Fiche de révision : Hydrogéologie des eaux souterraines

📋 Plan du Cours

1. Crise mondiale de l’eau
2. Pollution industrielle des nappes
3. Ressources en eau naturelle
4. Porosité et formations aquifères
5. Rétention et rendement des aquifères
6. Écoulement et loi de Darcy
7. Charge hydraulique et écoulement
8. Formations et configurations d’écoulement
9. Bilan hydrologique et variabilité

📖 1. Crise mondiale de l’eau

★ À maîtriser

📐 Formule — L’indice relatif de stress hydrique vérifie $RWSI = \frac{\text{demande domestique} + \text{demande industrielle} + \text{demande agricole}}{\text{volume des ressources disponibles}}$.

• Les objectifs mentionnés sont (World Bank, the IMF, the OECD, and the specialized agencies of the United, 2004): l’intégration du développement durable dans les politiques nationales et l’inversion des pertes de ressources, la réduction de moitié avant 2015 de la proportion de personnes sans accès durable à l’eau potable, l’amélioration avant 2020 de la vie d’au moins 100 millions d’habitants des bidonvilles

Compléments

• Le cours présente une valeur de RWSI égale à 0,4 pour un cas de stress hydrique relatif.

💡 Astuce mémo

Demande croissante → stress hydrique → problèmes de gouvernance

📖 2. Pollution industrielle des nappes

🔑 Notions clés & Définitions

• Trichloroéthylène : Solvant utilisé pour le dégraissage de pièces métalliques, le nettoyage à sec, l’extraction de produits organiques et comme anesthésiant.
• Tétrachloroéthylène : INERIS, Données technico-économiques sur les substances chimiques en France : TETRACHLOROETHYLENE, 2007 — Solvant toxique pour le système nerveux et le rein, absorbé par inhalation, par voie orale et par la peau lorsqu’il est liquide, et dont la limite de rejet dans l’environnement est de 10 μg.L-1.

★ À maîtriser

• Dans les puits G et H, la concentration de trichloroéthylène est respectivement de 267 et 118 microgrammes par litre, alors que la limite maximale de contaminant de l’EPA américaine est de 1 microgramme par litre.

Compléments

• En 1995, le trichloroéthylène a été classé carcinogène probable par l’IARC, puis cette classification a été entérinée par la directive européenne 2001/59/CE du 6 août 2001. — International Agency for Research on Cancer (IARC)

💡 Astuce mémo

Source → transport → contamination → remédiation

📖 3. Ressources en eau naturelle

📝 Points essentiels

• Les océans contiennent 1 320 millions de km³ d’eau, soit 97,20 % de l’eau présente dans les réservoirs recensés.

• Les eaux souterraines représentent 8 millions de km³, soit 0,61 % de l’eau totale recensée, dont 4 millions de km³ à moins de 800 m de profondeur et 4 millions de km³ entre 800 et 4 000 m.

• Les eaux souterraines constituent 97 % des ressources d’eau douce de la planète hors glaciers et approvisionnent 1 500 millions d’habitants en zone urbaine.

💡 Astuce mémo

Océans abondants, eau douce rare

📖 4. Porosité et formations aquifères

🔑 Notions clés & Définitions

• Porosité : Rapport du volume des vides au volume total, soit $n = \frac{V_V}{V_T}$.

★ À maîtriser

📌 La porosité primaire provient des pores formés lors de la constitution du matériau, tandis que la porosité secondaire provient principalement des fractures, de la fissuration ou de l’altération.

• La porosité totale varie de 25 à 50 % dans les sables, de 25 à 40 % dans les graviers et de 40 à 70 % dans les argiles.

Compléments

📐 Formule — Le coefficient d’uniformité granulométrique vérifie $C_U = \frac{d_{60}}{d_{10}}$.

💡 Astuce mémo

Porosité primaire des pores, porosité secondaire des fractures

📖 5. Rétention et rendement des aquifères

★ À maîtriser

📐 Formule — La porosité efficace vérifie la relation $n = S_y + S_r$, où $S_y$ est le rendement spécifique et $S_r$ la rétention spécifique.

• La rétention de surface spécifique vaut 1,5 × 10⁴ m².m⁻³ pour le sable, 1,5 × 10⁵ m².m⁻³ pour le grès fin et 1,5 × 10⁹ m².m⁻³ pour la montmorillonite.

Compléments

• Le rendement spécifique moyen est de 2 % pour l’argile, 21 % pour le sable fin, 27 % pour les sables moyen et grossier, et 25 % pour le gravier fin.

📖 6. Écoulement et loi de Darcy

★ À maîtriser

📐 Formule — La loi de Darcy relie le débit à la conductivité hydraulique, à la section et au gradient de charge selon $Q = -KA\frac{\partial h}{\partial l}$. — Henry Darcy, 1803 – 1858

📐 Formule — La vitesse réelle d’écoulement dans un milieu poreux vérifie $v = \frac{KI}{n}$, où n est la porosité.

• La conductivité hydraulique varie de 10⁻¹ à 10⁻² m.s⁻¹ dans les graviers grossiers, mais de 10⁻⁹ à 10⁻¹³ m.s⁻¹ dans les argiles, les schistes et les tills glaciaires.

📌 La loi de Darcy s’applique à un milieu poreux homogène soumis à un écoulement laminaire, mais elle ne s’applique pas aux écoulements transitoires ou turbulents.

Compléments

📐 Formule — La transmissivité d’un aquifère vérifie $T = Kb$, où K est la conductivité hydraulique et b l’épaisseur saturée.

💡 Astuce mémo

Gradient hydraulique → écoulement selon la conductivité

📖 7. Charge hydraulique et écoulement

🔑 Notions clés & Définitions

• Surface piézométrique : Pour chaque point d’un aquifère, altitude de la charge hydraulique totale.

★ À maîtriser

📐 Formule — La charge hydraulique totale est la somme de la charge d’altitude et de la charge de pression, soit $h = z + h_p$ avec $h_p = \frac{P}{\rho g}$.

📌 Les eaux souterraines s’écoulent d’une charge hydraulique totale élevée vers une charge hydraulique totale faible.

Compléments

• Une ligne équipotentielle relie les points de même charge hydraulique et une ligne d’écoulement est perpendiculaire à la surface piézométrique dans un matériau isotrope.

💡 Astuce mémo

Altitude + pression → charge totale → direction de l’écoulement

📖 8. Formations et configurations d’écoulement

🔑 Notions clés & Définitions

• Aquifère libre : Possède une surface supérieure libre, appelée nappe phréatique, et peut présenter des systèmes d’écoulement locaux, intermédiaires et régionaux.

★ À maîtriser

📌 Les aquifères captifs sont recouverts par une formation imperméable ou peu perméable, tandis que les aquifères libres sont directement en relation avec la zone non saturée.

Compléments

• Les rivières: érodent leur propre vallée, reçoivent des produits de l’érosion de surface, déposent leurs sédiments dans les cours d’eau, déposent leurs sédiments dans les lacs, déposent leurs sédiments dans les océans

• Dans les roches fracturées, l’écoulement peut être représenté par une approche continue assimilant le milieu à un milieu poreux homogène ou par une approche discontinue fondée sur la somme des fractures.

📖 9. Bilan hydrologique et variabilité

★ À maîtriser

📐 Formule — La conservation de la masse dans le bilan hydrologique s’écrit $\Delta S = \text{entrées} - \text{sorties}$.

📌 Lorsque les entrées égalent les sorties, le stockage ne varie pas et $\Delta S = 0$; lorsque les entrées dépassent les sorties, $\Delta S > 0$, et lorsque les sorties dépassent les entrées, $\Delta S < 0$.

Compléments

• En France, la consommation d’eau présentée dans le cours est de 110 à 150 litres par habitant et par jour.

💡 Astuce mémo

Entrées − sorties → variation du stockage

📊 Tableaux de synthèse

Porosité et rendement de matériaux