L’ EAU DU SOUS SOL : ex de la nappe phréatique du DRACpar francois.tilquin.38@gmail.com
lycée Marie Curie ECHIROLLES. Cet exemple permet de comprendre ce
qu’est une nappe alluviale, ses relations avec les eaux de surface, avec les
problèmes de gestion qualitative et quantitative. Les diapositives sont en
anglais en raison de la présentation de ce travail à l’E.G.U. (Vienne
Autriche) en 2012. Tous les liens ci-dessous sont locaux. Un click sur les
titres pour revenir.
Introduction : les
3 composantes de l’étude
Quelques éléments permettent cette
étude : le terrain en priorité, puis les cartes hydro-géologiques et
enfin les modèles analogiques et numériques. I) Comment se présente l’eau du sous-sol ?
Le travail de terrain permet de
découvrir ce qu’est une nappe alluviale. En creusant dans la vallée
alluviale, au voisinage du Drac, on découvre de l’eau qui s’écoule vers le
nord.
II) Comment représenter l’eau du sous-sol ?
Les eaux de surface de la région sont
constituées de 3 rivières qui fluent vers l’Isère (Drac, Romanche, Gresse) et
qui sont bordées par des massifs cristallins et sédimentaires.
III) La pluviométrie sur les reliefs bordant le bassin
On constate que plus l’altitude est
élevée plus la pluviosité est importante, ce qui permettra de construire le
modèle analogique en faisant couler l’eau sur le point le plus haut du
modèle.
IV) Construction d’un modèle analogique
de nappe alluviale
Ce modèle très simple permet de simuler une nappe phréatique : il est constitué d’un aquarium en plastique percé à une extrémité basse et dont une face est munie de puits collés à la paroi permettant de voir le niveau piézométrique. Il est rempli de sable et alimenté en amont au point le plus haut et drainé à l’aval. On peut y simuler les relations entre la surface et la nappe,(alimentation, filtration et drainage des rivières, ruissellement en cas de suralimentation, glissement de terrain). On peut y simuler des pollutions, mesurer les polluants (soude), réaliser des captages (en siphonnant l’eau d’un puits) et voir leur influence sur le niveau piézométrique.
V) Construction de la carte piézométrique
Il est possible également d’en
construire une carte piézométrique en mesurant la hauteur d’eau par
évaluation de sa profondeur par rapport à la surface dont on connaît
l’altitude..
Construction d’une carte piézométrique du
modèle de nappe alluviale en joignant les points de même altitude de la nappe
(iso pièzes)..
VI) Utilisation de la carte piézométrique
Comment utiliser une carte
piézométrique pour connaître les flux d’eau en sous-sol ?: Cette
expérience très simple avec du carton, une potence et des crayons permet de
construire des courbes piézométriques, c’est à dire les courbes de même
altitude de la nappe, et de constater que l’eau du sous-sol flue du haut vers
le bas, perpendiculairement aux courbes piézométriques.
La carte piézométrique de la nappe de
Drac va permettre de tracer les flux d’eau du sous-sol et de découvrir des
zones de relation entre les eaux de surface et les souterraines.
VII) La filtration et le drainage découverts par la carte
piézométrique
En appliquant les principes découverts
avec le modèle en carton, on trace les flèches du flux d’eau souterraines et
on constate une zone où les flux d’eau quittent la rivière pour aller dans la
nappe. On découvre donc une zone de filtration. La visite de terrain montre que la
filtration est même totale au point d’assécher totalement le lit du Drac. Ce
phénomène est également visible de Google Earth.
De la même façon on découvre une zone
où l’eau semble quitter la nappe pour aller dans la rivière. On découvre une
zone de drainage au nord de la nappe du
Drac, ce qui est confirmé également par la visite de terrain.
VIII) Gestion quantitative de la nappe
alluviale
La gestion quantitative est assez fine,
et est le résultat du détournement au profit d’EDF de l’eau de l’amont, qui
ne passe plus dans le lit normal du Drac, au point de voir la filtration
totale peu après la zone de turbinage de St Georges de Commiers, qui se fait
dans le canal latéral, avec les conséquences écologiques non négligeables. Il est à noter qu’une zone de
ré-alimentation de la nappe est présente depuis le canal EDF vers le Drac au
cas où le niveau piézométrique serait trop bas.
IX) Gestion qualitative de la nappe
alluviale
L’eau du Drac est de très bonne qualité
en raison du peu d’activité le long de ses rives en amont. De plus des
lentilles argileuse au dessus de la nappe la protège des eaux de surfaces
directes. Ainsi la nappe alluviale du Drac est de très bonne qualité. La
durée de filtration dans les alluvions est d’un an environ.
Les zones de protection sont d’autant
plus contraignantes que l’on se trouve près des puits d’exploitation, ou de
la zone d’infiltration.
Un système de barrage hydraulique
permet de protéger la zone de captage des eaux de la romanche et des
industries qui se trouvent un peu plus bas, et qui pourraient en cas de crue
de la Romanche contaminer la zone de captage. Le barrage hydraulique provient du
canal EDF et des eaux du Drac aval qui permettent de relever le niveau
hydraulique entre la Romanche et le champ de captage. Des étangs aliments par
ces eaux jouent le même rôle. Un canal EDF aval permet de capter une partie
des eaux de la Romanche et de les éloigner du Drac aval.
Ci-dessus une évaluation de l’étendue
du barrage hydraulique.
Schéma du principe du barrage
hydraulique entre le champ de captage et les eaux de la Romanche alimentant
le Drac aval.
Enfin une digue permet d’isoler
mécaniquement le champ de captage des éventuelles montées et débordement des
eaux de la Romanche.
X) Sur-exploitation industrielle passée et qualité des eaux
Cette carte montre deux cartes
piézométriques superposées : carte ante 1965 et actuelle, carte de 1965. En 1965 une sur-exploitation de la
nappe du Drac par les industries de Jarrie, engendre un cône de rabattement
important très visible (en bleu sur la carte). Cette situation a perturbé la
nappe au point de dévier les flux d’eau aval en direction de la nappe.
Situation difficile à prévoir, mais qui fut effective.
Courbes noires et flèches bleues : flux d’eau avant 1965 et actuels. Le champ de captage n’est pas perturbé par les flux contraires en provenance de la Romanche ou du Drac qui s’infiltre.
Situation de 1965 : courbes bleues
et flèches violettes. La sur-exploitation de la nappe au niveau de Jarrie
provoque une contamination du champ de captage par les eaux polluées de la
Romanche. C’est finalement une baisse du niveau piézométrique au niveau de
Jarrie qui a engendré contrairement à ce que l’on pourrait attendre, une
remontée des eaux du Drac et une filtration de ses eaux dans la zone de
captage. En fait l’ensemble de la nappe semblait avoir été perturbé par cette
surexploitation.
La simulation d’une pollution aval et
d’un captage permet une inversion des flux d’eau et une pollution du captage.
La mesure se réalise grâce à 4
pH-mètres notés de 1 à 4 de l’amont vers l’aval ,et la pollution se fait à la
soude diluée. Les pH-mètres sont reliés à une interface Ex.A.O.
Le puits 1 très à l’amont n’est pas du
tout concerné par les pollutions. Les puits 3 et 4 sont à l’aval et sont
pollués en commençant par le 3 puis le 4. Le puits 2 à l’amont de la pollution
n’est pas pollué sauf en cas de captage qui inverse les flux d’eau. On peut
remarquer que la pollution s’installe rapidement, mais disparaît beaucoup
plus lentement.
XII) Relation entre les flux d’eau de surface et la
nappe : la loi de Darcy.
Elle permet de mesurer la perméabilité d’un sol à pression constante, en évaluant un débit. Elle permet également d’évaluer le flux d’eau horizontal entre deux points en fonction de la différence de hauteur d’eau entre ces deux points.
En appliquant la loi de Darcy à tous les points d’un
tableau contenant des hauteurs d’eau, on réalise un modèle dynamique de nappe
phréatique.
La mesure de la perméabilité (vitesse de déplacement de l’eau dans le sous-sol) se fait dans un tube avec un débit qui lui est supérieur. Un tuyau latéral situé en haut permet le débordement du surplus de débit. La pression reste donc constante puisque la hauteur d’eau au dessus de la colonne de sol est toujours la même. La mesure du débit se fait une fois l’équilibre atteint en mesurant le temps nécessaire pour remplir, en bas du tube, le récipient de volume connu. La perméabilité étant la vitesse de l’eau dans le sous-sol, on déduit cette vitesse K connaissant la section du tube A la hauteur de la colonne d’eau H et la hauteur de la colonne de sol h .
La mesure de la porosité d’un sol (volume disponible pour l’eau du sous-sol) s’effectue en prélevant une colonne de sol avec un emporte-pièce afin de ne pas le déstructurer, puis on ferme le bas du tube et on verse lentement de l’eau jusqu’à saturation. On mesure le volume ainsi versé et on fait le rapport entre ce volume et le volume total que l’on exprime en pourcentage. En ce qui concerne les nappes alluviales, la porosité est généralement assez grande, et la perméabilité également ce qui rend l’eau très disponible et abondante.
XIII) La végétation :
protection des sols et de la nappe
Les relations entre l’eau de surface et l’eau du sous-sol est évidente : tout ce qui ne ruisselle pas s’infiltre et peut atteindre la nappe dans certaines conditions. Dans cette expérience on utilise le
modèle de nappe phréatique classique, puis on alime en haut la nappe de façon
à obtenir un ruissellement. Une fois l’équilibre atteint, on obtient un
niveau d’eau du sous-sol matérialisé par le haut du scotch noir. Sans rien
changer au débit, on place à la surface une plaque de mousse prélevée en
forêt, puis on attend le retour à l’équilibre. Le niveau piézométrique baisse tout
d’abord, le temps que la mousse s’imbibe, puis remonte jusqu’à dépasser le
niveau d’équilibre précédent (à droite). On montre ainsi que les végétaux
ralentissent le ruissellement de surface et favorisent l’infiltration. C’est
ce que raconte Jean Giono dans « L’Homme qui plantait des arbres »
avec Elzéard qui fait revenir l’eau dans les sources.
Ce modèle analogique très simple permet de montrer que la végétation favorise le maintien du sol. On plante dans le demi-bac de droite des lentilles ou du Ray-grass. On peut planter également les lentilles dans des sillons perpendiculaires ou parallèles à la plus grande pente dans l’un et l’autre demi-bac. Puis on verse de l’eau en inclinant le récipient conteneur percé de trou. On recueille les résidus du ruissellement en aval dans deux bacs différents. On peut changer la hauteur et le débit
de l’eau qui tombe en amont, la pente du bac de sol, et la nature des
plantations.
Les deux récipients recevant les eaux
de ruissellement sont comparés, et après un certain temps la décantation
montrent une différence qui peut être mesurée soit par la hauteur du sédiment
emporté, soit après filtration, déséchage à l’étuve et pesée. On montre ainsi
que dans tous les cas, il est nécessaire de préserver le couvert végétal en
permanence, non seulement parce que ça favorise l’infiltration et
l’alimentation des nappes, mais aussi que le sol est protégé en diminuant son
érosion. Voir de détail de l’Erosiotron :
http://museedumas.fr/pages/nappe_erosiotron/nappe_erosiotron.htm |
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