Écoulement naturel des eaux souterraines et débits de pompage

Alimentation des nappes d’eau souterraine

Les nappes libres sont principalement alimentées par l’infiltration d’une partie des eaux de pluie qui, compte tenu de l’évapotranspiration  , sont surtout efficaces entre les mois d’octobre et d’avril où l’infiltration des eaux est facile. Cependant, dans les aquifères très fissurés, les épisodes pluvieux des mois de printemps et d’été peuvent recharger momentanément les réservoirs aquifères.

La recharge par les pluies provoque la remontée des niveaux des nappes (A) et l'augmentation saisonnière du débit des sources (B) (J.-J. Collin © 2004, modifié 2015) - JPEG - 66.4 ko
La recharge par les pluies provoque la remontée des niveaux des nappes (A) et l’augmentation saisonnière du débit des sources (B) (J.-J. Collin © 2004, modifié 2015)

Écoulement de l’eau vers la nappe

L’écoulement vertical de l’eau vers la nappe est fonction de la porosité   et de la perméabilité   du sol, et de la nature et l’épaisseur de la zone non saturée.
La vitesse d’infiltration peut être de l’ordre du mètre par an (Craie de Champagne), d’un mètre par mois (Calcaire   de Beauce), d’un mètre par jour (alluvion  ), et de plusieurs dizaines de mètres à l’heure dans les terrains très fissurés de type karstique.

La capacité des sols à l’infiltration peut être cartographiée d’après l’étude de la densité des réseaux hydrographiques. Cette carte IDPR (Indice de développement et de persistance des réseaux) est consultable dans l’espace cartographique.

Circulation de l’eau dans la nappe souterraine

Entre la zone d’infiltration et l’exutoire (source), l’eau souterraine se déplace dans l’aquifère   par gravité des zones les plus hautes vers les points les plus bas. La surface de la nappe est en pente.
Cette surface piézométrique   est révélée par le niveau d’eau mesuré dans les puits   et le niveau de la localisation des sources.
Elle permet de déterminer le sens d’écoulement de la nappe.

Exemple de carte piézométrique avec les sens d'écoulement (© J.-J. Collin, Les eaux souterraines) - JPEG - 60 ko
Exemple de carte piézométrique avec les sens d’écoulement (© J.-J. Collin, Les eaux souterraines)

Vitesse d’écoulement de la nappe

La vitesse d’écoulement de l’eau de la nappe est liée à la perméabilité   de l’aquifère  , elle-même fonction de la taille de l’interstice (granulométrie), de la fissure ou de la cavité, et au gradient. La perméabilité   des roches a été étudiée par le savant dijonnais Henry Darcy. En 1856, il découvrit la loi de l’écoulement de l’eau à travers un milieu poreux, appelée loi de Darcy : « le volume débité est proportionnel à la charge et en raison inverse de l’épaisseur de la couche traversée », écrit-il. Plus la couche d’eau est importante, plus celle-ci percole rapidement dans le milieu vers le bas.

La perméabilité   ou coefficient de Darcy (K) s’exprime en mètres par seconde. Comme les valeurs sont très faibles, on utilise le système des puissances de 10 (10-3 m/s).
L’épaisseur de la couche géologique contenant la nappe joue un rôle dans dans son comportement. Le paramètre appelé transmissivité   décrit la capacité d’une formation géologique à se laisser traverser par un écoulement. La transmissivité   T d’une couche est donc le produit de la perméabilité   moyenne Km par l’épaisseur e de la couche (T=Km x e).

La vitesse de l'écoulement est liée à la perméabilité de l'aquifère (© Les eaux souterraines en France, BRGM Éditions (adapté de C. Drogue)). - JPEG - 39.4 ko
La vitesse de l’écoulement est liée à la perméabilité de l’aquifère (© Les eaux souterraines en France, BRGM Éditions (adapté de C. Drogue)).
Exemples de variabilité des temps d’écoulement des eaux souterraines selon les caractéristiques physiques de l’aquifère (adapté de C. Drogue, 1971)

Suivant la porosité   de la roche, seulement une partie de l’eau est récupérable par pompage. Le coefficient d’emmagasinement décrit une quantité d’eau récupérable et disponible dans l’aquifère  . L’eau piégée et bloquée dans la roche n’est pas récupérable par les pompages.
Le coefficient d’emmagasinement est le pourcentage du volume d’eau divisé par le volume du terrain.
La perméabilité  , la transmissivité   et le coefficient d’emmagasinement sont des paramètres hydrodynamiques.

Le débit de pompage d’eau dans un forage   dépend des paramètres hydrodynamiques

Le débit de pompage d’eau dans un forage   va dépendre des paramètres hydrodynamiques et de l’équipement du forage  . Lors d’un pompage, le niveau d’eau de la nappe descend dans le forage   et provoque un cône de rabattement. Ce rabattement et la zone d’influence varient en fonction des paramètres hydrodynamiques, du débit et du temps de pompage.

Les paramètres hydrodynamiques sont calculés à partir de l’interprétation des pompages d’essai. Ils sont consultables dans les caractéristiques hydrodynamiques des fiches descriptives BSS EAU des points d’eau.
Pour visualiser les points d’eau ayant fait l’objet de pompages d’essai, vous pouvez cliquer sur le lien suivant « Carte des pompages d’essai - paramètres hydrodynamiques ».
Les points sont interrogeables et vous permettent d’accéder aux valeurs des paramètres hydrodynamiques ainsi qu’aux différentes fiches du point d’eau  .

Selon la nature du terrain (perméabilité) et le débit pompé, le cône de rabattement des forages est plus ou moins vaste et creusé. (© J.-J. Collin, 2004, Les eaux souterraines) - JPEG - 155 ko
Selon la nature du terrain (perméabilité) et le débit pompé, le cône de rabattement des forages est plus ou moins vaste et creusé. (© J.-J. Collin, 2004, Les eaux souterraines)

Bibliographie

  • Aquifères et eaux souterraines en France, Ouvrage collectif sous la direction de Jean-Claude Roux, BRGM Éditions, 2006.
  • Les eaux souterraines, connaissance et gestion, Jean-Jacques Collin, BRGM Éditions et Hermann, 2004.
  • Les eaux souterraines en France, Collection Les enjeux des Géosciences, BRGM Éditions, 2009.

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Notions d’hydrogéologie