IntroductionIntroduction : des notions de géologie pour comprendre l’environnementla notion de milieu naturel, l’environnement et l’eau, agent à l’interface lithosphère - atmosphère - biosphère
II ElElééments de Gments de Gééologie gologie géénnééraleraleI-1 géodynamique interne
a - structure du globe b - tectonique des plaquesc - paléogéographied - orogènes et grands types de reliefs - régions stables - bassins sédimentaires – régions instables
I-2 les rochesa - la lithologie b - les types de roches : les roches éruptives, sédimentaires, métamorphiques
I-3 l’approche géologiquea - stratigraphie – les divisions géologiques –– dates des grands orogènesb - tectonique: pendage – structures tabulaires et monoclinales– structure faillée – structure plissée
IIII ElElééments dments d’’hydrologiehydrologieII-1 la rivière
a – bassin versant et réseau hydrographique b – données hydrologiques , régime hydrologique , bilan hydrologique
II-2 l’hydrosphèrea – l’inventaire de l’eaub – cycle de l’eau
II-3 l’eau dans le sola – porosité - texture et structureb – perméabilité - circulation de l’eauc - le profil hydrique d’un sol
II-4 l’eau souterraine : notions d’hydrogéologiea - aquifères types de porosité et de perméabilité – cas particuliers des calcairesb - nappes : zone saturée, piézométrie, nappe libre et nappes captives c - fonctionnement des nappes , alimentation et exutoiresd - qualité des eaux souterraines : qualité naturelle, vulérabilité , protection
IUT GB 1IUT GB 1IUT GB 1IUT GB 1IUT GB 1IUT GB 1IUT GB 1IUT GB 1èèèèèèèèrererererererere annannannannannannannannééééééééeeeeeeee GGGGGGGGééééééééologie ologie ologie ologie ologie ologie ologie ologie –––––––– hydrologiehydrologiehydrologiehydrologiehydrologiehydrologiehydrologiehydrologie
Plan de cours (8h cours , 8h TD, 1 sortie)Plan de cours (8h cours , 8h TD, 1 sortie)Plan de cours (8h cours , 8h TD, 1 sortie)Plan de cours (8h cours , 8h TD, 1 sortie)Plan de cours (8h cours , 8h TD, 1 sortie)Plan de cours (8h cours , 8h TD, 1 sortie)Plan de cours (8h cours , 8h TD, 1 sortie)Plan de cours (8h cours , 8h TD, 1 sortie)
Emmanuel GILLE
Le bassin versant
Espace drainé par un cours d’eau et ses affluents
exutoireexutoireLieu par où
s’écoulent toutes les eaux courantes d’un bassin versant
Les limites du bassin versant
Ce sont des lignes de crêtes ,
sauf au droit de l’exutoire,
là où elles coupent la
vallée
IIII--1 la rivi1 la rivièère re a – bassin versant et réseau hydrographique
--Hydrologie Hydrologie Hydrologie Hydrologie Hydrologie Hydrologie Hydrologie Hydrologie E.GilleE.GilleE.GilleE.GilleE.GilleE.GilleE.GilleE.Gille
IIII--1 la rivi1 la rivièère re a – bassin versant et réseau hydrographique
--Hydrologie Hydrologie Hydrologie Hydrologie Hydrologie Hydrologie Hydrologie Hydrologie E.GilleE.GilleE.GilleE.GilleE.GilleE.GilleE.GilleE.GilleGéoportail-IGN
HurstLièpvre
IIII--1 la rivi1 la rivièère re a – bassin versant et réseau hydrographique
--Hydrologie Hydrologie Hydrologie Hydrologie Hydrologie Hydrologie Hydrologie Hydrologie E.GilleE.GilleE.GilleE.GilleE.GilleE.GilleE.GilleE.GilleGéoportail-IGN
Les grands bassins versants
Variabilité saisonnière lames d'eau (mm)
moyenne Brénon
moyenne Nigermoyenne Moselle
0
25
50
75
100
125
jan fév mar avr mai jun jul aoû sep oct nov déc jan
Brenon
Niger
Moselle
Variabilité saisonnière débits (m3/s)
module Niger
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
jan fév mar avr mai jun jul aoû sep oct nov déc jan
Brenon
Niger
Moselle
Les unitLes unitééss
le rle réégime hydrologique :gime hydrologique :
ddéébit mbit m33/s/s lame dlame d’’eau mmeau mm
IIII--1 la rivi1 la rivièère re b – données hydrologiques , régime hydrologique
les variations saisonniles variations saisonnièères moyennesres moyennes--Hydrologie Hydrologie Hydrologie Hydrologie Hydrologie Hydrologie Hydrologie Hydrologie E.GilleE.GilleE.GilleE.GilleE.GilleE.GilleE.GilleE.Gille
Volume écoulé durant la période t
V = Q x t
L
Q = Débit moyen pendant une période t
la lame d’eau équivalente, c’est l’épaisseur d’eau : L = V
A
Q (m3/s) x t (jours)
A (km²)L (mm) = x 1000 (mm/m)x 86400 ( s )
x 10 6 (m²/km²)
le volume écoulé durant t,
V = Q x t ,
est réparti sur la surface A du
bassin versant
Q (m3/s) x t (jours)
A (km²)L (mm) = x 86,4
IIII--1 la rivi1 la rivièère re b – données hydrologiques
--Hydrologie Hydrologie Hydrologie Hydrologie Hydrologie Hydrologie Hydrologie Hydrologie E.GilleE.GilleE.GilleE.GilleE.GilleE.GilleE.GilleE.Gille
L’équation du débit
Q = P- E (+ ∆réserves)
Bilan hydrologique
0
20
40
60
80
100
120
140
mois
eau
(mm
)
surplus besoins non satisfaitsETR précipitationsQnappes Q mesuré
La Meuse
à St.Mihiel
560
930
nappes 150
crues 220
Éva
po-
tran
spira
tion
--Hydrologie Hydrologie Hydrologie Hydrologie Hydrologie Hydrologie Hydrologie Hydrologie E.GilleE.GilleE.GilleE.GilleE.GilleE.GilleE.GilleE.Gille
GGGGGGGGééééééééologie ologie ologie ologie ologie ologie ologie ologie -------- hydrologie hydrologie hydrologie hydrologie hydrologie hydrologie hydrologie hydrologie
IIII--1 la rivi1 la rivièère re
a – bassin versant et réseau hydrographique
b – donnés hydrologiques , phases hydrologiques , bilan hydrologique
IIII--2 : l2 : l’’hydrosphhydrosphèèrere
a – l’inventaire de l’eau
b – cycle de l’eau
--Hydrologie Hydrologie Hydrologie Hydrologie Hydrologie Hydrologie Hydrologie Hydrologie E.GilleE.GilleE.GilleE.GilleE.GilleE.GilleE.GilleE.GilleRoberto Epple/ERN
en 10 6 km3/anou 1015 m3/an (109 = 1 milliard)
135097,4 %
Lacs et rivières 0,230,02 % 8
0,6 %
282 %
eaux du sous-sol et du sol
glaces continentales
humidité atmosphérique
0,0130,001 %
IIII--2 : l2 : l’’hydrosphhydrosphèèrerea – l’inventaire de l’eau
--Hydrologie Hydrologie Hydrologie Hydrologie Hydrologie Hydrologie Hydrologie Hydrologie E.GilleE.GilleE.GilleE.GilleE.GilleE.GilleE.GilleE.Gille
eaux doucesTotal eaux : 1386 10 15 m3 36 10 15 m3
océans 1350 10 15 m3 97,4 % total eau continentales 36 10 15 m3 2,6 % 100 %
glaces continentales 28 10 15 m3 2 % 77, 3 %eaux du sous-sol 8 10 15 m3 0,6 % 22 %
nappes souterraines 0 à 800m 4 10 15 m3
nappes souterraines > 800m 4 10 15 m3
humidité du sol 0,06 10 15 m3 0,17 %lacs et rivières 0,23 10 15 m3 0,02 %
étendues salées 0,11 10 15 m3 0,01 %étendues d’eau douces 0,12 10 15 m3 0,01 % 0,35 %rivières 0,001 10 15 m3 0,003 %
humidité atmosphérique (2,5g/kg) 0,013 10 15 m3 0,001 % 0,04 %eau de constitution des êtres vivants 0,001 10 15 m3 0,003 %eau de constitution des minéraux 0,001 %
A titre de comparaison, quelques masses :
soleil 2 10 27 tonnesterre 6 10 21 tonneshydrosphère 1,4 10 18 tonnes (1/4000 e de la masse de la terre)atmosphère 5 10 15 tonnes (1/300 e de la masse de l’hydrosphère)Lune 8 10 19 tonnes (50 fois l’hydrosphère terrestre)hydrosphère Lune 6 10 9 tonnes (à peine 1/25e du lac Nasser sur le Nil
ou 300 fois le lac de Madine)
Bilan de l’eau sur la planète terreIIII--2 : l2 : l’’hydrosphhydrosphèèrere
a – l’inventaire de l’eau
--Hydrologie Hydrologie Hydrologie Hydrologie Hydrologie Hydrologie Hydrologie Hydrologie E.GilleE.GilleE.GilleE.GilleE.GilleE.GilleE.GilleE.Gille
0,44
0,40 0,11
0,07
0,040,012
en millions de km3/an ou 1015 m3/an (109 = 1 milliard)
IIII--2 : l2 : l’’hydrosphhydrosphèèrereb – cycle de l’eau
--Hydrologie Hydrologie Hydrologie Hydrologie Hydrologie Hydrologie Hydrologie Hydrologie E.GilleE.GilleE.GilleE.GilleE.GilleE.GilleE.GilleE.Gille
1350/ 0,44
= 3 000 ans
10 jours
en millions de km3/an ou 1015 m3/an (109 = 1 milliard)
Le temps de séjour moyenLe temps de séjour moyen
300 ans(qlq jours à X 1000 ans)
9 jours 4 ans
--Hydrologie Hydrologie Hydrologie Hydrologie Hydrologie Hydrologie Hydrologie Hydrologie E.GilleE.GilleE.GilleE.GilleE.GilleE.GilleE.GilleE.Gille
440 000
400 000
40 000
1200 mm
1100 mm
100 mm
361 .106 km²361 .106 km²361 .106 km²
en km3/an ou 109 m3/an (109 = 1 milliard)
--Hydrologie Hydrologie Hydrologie Hydrologie Hydrologie Hydrologie Hydrologie Hydrologie E.GilleE.GilleE.GilleE.GilleE.GilleE.GilleE.GilleE.Gille
110 000
70 000
40 000 12 000
en km3/an ou 109 m3/an (109 = 1 milliard)
réserves souterraines8 000 000 109 m3
460 mm
710 mm
250 mm
149 .106 km²149 .106 km²149 .106 km²
--Hydrologie Hydrologie Hydrologie Hydrologie Hydrologie Hydrologie Hydrologie Hydrologie E.GilleE.GilleE.GilleE.GilleE.GilleE.GilleE.GilleE.Gille
GGGGGGGGééééééééologie ologie ologie ologie ologie ologie ologie ologie -------- hydrologie hydrologie hydrologie hydrologie hydrologie hydrologie hydrologie hydrologie
IIII ElElééments dments d’’hydrologiehydrologieII-1 la rivière
II-2 l’hydrosphère
II-3 l’eau dans le sola – porosité - texture et structureb – perméabilité - circulation de l’eauc - le profil hydrique d’un sol
II-4 l’eau souterraine : notions d’hydrogéologie
--Hydrologie Hydrologie Hydrologie Hydrologie Hydrologie Hydrologie Hydrologie Hydrologie E.GilleE.GilleE.GilleE.GilleE.GilleE.GilleE.GilleE.GilleRoberto Epple/ERN
Prendre un échantillon de sol
La porosité du sol
--Hydrologie Hydrologie Hydrologie Hydrologie Hydrologie Hydrologie Hydrologie Hydrologie E.GilleE.GilleE.GilleE.GilleE.GilleE.GilleE.GilleE.Gille
II-3 l’eau dans le sola – porosité - texture et structure
définition
porosité : part des vides dans la roche – s’exprime en % du volume total de la roche
2 sortes de porosité : - de 1) à 2) des vides où l’eau est libre (gros)
- de 2) à 3) des vides qui retiennent de l’eau (petits)
1) saturation
Ps : poids à saturation
3) étuvage
Pé: poids étuvé
2) ressuyage
Pr : poids ressuyé
Ve : volume d’eau libre
La porosité du sol
--Hydrologie Hydrologie Hydrologie Hydrologie Hydrologie Hydrologie Hydrologie Hydrologie E.GilleE.GilleE.GilleE.GilleE.GilleE.GilleE.GilleE.Gille
définitions
porosité : part des vides dans la roche – s’exprime en % du volume total de la roche
-porosité efficace : part des vides permettant l’écoulement de l’eau dans la roche (%)
-porosité de rétention : part des vides piégeant l’eau dans la roche (%)
1) saturation 2) ressuyage 3) étuvage
Ps : poids à saturation Pr : poids ressuyé Pé: poids étuvé
Ve : volume d’eau libre
La porosité du sol
--Hydrologie Hydrologie Hydrologie Hydrologie Hydrologie Hydrologie Hydrologie Hydrologie E.GilleE.GilleE.GilleE.GilleE.GilleE.GilleE.GilleE.Gille
L’agencement des grains du sol
des vides …
… des petits qui participent à la rétention de l’eau :
miicroporosité
… des gros qui permettent
l’écoulement libre de l’eau :
maacroporosité
--Hydrologie Hydrologie Hydrologie Hydrologie Hydrologie Hydrologie Hydrologie Hydrologie E.GilleE.GilleE.GilleE.GilleE.GilleE.GilleE.GilleE.Gille
La porosité du sol
1) saturation
Ps : poids à saturation Pr : poids ressuyé
Ve : volume d’eau libre
3) étuvage
Pé: poids étuvé
--Hydrologie Hydrologie Hydrologie Hydrologie Hydrologie Hydrologie Hydrologie Hydrologie E.GilleE.GilleE.GilleE.GilleE.GilleE.GilleE.GilleE.Gille
porositporositéé de de rréétentiontention
porositporositéé efficaceefficace
2) ressuyage
porositétotale
La porosité du sol
--Hydrologie Hydrologie Hydrologie Hydrologie Hydrologie Hydrologie Hydrologie Hydrologie E.GilleE.GilleE.GilleE.GilleE.GilleE.GilleE.GilleE.Gille
définitions
porosité : part des vides dans la roche – s’exprime en % du volume total de la roche
-porosité efficace : part des vides permettant l’écoulement de l’eau dans la roche (%)
-porosité de rétention : part des vides piégeant l’eau dans la roche (%)
perméabilité : capacité d’une roche à laisser circuler l’eau – s’exprime en m/s
Une roche peut-elle avoir une certaine porosité et être imperméable ?
--Hydrologie Hydrologie Hydrologie Hydrologie Hydrologie Hydrologie Hydrologie Hydrologie E.GilleE.GilleE.GilleE.GilleE.GilleE.GilleE.GilleE.Gille
La permLa permééabilitabilitéé dd’’un terrainun terrain ::
c’est sa capacité à laisser l’eau circuler en son sein, parce qu’il possède une certaine porositéefficace.
Un tel terrain est dit AQUIFÈRE
La perméabilité est exprimée en m/s (comme une vitesse) :K de 10-5 m/s � une vitesse d’infiltration de 36 mm/h
définitions
La perméabilité du sol
--Hydrologie Hydrologie Hydrologie Hydrologie Hydrologie Hydrologie Hydrologie Hydrologie E.GilleE.GilleE.GilleE.GilleE.GilleE.GilleE.GilleE.Gille
« les eaux courantes »s/s dir. Cosandey
Comment se présente le taux d’humidité du sol à proximité de la surface ?
c - le profil hydrique d’un sol
--UefUefUefUefUefUefUefUef 11 gille11 gille11 gille11 gille11 gille11 gille11 gille11 gille
IIII--3 3 ll’’eau dans le soleau dans le sol
Le profil hydrique du sol
profondeur
Remontées capillaires
teneur en eau = volume des vides en eau (%)(ou taux de saturation) volume total des vides
teneur en eau
porosité de rétention porosité
efficace
« les eaux courantes »s/s dir. Cosandey
--Hydrologie Hydrologie Hydrologie Hydrologie Hydrologie Hydrologie Hydrologie Hydrologie E.GilleE.GilleE.GilleE.GilleE.GilleE.GilleE.GilleE.Gille
GGGGGGGGééééééééologie ologie ologie ologie ologie ologie ologie ologie -------- hydrologie hydrologie hydrologie hydrologie hydrologie hydrologie hydrologie hydrologie
IIII ElElééments dments d’’hydrologiehydrologieII-1 la rivière
a – bassin versant et réseau hydrographique b – données hydrologiques , régime hydrologique , bilan hydrologique
II-2 l’hydrosphèrea – l’inventaire de l’eaub – cycle de l’eau
II-3 l’eau dans le sola – porosité - texture et structureb – perméabilité - circulation de l’eauc - le profil hydrique d’un sol
II-4 l’eau souterraine : notions d’hydrogéologiea - aquifères - types de porosité et de perméabilité –cas particuliers des calcairesb - nappes : zone saturée, piézométrie, nappe libre et nappes captives c - fonctionnement des nappes , alimentation et exutoiresd - qualité des eaux souterraines : qualité naturelle, vulérabilité , protection
hydrologiehydrologiehydrologiehydrologiehydrologiehydrologiehydrologiehydrologie--------gillegillegillegillegillegillegillegilleRoberto Epple/ERN
GGGGGGGGééééééééologie ologie ologie ologie ologie ologie ologie ologie -------- hydrologie hydrologie hydrologie hydrologie hydrologie hydrologie hydrologie hydrologie
types de porosité et de perméabilité
- PorositPorositéé dd’’intersticesinterstices : roches meubles , sables , grès peu consolidés
- PorositPorositéé de fissuresde fissures : roches fracturées , calcaires , basaltes , grès compacts
cas particulier des calcaires : dans les calcairesles calcaires, la dissolution qui agrandit les fissures crée de grandes cavités
--hydrologiehydrologiehydrologiehydrologiehydrologiehydrologiehydrologiehydrologie--------gillegillegillegillegillegillegillegille
Roberto Epple/ERN
Zone saturée :nappe
Zone non saturée
Puits ou piézomètre
nappe libre
Zone saturée :
toit de la nappe
frange capillaireremontées capillairesremontées capillaires
surface piézométriquesurface libre de la nappe ousurface libre de la nappe ou
b - Aquifères et nappes
--Hydrologie Hydrologie Hydrologie Hydrologie Hydrologie Hydrologie Hydrologie Hydrologie E.GilleE.GilleE.GilleE.GilleE.GilleE.GilleE.GilleE.Gille
Terrain imperméable : mur de l’aquifère
Aquifère à nappe libre :aquifère reposant sur une couche très peu perméable et surmontée d'une zone non saturée en eau.
II-4 l’eau souterraine : notions d’hydrogéologie
nappe
Zone non saturée
Zone saturée :
toit de la nappe
frange capillaire
surface piézométriquesurface libre de la nappe ousurface libre de la nappe ou
Zone saturée :
Les fluctuations de la nappeAquifères et nappes
--Hydrologie Hydrologie Hydrologie Hydrologie Hydrologie Hydrologie Hydrologie Hydrologie E.GilleE.GilleE.GilleE.GilleE.GilleE.GilleE.GilleE.Gille
nappe libre :le toit de la nappe bat librement en fonction des entrées d’eau
Terrain perméable saturé
nappe captive
nappe sous
pression
Zone non saturée
surface piézométrique de la nappe
Puitsou piézomètre
Terrain imperméable : mur de l’aquifère
Terrain imperméable :toit de l’aquifère
épaisseur de l’aquifère
Les fluctuations de la nappeAquifères et nappes
--Hydrologie Hydrologie Hydrologie Hydrologie Hydrologie Hydrologie Hydrologie Hydrologie E.GilleE.GilleE.GilleE.GilleE.GilleE.GilleE.GilleE.Gille
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.
Alimentation de la nappe
Dans la rDans la rDans la rDans la réééégion parisienne, deux nappes gion parisienne, deux nappes gion parisienne, deux nappes gion parisienne, deux nappes captives sont exploitcaptives sont exploitcaptives sont exploitcaptives sont exploitéééées: celle de l'aquifes: celle de l'aquifes: celle de l'aquifes: celle de l'aquifèèèère du re du re du re du NNNNééééocomien (Crocomien (Crocomien (Crocomien (Créééétactactactacéééé infinfinfinféééérieur) srieur) srieur) srieur) sééééparparparparéééée par un e par un e par un e par un niveau seminiveau seminiveau seminiveau semi----permpermpermpermééééable (Aptien) de celle des able (Aptien) de celle des able (Aptien) de celle des able (Aptien) de celle des sables verts sussables verts sussables verts sussables verts sus----jacents de l'Albien. Depuis jacents de l'Albien. Depuis jacents de l'Albien. Depuis jacents de l'Albien. Depuis 1850, les niveaux pi1850, les niveaux pi1850, les niveaux pi1850, les niveaux piéééézomzomzomzoméééétriques ont triques ont triques ont triques ont fortement chutfortement chutfortement chutfortement chutéééé et les transferts d'eau se et les transferts d'eau se et les transferts d'eau se et les transferts d'eau se font au travers de l'Aptien, selon la font au travers de l'Aptien, selon la font au travers de l'Aptien, selon la font au travers de l'Aptien, selon la diffdiffdiffdifféééérence des niveaux pirence des niveaux pirence des niveaux pirence des niveaux piéééézomzomzomzoméééétriques, triques, triques, triques, depuis l'aquifdepuis l'aquifdepuis l'aquifdepuis l'aquifèèèère nre nre nre nééééocomien jusqu'ocomien jusqu'ocomien jusqu'ocomien jusqu'àààà celui de celui de celui de celui de l'Albien.l'Albien.l'Albien.l'Albien. --Hydrologie Hydrologie Hydrologie Hydrologie Hydrologie Hydrologie Hydrologie Hydrologie E.GilleE.GilleE.GilleE.GilleE.GilleE.GilleE.GilleE.Gille
Aquifères et nappes : types de sources
--Hydrologie Hydrologie Hydrologie Hydrologie Hydrologie Hydrologie Hydrologie Hydrologie E.GilleE.GilleE.GilleE.GilleE.GilleE.GilleE.GilleE.Gille
GGGGGGGGééééééééologie ologie ologie ologie ologie ologie ologie ologie -------- hydrologie hydrologie hydrologie hydrologie hydrologie hydrologie hydrologie hydrologie
II-4 d - qualité des eaux souterraines : qualité naturelle, vulérabilité , protection
PorositPorositéé dd’’intersticesinterstices : roches meubles , sables , grès peu consolidés =
conduits microscopiques = bonne filtration circulation lente = épuration bactériologique
- PorositPorositéé de fissuresde fissures : roches fracturées , calcaires , basaltes , grès compacts =
trop gros conduits = pas de filtration circulation rapide = pas d’épuration bactériologique
cas particulier des calcaires : l’eau est toujours suspecte
--hydrologiehydrologiehydrologiehydrologiehydrologiehydrologiehydrologiehydrologie--------gillegillegillegillegillegillegillegilleRoberto Epple/ERN
5 mm
3 mm
capillarité
retour...
hydrologiehydrologiehydrologiehydrologiehydrologiehydrologiehydrologiehydrologie--------gillegillegillegillegillegillegillegille