Hydrogéologie et hydrochimie Flashcards
Objectif de l’hydrochimie
- précise les conditions de circulation des eaux dans le sous sol
- vérifier la potabilité
- contrôler les contaminations
La minéralisation de l’eau souterraine est liée à :
- La composition de l’eau de recharge (eau de pluie)
- Les roches desquelles l’eau circule (temps de séjour)
- Les apports anthropiques
Les 6 ions majeurs qui composent 90% des eaux
Sodium Na+ Sulfate SO42- Chlorure CL- Bicarbonate HCO3- Calcium Ca2+ Magnésium Mg2+
Les 5 principaux ions mineurs
Nitrate NO3- Potassium K+ Strontium SR2+ Fluorure F- Phosphate PO43-
Principaux éléments traces en solution
Al Aluminium As Arsenic Ba Barium Br Bromure Mn Manganèse SiO2 Silicium Zn Zinc Fe Fer
Minéralisation totale et mesure
- Degré de salinité ou TDS total dissolved solid en mg/L
Mesure = poids des sels restants après évaporation d’un échantillon préalablement filtré.
Conductivité électrique : TDS = Ke x CE (microsiemens/cm)
capacité d’une eau a transmettre le courant électrique, il y a un lien direct entre courant électrique et minéraux. En microsiemens/cm on mesure grâce à une sonde.
Def de concentration + rappels sur les unités de concentrations
La concentration est une mesure relative de la quantité de soluté dans un solvant, ici molécules dissoutes dans l’eau.
Les différentes unités de concentration :
- Concentration molaire (mol/L)
mol = nombre de molécules x nombre d’Avogadro - Concentration massique mg/L = ppm
- Equivalent stœchiométrique eq/L
Eq = nombre de soluté x la valence de la molécule et permet d’évaluer le bilan anion/cation d’une solution.
Comment passer de eq/L en meq/L
eq/L x 1000
Pmm efficace et 4 condition d’infiltration
Pmm = ruissellement + infiltration
Infiltration =
- pente
- type de sol
- couverture végétale
- géologie
3 phases d’infiltration
- Zone non saturée
Peut-être impacté par évapotranspiration ou succion végétale et est différent de la recharge de la nappe. La limite entre ZS et ZNS et variable en fonction de la saison. - Frange capillaire
Zone d’échange mineure (variable) - Zone saturé
théorie = 100% des pores sont remplies d’eau
Usage des eaux souterraines
Monde = 50% AEP ; 20% irrigation ; 15% industrie
France : 60% en AEP - constante augmentation - de plus en plus accessible - ressource protégée (bof) - ressource renouvelable (bof)
Intervention de l’hydrogéologue
Type d’aquifère ; quantité ; accessibilité ; durabilité de la ressource ; qualité
Aquifère
Regroupe ZNS et ZS dans lesquelles s’effectue un écoulement significatif avec une bonne quantité. Regroupe roche et eau à l’intérieur.
Nappe
Eaux présentes à l’intérieur de l’aquifère. Nappe = eau seulement.
2 type de nappes et avantage/inconvénient de chaque
- Nappes captives : surface de nappe contrainte par un aquiclude. La piézométrie varie peu, l’eau est sous pression, il peut y avoir une partie libre. Si on fore = artésianisme.
Avantages : bonne protection et volume exploitable annuel.
Inconvénients : accès difficile, renouvellement faible
- Nappes libres : circule dans les formation en contact avec l’atmosphère et aussi avec un cours d’eau, nappe à l’équilibre avec l’atmosphère soumise à gravité donc écoulement vers le bas. Si on fore on à le niveau de nappe dans le forage. 90% des nappes libres reliés aux cours d’eau.
Avantages : accès facile (peu coûteux et recharge rapide.
Inconvénients : vulnérable aux pollutions et volume variable.
3 types d’aquifères
1 Poreux
Infiltration via les espaces intergranulaires = pores. Formations meubles.
-> se trouvent dans les grands bassins sédimentaires
-> aquifère alluviaux
-> vitesse écoulement généralement lent et régulier
-> court temps de séjour
- Karstique
- > infiltration dans les cavités/grottes
- > se trouve sur les grands plateaux calcaires
- > débit aléatoire - Fissuré
- > roches dures peu solubles, ont des fractures/fissures (tectonique) qui permettent l’infiltration.
- > beaucoup de petite sources
- > 1/3 aquifère fissuré en France
Formule eq/L
eq/L = g/L x (valence/poids atomique)
Balance ionique
Bi = 100 x (somme des cations en eq/L) - (somme des anions (eq/L)
divisé par (/)
(somme des cations en eq/L) + (somme des anions en eq/L)
Formule masse molaire moléculaire M + concentration molaire C + nombre de mole n
M = quantité de matière x masse molaire (exemple : KNO3 : K = 39 + N = 14 + O3 = 16 x 3 = 101 g.mol-1
C = g/M dont n = nombre de mole et vs = volume
(exemple KNO3 : 10/101,1 = 0,1 mol.L-1
n = m/M dont m = poids et M = g/mol
Pourquoi la conductivité électrique varie d’un aquifère à un autre ?
Conductivité dépend de minéraux dans l’eau, minéraux dans l’eau dépend de la capacité des minéraux a être dissous dans l’eau.
Minéralité plus forte si l’eau passe dans les Basaltes que l’eau qui passe dans les Grès des Vosges. Les anomalies de conductivité dépendent des temps de séjour de l’eau dans le sous-sol, genre dans un karst, il y aura toujours une plus faible minéralité par exemple.
Equilibre eau roche - ions contrôlés et indice de saturation
Dans un aquifère, l’eau à généralement un faible écoulement et l’eau et la roche interagissent.
Les ions contrôlés sont des ions dont la teneur est dictée par la présence d’un autre minéral (ex : K est contrôlé par feldspaths et micas potassiques
L’ion en solution cherche l’équilibre avec le minéral cet équilibre se traduit par un l’indice de saturation.
Lorsque une eau arrive à saturation vis à vis d’un minéral, elle ne peut plus en dissoudre plus alors le minéral peut précipiter.
Les indices de saturations
Is < 0 dissolution
Is = 0 équilibre
Is > 0 précipitation
L’indice de saturation détermine les tendances thermodynamiques, la cinétique de réaction détermine le marquage de la réaction sur la minéralisation de l’eau.
Grandes classes de polluants
- Nutriments
- Métaux lourds
- polluants organiques industriels
- pesticides
- produits pharmaceutiques
- polluants biologiques
- pollution radioactive
Pollution diffuse/ponctuel
Diffuse : rejets multiples de polluants continus dans le temps et dans l’espace. Les rejets peuvent être très faible voir négligeables, mais la durée les rends très dangereux.
Ponctuelle : pollution accidentelle : rejet massif dans un temps court et un point unique.
Transfert et convection
La concentration n’évolue pas entre l’amont et l’aval. Le contaminant est conservatif.
Transfert et dispersion
La concentration a diminuée, mais la masse de traceur passant à l’aval est conservée : seule l’hydraulique a joué un rôle par dispersion
Transfert et dégradation
La masse de contamination subit une réduction
- le contaminant s’est dégradé en composé non toxique
(réactions physico-chimique ou bactérienne
Le contaminant s’est transformé en une autre molécule.) ou effet cocktail, la molécule s’associe à une autre.
Source et 3 types de sources
- lieu où l’écoulement souterrain devient écoulement de surface
La position verticale de la source représente le niveau piézométrique dans le cas d’une nappe libre
3 types de sources:
- de déversement : écoulement gravitaire dans la ZNS
- de trop plein : liée à la présence d’une barrière hydraulique (faille/topographie)
- confiné : concerne que les aquifères karstiques
Schéma des sources
.
Classification des sources
.
Captage de source (avantage/inconvénient)
- avantage : exploitation aisée, coûts réduits
- inconvénients : débits souvent faibles, souvent variables, sensible aux pollutions
Niveau piézométrique
Profondeur de la nappe ramenée au niveau NGF (Nivellement Général Français)
- nappe libre : altitude du niveau d’eau
- nappe captive : charge hydraulique
Principaux paramètres hydraulique d’un aquifère
- Porosité
- Perméabilité
- Transmissivité
- Coefficient d’emmagasinement
- Débit spécifique
Formule porosité
Pore = vide dans une roche pouvant être occupé par un fluide.
n = Vv / Vt
Volume de vide par rapport au volume total (en %)
Def + formule porosité efficace
Volumes des pores qui contiennent de l’eau mobilisable.
Ne = Veau libre/Vtotal
Formule de Darcy + définitions des unités des termes + définition de K
Q = KAi Q = m3/s -> à mettren en m3/H A = Section en m2 I = gradient hydraulique en m/m K = perméabilité (capacité d'un matériel poreux à ce laisser traverser par un fluide, K est fonction de la propriété du fluide (viscosité et densité) mais aussi de la lithologie.
Typologie perméabilité schéma des roches
.
Def + formule de la transmissivité
Décrit le débit d’un aquifère sur toute son épaisseur, par unité de largeur et sous un gradient hydraulique unitaire. T est variable dans le temps et l’espace sauf pour les aquif captif.
T = k.e
e = épaisseur aquifère en m
k en m/s
T en m2/s
Def coefficient d’emmagasinement S
Détermine la fonction capacitive du réservoir. Rapport du volume d’eau libéré (ou emmagasiné) par unité de surface pour une perte (ou un gain) de charge hydraulique donnée, c’est-à-dire une hausse (ou une baisse) de pression.
Représente la quantité d’eau libérée sous l’effet d’une baisse unitaire du niveau d’eau.
Dans un aquifère captif l’expulsion de l’eau est contrôlé par :
- la compression de la nappe = expulsion
- une détente élastique du solide ou du fluide lors de la baisse de pression (rétention)
S= 0,001 à 0,0001
Dans un aquifère libre, S exprime :
la capacité de vidange des pores = l’eau ne se déplace que par l’action de la gravité.
S est assimilable à la porosité éfficace
S = -0,2 à 0,01
Débit spécifique (m3/H/m) + formule
Correspond au débit pompé par mètres de rabattement, il varie en fonction de T (donc de K) et de S.
Qs = Q/H
Avec Q = débit depompage (m3/H)
Et H = hauteur de rabattement en m.
Isotropie - homogénéité
Les termes Isotrope, anisotrope, homogène et hétérogène permettent de décrire les variations spatiales des propriétés hydrodynamique des aquifères.
Formation homogène
Les paramètres sont identiques indépendamment de la position dans l’aquifère.
Formation hétérogène
Les paramètres varient d’un endroit à un autre.
Formation isotrope
Les propriétés sont les mêmes dans toutes les directions de l’espace.
Formation anisotrope
Les propriétés sont différentes selon la direction, le plus souvent on trouve les extrêmes dans des directions perpendiculaires
Etat permanent
Les volumes écoulés, les vitesses et directions d’écoulements sont considérés constant au cours du temps -> hypothèse classiquement utilisée mais peu réaliste
Etat transitoire
Les volumes écoulés, les vitesses et directions d’écoulements peuvent varier au cours du temps -> hypothèse réaliste mais plus difficile à traduire mathématiquement.
Gradient hydraulique i
i = dh/L
1 ml en m3
1m3 = 1ml/1000000
m3/min en m3/s
1 m3/min = 0.016666666666667 m3/s
