions régions instables instables

I-2 les roches a - la litholo lithologie gie b - les types de roches : les roches éruptives, sédimentaires, sédimentaires, métamorphiques métamorphiques

I-3 l’approche géologique a - stratigraphie stratigraphie – les divisions divisions géolog géologiques iques –– dates des des grands grands orogènes orogènes b - tecton tectonique ique : pendage pendage – structures structures tabulaires tabulaires et monoclina monoclinales– les– structure structure faillée – structure structure plissée plissée

II Eléments d’hydrologie II-1 la rivière a – bassin versant versant et réseau hydrographique b – données hydrologiques hydrologiques , régime hydrologique hydrologique , bilan hydrologique

II-2 l’hydrosphère a – l’inventaire l’inventaire de l’eau l’eau b – cycle cycle de l’ea l’eau u

II-3 l’eau dans le sol a – porosi porosité té - textur texturee et et struc structure ture b – perméa perméabili bilité té - circul circulatio ation n de l’eau l’eau c - le profil profil hydrique hydrique d’un sol sol

II-4 l’eau souterraine : notions d’hydrogéologie a - aquifères aquifères types de porosi porosité té et de perméabilité perméabilité – cas particu particuliers liers des des calcaire calcairess b - nappes : zone zone saturée, piézométrie, nappe libre et nappes nappes captives c - fonctionnement des nappes , alimentation et exutoires d - qualité qualité des eaux souterrain souterraines es : qualité naturelle, naturelle, vuléra vulérabilité bilité , protection protection

Emmanuel GILLE [email protected]

II-1 la rivière

a – bassin versant versant et réseau hydrograp hydrographique hique

Les limites du bassin versant

Le bassin versant Espac Espace e drainé drainé par un cours d’eau et ses affluents

Ce sont des lignes de crêtes , sauf au droit de l’exutoire, là où elles coupent la vallée

exutoire

Lieu par où s’écoulent toutes les eaux courantes d’un bassin versant -Hydrologie Hydrologie E.Gille E.Gille

II-1 la rivière

a – bass bassin in versant versant et réseau hydrograp hydrographique hique

Géoportail-IGN

-Hydrologie Hydrologie E.Gille E.Gille

II-1 la rivière

a – bassin versant versant et réseau hydrograp hydrographique hique

Géoportail-IGN

Lièpvre

Hurst


Les grands bassins versants

II-1 la rivière

Les unit é és s

b – donné données es hydrologique hydrologiquess , régime hydrologique hydrologique

débit m 3/s 6000

Brenon Niger

5000

Moselle

Variabilité saisonnièr sa isonnièree débits (m3/s)

lame d ’eau mm 125

Brenon

Variabilité saisonnière lames d'eau (mm)

Niger 100

Moselle

4000

75 3000 2000

50 module Niger

moyenne Niger

1000

25

0

0

moyenne Moselle

moyenne Brénon

jan jan fév mar mar avr avr mai mai jun jun jul jul aoû aoû sep oct nov nov déc déc jan jan

jan fév mar mar avr avr mai jun jun jul aoû aoû sep oct nov nov déc déc jan jan

le régime hydrologique :

les variations saisonni è ères r es moyennes H d l gie ie E.Gille iee E.Gille

II-1 la rivière

b – donné données es hydrol hydrologiques ogiques

la lame d’eau équivalente, c’est l’épaisseur d’eau : L = V

le volum volume e écoulé écoulé dur durant ant t ,

A

V = Q x t ,

L

est réparti sur la surface A du bassin versant

Q = Débit moyen pendant une période t L (mm) = Q (m /s) x t (jours) x 86400 ( A (km²) x 10 6 (m²/km²) 3

Volume Vol ume éco écoulé ulé dur durant ant la période t

V = Q x t

L (mm) = Q (m /s) x t (jours) A (km²) 3

x

1000 (mm/m)

s ) x

86,4


L’équation du débit Q = P- E (+ ∆réserves) Bilan hydrologique 140

560 o p a v É

n o i t a r i p s n a r t

930

La Meuse 120

à St.Mihiel

100

) 80 m m (

c r u ue s 2 2 0

u a e60

nappes 150

40

20

0

surplus ETR Qnappes

besoins non satisf aits précipitations moisQ mesuré


G Gé é ologie ologie - - hydrologie II-1 la rivière a – bassin bassin versant versant et réseau réseau hydrogra hydrographiqu phiquee b – donnés hydrolog hydrologiques iques , phases phases hydrologiqu hydrologiques es , bilan hydrologique hydrologique

II-2 : l’hydrosphère a – l’inve l’inventai ntaire re de de l’eau l’eau b – cycl cycle e de l’ea l’eauu

Roberto Epple/ERN


II-2 : l’hydrosphère a – l’i l’inven nventair tairee de l’eau l’eau

humidité humidité atm atmosp osphér hérique ique

0,013

glaces continentales

0,001 %

28

2%

Lacs et rivières

0,23

0,02 %

1350

eaux du sous-sol et du sol

8

0,6 %

97,4 % en 10 6 km3 /an ou 1015 m3 /an (109 = 1 milliard ) -Hydrologie Hydrologie E.Gille E.Gille

II-2 : l’l’hydrosph IIhydrosphè ère a – l’inve l’inventaire ntaire de l’eau l’eau

Bilan de l’eau sur la planète terre

1386 1510m 3

Total eaux :

océans total eau continentales

eaux douces 36 1015 m 3

1350 10 15 m3 36 10 15 m3

glaces continentales eaux du sous-sol nappes nappe s souterraine souterraines s 0 à 800m nappes souterraines > 800m humidité du sol lacs et rivières étendues salées étendues d’eau douces rivières humidité at atmosphérique (2,5g/kg) eau de constitution des êtres vivants eau de constitution des minéraux

97,4 % 2,6 %

28 10 15 m3 8 10 15 m3 4 10 15 m3 4 10 15 m3 0,06 10 15 m3 0,23 10 15 m3 0,11 10 15 m3 0,12 10 15 m3 0,001 10 15 m3 0,013 10 15 m3 0,001 10 15 m3

2 % 0,6 %

100

%

77, 3 % 22 %

0,17 % 0,02 % 0,01 % 0,01 % 0,001 %

0,35 % 0,0 ,00 03 % 0,04 % 0,003 % 0,001 %

A titre de comparaison, quelques masses : soleil terre hydrosphère atmosphère Lune hydrosphère Lune

2 10 27 tonnes 6 10 21 tonnes 1,4 10 18 tonnes 5 10 15 tonnes 8 10 19 tonnes 6 10 9 tonn tonnes es

(1/4000 e de la masse de la terre) (1/300 e de la masse de l’hydrosphère) (50 fois l’hydrosphère terrestre) (à pei peine ne 1/2 1/25 5 e du lac Nasser Nasser sur le Nil ou 300 fois le lac de Madine) -Hydrologie Hydrologie E.Gille E.Gille

II-2 : l’hydrosphère b – cy cycl clee de l’l’eau eau

0,40

0,11

0,07 0,44 0,04

0,012

15 m3 /an (109 = 1 milliard) en millions de km3 /an ou 10


Le temps de séjour moyen 10 jours

9 jours

4 ans 300 ans

1350/ 0,44

(qlq (q lq jo jour urs s à X 1000 1000 an ans) s)

= 3 000 ans 15 m3 /an (109 = 1 milliard) en millions de km3 /an ou 10


400 000

1100 mm

440 000

1200 mm

40 000

100 mm

361 .1066 km² 9 m3 /an (109 = 1 milliard) en km3 /an ou 10


110 000

710 mm 70 000

460 mm 250 mm 40 000

12 000 réserves souterraines 8 000 000 10 9 m 3

149 149 .10 .1066 km² km² 9 en km3 /an ou 10 m3 /an (109 = 1 milliard)


G Gé é ologie ologie - - hydrologie

II Eléments d’hydrologie II-1 la rivière II-2 l’hydrosphère

II-3

l’eau dans le sol

a – po poro rossit itéé - te tex xtur uree et et str struc uctu ture re b – pe perm rméa éabi bili lité té - ci circ rcul ulat atio ionn de de l’e l’eau au c - le profi profill hydri hydrique que d’un sol

II-4

Roberto Epple/ERN

l’eau souterraine : notions d’hydrogéologie


II-3

l’eau dans le sol

a – po poro rosit sitéé - te text xture ure et str struc uctu ture re

La por poros osité ité du so soll

Prendre un échantillon de sol


définition

La por poros osité ité du sol sol

vides dans la roche – s’exprime en % du volume volume total de la roche porosité : part des vides vides des où l’e l’eau au est libre (gros) 2 sor sorte tess de de por poros osit itéé : - de 1) à 2) des vi - de 2) à 3) des vides qui retiennent de l’eau (petits)

1) saturation

poids à sat satura uration tion Ps : poids

2) ressuyage

Pr : poids ressuyé

Ve : volume d’eau libre

3) étuvage

Pé: poids étuvé


définitions


vides dans la roche – s’exprime en % du volume volume total de la roche porosité : part des vides permettant l’écoulement de l’eau dans la roche roche (%) -por -p oros osit itéé ef effi fica cace ce : part des vides permettant vides piégeant l’eau dans la roche (%) -por -p oros osit itéé de réte rétent ntio ionn : part des vides

1) saturation

poids à sat satura uration tion Ps : poids

2) ressuyage

Pr : poids ressuyé


3) étuvage

Pé: poids étuvé


L’agencement des grains du sol

des vides …

… des petits qui part pa rtici icipe pent nt à la rétention de l’eau :

… des gros qui permettent l’écoulement libre de l’eau :

a

m croporosité

i

m croporosité



porosité de porosité rétention

porosité totale

porosité efficace

1) saturation

poids à satu saturatio ration n Ps : poids

2) ressuyage

Pr : poids ressuyé


3) étuvage

Pé: poids étuvé




définitions vides dans la roche – s’exprime en % du volume volume total de la roche porosité : part des vides permettant l’écoulement de l’eau dans la roche roche (%) -por -p oros osit itéé ef effi fica cace ce : part des vides permettant vides piégeant l’eau dans la roche (%) -por -p oros osit itéé de réte rétent ntio ionn : part des vides capaci acité té d’u d’une ne roc roche he à lai laiss sser er circ circule ulerr l’ea l’eauu – s’e s’expr xprime ime en m/ m/ss perrmé pe méab abililit itéé : cap

Une roche roche peut-elle peut-elle avoir avoir une certaine certaine porosit porositéé et être être imperméable imperméable

?


La perm perméab éabili ilité té du sol sol

définitions La perméabilité d’un terrain :

c’estt sa c’es sa cap capac acit itéé à la lais isse serr l’e l’eau au circuler en son sein, parce qu’il possède une certaine porosité efficace. Un tel terrain est dit AQUIFÈRE

La perméabil perméabilité ité est exprim exprimée ée en m/s (comme une vitesse) : K de 10-5 m/s  une vitesse d’infiltration de 36 mm/h


Comment Com ment se prés présente ente le taux taux d’hu d’humidi midité té du sol sol à pro proxim ximité ité de la la surface surface ?

II-3

l ’ ’eau eau dans le sol

c - le profi profill hydri hydrique que d’un d’un sol sol

« les eaux courantes » s/s dir. Cosandey -Uef 11 11 gille

Le profil hydrique du sol

teneur en eau

=

(ou taux de saturation)

volume des vides en eau (%) volume total des vides

teneur en eau

porosi poro sité té de rétention porosité efficace

Remontées capillaires

profondeur

« les eaux courantes » s/s dir. Cosandey


G Gé é ologie ologie - - hydrologie II Eléments d’hydrologie II-1 la rivière a – bassin versant versant et réseau réseau hydrographique hydrographique b – données hydrologiques hydrologiques , régime hydrologique hydrologique , bilan hydrologique

II-2 l’hydrosphère a – l’inventaire l’inventaire de l’eau l’eau b – cycle cycle de l’eau l’eau

II-3 l’eau dans le sol a – porosi porosité té - texture texture et structu structure re b – perméa perméabil bilité ité - circul circulatio ation n de l’eau l’eau c - le profil profil hydrique hydrique d’un sol

II-4 l’eau souterraine : notions d’hydrogéologie a - aqu aquifèr ifères es - typ types es de de poro porosité sité et de de perm perméabi éabilité lité – cas par partic ticuli uliers ers des cal calcai caire re b - nappe nappess : zone saturée, piézométrie, piézométrie, nappe libre libre et nappes captives captives c - foncti fonctionnem onnement ent des nappes nappes , alimentation et exutoires exutoires d - qua qualit litéé des eaux eaux souterr souterrain aines es : quali qualité té nat nature urelle, lle, vulé vulérabi rabilité lité , protect protection ion

Roberto Epple/ERN

hydrologie - -gil gil

G Gé é ologie ologie - - hydrologie typess de porosi type porosité té et de de perméabil perméabilité ité - Porosité d’interstices : roches meubles , sables , grès peu consolidés - Porosité de fissures : roches fracturées , calcaires , basaltes , grès compacts

cas particulier des calcaires : dans les calcaires, la dissolution qui agrandit les fissures crée de grandes cavités

-hydrologie - -gille gille Roberto Epple/ERN

II-4 l’eau souterraine : notions d’hydrogéologie

b - Aqu Aquifè ifères res et nappe nappess Puits ou piézomètre

nappe libre

Zone non saturée

toit de la nappe

Zone saturée :

remontées rem ontées frange capillaire capillaires surface surface libre de la nappe

Zone saturée :

ou

surface piézométrique

nappe

Terrain imperméable : mur de l’aquifère Aquifère Aquif ère à napp nappe e libre : aquifère reposant sur une couche très peu perméable et surmontée d'une zone non saturée en eau. Hydrologie E.Gille Hydrologie Hy H drologie drrologie ologie E.Gille

Aquifères et nappes

Les fluctuations de la nappe

Zone non saturée

toit de la nappe

Zone saturée :

frange capillaire surface libre de la nappe

Zone saturée :

ou

surface piézométrique

nappe

nappe libre : le toit de la nappe bat librement en fonction des entrées d’eau H drologie e E.Gille E.Gille

Les fluctuations de la nappe

Aquifères et nappes

nappe captive

Puits ou piézomètre

surface piézométrique de la nappe Aquifère captif (ou nappe captive) : dans une nappe captive, l'eau souterraine est confinée entre deux formations très peu perméables. Lorsqu'un forage atteint une nappe captive, l'eau monte dans le forage.

Zone non saturée Terrain imperméable : toit de l’aquifère

Terrain perméable saturé

épaisseur de l’aquifère

nappe sous pression

Terrain imperméable : mur de l’aquifère Hy Hydrologie drologie drologie E.Gille H rologie E.Gille

Alimentation de la nappe

rééégion gion parisienne, deux nappes Dans la r captives sont exploit exploitéées: l'aquifèère ées: celle de l'aquif ère du Néocomien Né éocomien (Cré (Cr étac é tac tacé tacé infé inf érieur) érieur) sséépar é paré par ée ée par un inf par niveau semi semi--perm perméable - permé perm éable (Aptien) de celle des sables verts sus sus---jacents jacents jacents de l'Albien. Depuis 1850, les niveaux pié piézom é zomé zométriques é triques triques ont zom fortement chut chutéé et les les transferts transf transfert ertss d'eau d'eau se font au travers de l'Aptien, selon la diffé piééézom zomé zométriques, triques, diff érence érence des niveaux pi zom é triques, depuis l'aquif l'aquifèère nééocomien jusqu'àà celui celui lui de de ère n éocomien jusqu' Hydrologie E.Gille E.Gille -Hydrologie l'Albien.

Aquifères et nappes : types de sources

Hydrologie E.Gille -Hydrologie E.Gille

G Gé é ologie ologie - - hydrologie II-4

d - qua qualité lité des eau eaux x sou souterr terraine ainess : qua qualit litéé nat naturel urelle, le, vul vuléra érabili bilité té , prot protect ection ion

Porosité d’interstices : roches meubles , sables , grès peu consolidés = conduits microscopiques = bonne filtration circulation lente = épuration bactériologique - Porosité de fissures : roches fracturées , calcaires , basaltes , grès compacts = trop gros conduits = pas pas de filtration circulation rapide = pas d’épuration bactériologique cas particulier des calcaires : l’eau est toujours suspecte

Roberto Epple/ERN

-hydrologie -- gille gille

3 m m

5 mm

capillarité

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