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Relation nappe-zone humide-cours d’eau
Alain CRAVE
21 Novembre 2019, Loudéac
Relation nappe/Zone humide/cours d’eau
Plan de l’intervention
1) Comment saturer l’horizon de sol à la surface?
1) Par au-dessus ou/et par en-dessous
2) Notions de perméabilité et de porosité
2) Les aquifères aquifère et Écoulement dans les aquifères
1) Définition et exemples de nappes
2) débit et sens d’écoulement (Loi de Darcy, gradient hydraulique)
3) Nappe alluviale et interactions nappe-rivière
4) Intérêt et limites de la piézométrie
Introduction Définition d’un zone Humide?
Une zone humide c’est…
… une interface de sol saturée en eau ou un taux d’humidité important ?
… une durée pendant laquelle le taux d’humidité est important?
Introduction Définition d’un zone Humide?
Pluie
inondation
Apport de
nappe
Différents types d’apports avec différentes dynamiques
(vitesses, volumes épaisseur d’eau, variabilités, …)
ruissellement
Apport d’eau par au-dessus
ETR ETR
ETR
Inf Inf Inf
trésidence flaque= Stock/( ETR+Inf) ~ de qq seconds à qq jours
Pendant et après la pluie
Stock d’eau faible (amplitude de la rugosité - ~10 cm))
Nappe d’eau saturée
50 cm
2°) Notion de perméabilité
Facteurs importants:
• taille
• forme
• distribution des tailles
• tassement
Notion de Perméabilité
G. Castany "Principes et méthodes de l' hydrogéologie" , Dunod, 1982
Définition : la perméabilité d’un milieu est son aptitude à laisser passer un fluide
sous l’effet d’un gradient de pression [m/s]
La perméabilité dépend de la porosité du milieu
2°) Notion de porosité
K verticale # K latérale
Hétérogénéité de Kvert. et Klat. Dans les dimensions verticale et latérale !
Existence de chemins de l’eau préférentiels (failles, fissures, ..)
trésidence = truissellement (inondation) + tflaque = Stock/( ETR+Inf + QR + Qnappe)
ETR
Inf
Nappe d’eau saturée
50 cm
Hauteur d’eau
libre
?
QR
qq jours à qq semaines
Stock d’eau important (amplitude de H 0,2 à 1 m)
Apport d’eau par au-dessus inondation
Qnappe
Dynamique des échanges
Winter et al., 1999 Groundwater and surface water, a single ressource
Seuil de débordement
dans le lit mineur
2 à 3 fois /an en
Bretagne
trésidence important = t de la nappe proche de la surface = Stock/Qnappe
Nappe d’eau saturée
50 cm
qq mois !
Stock d’eau important (amplitude de H 0,2 à 1 m)
Apport d’eau par en-dessous aquifère
Qnappe
Définitions nappe et aquifère
Nappe d’eau souterraine ?
c'est l'ensemble des eaux
comprises dans la zone saturée
d'un aquifère, dont toutes les
parties sont en liaison hydraulique
Un aquifère ?
c'est un "corps" (couche, massif) de
roches perméables comportant une
zone saturée (ensemble du milieu
solide et de l’eau contenue)
suffisamment conducteur d'eau
souterraine pour permettre
l'écoulement significatif d'une nappe
et le captage de quantités d'eau
appréciables. un aquifère peut
comporter une zone non saturée
Exemples de nappes
Écoulements dans les milieux poreux :
JJ. Collin « Les eaux souterraines, connaissance et gestion » , Hermann, 2004
Sens d’écoulement ?
Débits d’écoulements ?
Vitesse d’écoulement ?
Débits d’exploitation ?
Exemples de nappes alluviales
JJ. Collin « Les eaux souterraines, connaissance et gestion » , Hermann, 2004
Ecoulement dans une nappe: Loi de Darcy
G. Castany "Principes et méthodes de l' hydrogéologie" , Dunod, 1982
Q= K . A . Dh/L
Sens d’écoulement des nappes
Piézométrie et sens d’écoulement des nappes :
Carte piézométrique
Gradient piézométrique, application aux nappes
Calcul du gradient piézométrique
Q=K . A . Dh/L
Application de la loi de Darcy aux nappes
Estimations des débits d’écoulements d’une nappe
JJ. Collin « Les eaux souterraines, connaissance et gestion » , Hermann, 2004
Q=K . A . Dh/L
Nappe alluviale et
interactions nappe-rivière
Effet du climat sur les échanges
Sensibilité des nappes alluviales aux effets saisonniers ou à des crues
Winter et al., 1999
Écoulement convergent ou divergent
Winter et al., 1999 Groundwater and surface water, a single resource
Dynamique des échanges
Winter et al., 1999 Groundwater and surface water, a single ressource
Dynamique des échanges lors d’une crue
La caractérisation des échanges nappe-rivière :
sans doute l’objectif le plus difficile en hydrogéologie !
Winter et al., 1999 Groundwater and surface water, a single ressource
Une zone de mélange: la zone hyporhéique
Winter et al., 1999 Groundwater and surface water, a single resource
L’influence des mouilles et radiers
Winter et al., 1999 Groundwater and surface water, a single resource
Stonedahl et al., 2010 Water Resource
Research
L’influence des méandres
Winter et al., 1999 Groundwater and surface water, a single resource
Stonedahl et al., 2010 Water Resource
Research
Extraction de granulats en rivière
Durant la seconde moitié du XXe siècle, l’exploitation du lit des rivières a été intensive et certaines rivières sont devenues de véritables carrières.
JJ. Collin « Les eaux souterraines, connaissance et gestion » , Hermann, 2004
Interaction nappe –rivière : l’impact de
l’extraction de granulats, le cas du
Var
4°) Intérêt et limites de la piézométrie
Méconnaissance du sous-sol
Le rôle du relief
Fetter, C.W., 2001
Le rôle du relief
Freeze and Cherry, 1979
De Marsily, 1986
Le rôle de la géologie
Fetter, C.W., 2001
Le rôle de la perméabilité
Rôle de la végétation
Site expérimental de Escalante Valley (Utah-EU) : évolution du niveau de nappe
avant et après une coupe de Luzerne, White et al., 1932.
Rôle de la végétation
Site expérimental de Wageningen (Pays-bas) : évolution du niveau de nappe sous
deux couverts de végétation distincts (forêt et maïs), Thal-Larsen, 1934.
Approche et recommandations
Bien cerner les enjeux, les questions en lien avec la piézométrie
et vérifier qu’il est possible de répondre à la question
Données nécessaires (pour la piézométrie)
Le relief (importance du paysage sur les écoulements)
La géologie (contraint la perméabilité)
La perméabilité des roches et dépôts (berge, alluvions, encaissant…)
Morphologie du lit du cours d’eau
Végétation
Niveaux piézométriques (dynamique et échanges)
Une approche complémentaire : la température
Utilisation de la température comme traceur des écoulements (Constantz, 2008):
Loi de Darcy
Une approche complémentaire : la température
Utilisation de la température comme traceur des écoulements (Constantz, 2008):
Taniguchi et al, 1993
[Constantz, 2008] [Hatch et al., 2006]
Utilisation de la température comme traceur des écoulements
Imagerie Thermique Infrarouge
Effet des pompages en nappe
Winter et al., 1999 Groundwater and surface
water, a single resource