initiation à la dynamique des eaux souterraines alimentation, écoulement, régime
conférence au CEFIGRE (session de formation sur l'exploitation et la gestion des ressources en eau souterraine - juin 1 987)
- 3 MAR. ID. S
initiation à la dynamique des eaux souterraines
BRGM
alimentation, écoulement, régime
conférence au CEFIGRE (session de formation sur l'exploitation et la gestion des ressources en eau souterraine - juin 1987)
J. Margat
juillet 1 9 8 7 87 S G N 511 E A U
BUREAU DE RECHERCHES GEOLOGIQUES ET MINIERES SERVICE GÉOLOGIQUE NATIONAL Département Eau B.P. 6009 - 45060 ORLÉANS CEDEX 2 - France - Tél.: (33) 38.64.34.34
AVANT-PROPOS
Cet opuscule est le texte d'une conférence exposée au cours d'une session de formation sur "L'exploitation et la gestion des ressources en eau souterraine" du Centre de formation international à la gestion des ressources en eau (CEFIGRE), à Sophia-Antipolis en mai-juin 1987.
Préparé à l'attention de stagiaires africains pour la plupart sans formation spécialisée en hydrogéologie, ce document pédagogique, illustré volontairement par des exemples exclusivement africains et présenté en termes aussi physiques que possible, peut servir d'aide-mémoire aux hydrogéologues débutants et contribuer à d'autres actions de formation. Il comporte quelques renvois aux conférences introductives de la session du CEFIGRE mentionnée ci-dessus, qui ont également été éditées comme rapport du BRGM (87 SGN 510 EAU).
SOMMAIRE Page
PREAMBULE
1
-
BASES DE L'HYDRODYNAMIQUE SOUTERRAINE
Lois générales et phénomènes fondamentaux 2
4
-
-
FONCTIONNEMENT HYDRAULIQUE D'UN AQUIFERE Conditions internes et facteurs externes, conditions aux limites. Alimentation et débit des nappes souterraines. Equilibre et déséquilibre : régime permanent ou transitoire REGIME DES VARIATIONS DE NIVEAU DES EAUX SOUTERRAINES Formes, classification selon les facteurs dominants. Signification des amplitudes
17
REGIME DES DEBITS
39
ORIENTATION BIBLIOGRAPHIQUE
41
PREAMBULE 01.
La dynamique des eaux souterraines, en tant que branche du savoir, est la connaissance - la description et l'explication - des phénomènes hydrauliques qui se rapportent à l'étape souterraine du cycle de l'eau, depuis les pénétrations d'eau dans le sous-sol (alimentation des aquifères) jusqu'aux retours d'eau au jour (émergences visibles ou émissions occultes des aquifères). Par une extension de sens - ou "métonymie" - courante, cette dynamique désigne aussi son propre objet : l'ensemble de ces phénomènes.
02.
On se limitera ici à la dynamique des eaux souterraines en régime naturel, c'est-à-dire non influencé par l'exploitation ou par d'autres actions humaines, tout en sachant que les mêmes lois générales de l'hydrodynamique s'appliquent aux écoulements en régime artificiellement influencé, notamment à l'écoulement vers un ouvrage de captage ("Hydraulique des puits et des
captages") qui sera traité par ailleurs. 03.
Les rudiments exposés ici, dépouillés de tout formalisme mathématique, visent surtout à faciliter la compréhension physique des phénomènes en jeu, en préalable à la consultation et à l'usage d'ouvrages plus spécialisés. Us se proposent aussi d'exercer les hydrogéologues et hydrauliciens à faire comprendre ces notions aux divers usagers d'eau souterraine, car cette fonction éducatriee fait partie de leur profession.
04.
Qui dit dynamique dit mouvement : les eaux souterraines sont bien en effet des eaux mobiles, "courantes" et non "stagnantes", bien qu'elles soient souvent mal perçues comme telles - sauf aux lieux de leurs émergences -, même si, comme on l'a rappelé en Introduction, les vitesses de déplacement des eaux souterraines sont beaucoup plus lentes que celles des cours d'eau superficiels et si les volumes d'eau stockés dans le sous-sol - dans les réservoirs aquifères - jouent un
rôle considérable dans leur régime. 05.
Deux dichotomies majeures s'appliquent aux conditions offertes structures du sous-sol à l'écoulement de l'eau* :
par les
La distinction entre les aquifères continus (roches poreuses), "gisements" des nappes souterraines proprement dites, et les aquifères discontinus (roches carbonatées ou cristallines fissurées et fracturées), sièges de circulations en réseaux diversement connectés ; cette distinction étant assez relative à l'échelle (les eaux circulant dans un aquifère fissuré localement discontinu peuvent se comporter comme une nappe souterraine d'aquifère continu à l'écheUe régionale). La distinction entre les régimes d'écoulement avec ou sans surface libre, c'est-à-dire avec ou sans la possibilité de variation significative du volume d'eau dans l'aquifère.
- 2 -
Le croisement de ces deux distinctions, traduit par le tableau 1, définit quatre cas de figures qui correspondent à quatre types de conditions d'écoulement des eaux souterraines et à autîmt de chapitres de leur dynamique : Tableau
1
Aquifère continus
Aquifères discontinus
Ecoulement à surface libre
Nappes libres
Partie supérieure de certaines circulations en réseau
Ecoulement sans surface libre
Nappes captives
La plupart des circulations en réseau
(captivité)
Ces quatre cas ne sont pas réalisés aussi couramment : le plus restreint est celui des circulations en aquifère discontinu à surface libre qui ne s'applique qu'aux fissures ou conduits en partie dénoyés.
06.
La dynamique des eaux souterraines n'est pas seulement conditionnée par ces caractères des formations aquifères en tant que milieux indéfinis. Elle est d'abord et surtout gouvernée par les formes de connexion et les intensités des échanges d'eau avec les autres étapes du cycle naturel de l'eau : les unes et les autres ne peuvent se définir qu'en se rapportant à des champs délimités dans l'espace, de même que la dynamique des eaux superficielles est déterminée dans un domaine spatial défini (un bassin fluvial et un réseau hydrographique).
07.
Le "régime des eaux souterraines" ou plus particulièrement des nappes souterraines au sens plus courant de régime des variations de niveau et de débit issu (sources...), n'est que la partie visible - observable - de la dynamique des eaux souterraines.
1. BASES DE L'HYDRODYNAMIQUE SOUTERRAINE
08.
Les phénomènes hydrauliques souterrains suivent les mêmes lois physiques que les phénomènes hydrauliques en général.
Deux lois fondamentales gouvernent la dynamique des eaux souterraines - le principe de conservation de la matière (§ 09), - la loi de Darcy (§ 10). 09.
:
Le principe de conservation de la matière ("rien ne se crée, rien ne se perd") est traduit en hydraulique par l'équation de continuité qui est celle du "bUan d'eau" -ou plutôt "budget" -, dont chaque terme se réfère au même domaine spatial ("système") et à la même durée :
-
3
Qa = Qs f A R Qa : volume d'eau entré Qs : volume d'eau sorti R : étant le stock ou Réserve
Cette équation est analogue Crédit et peut aussi s'écrire A R
à
=
^ j
rapportés à cette durée sont donc exprimables en flux moyen
celle d'un budget financier Débit ± A Trésorerie
:
(stock ou Réserve)
=
Somme algébrique Q entré
-i-
Q
sorti
Quelque soit la durée, courte ou longue, ou l'étendue de l'espace de référence depuis un volume de terrain aquifère élémentaire (représenté par une "maille" de modèle), jusqu'à l'ensemble d'une couche ou d'un massif aquifère, voire de tous ceux d'un bassin -. 10.
Tout écoulement s'accompagne de perte de charge, d'autant plus forte - à flux égal - que la perméabilité est faible, cette perte de charge se traduisant par la pente ou gradient hydraulique des niveaux de l'eau en écoulement. C'est ce qu'exprime la loi de DARCY : Q = A.K.Í
étant le flux traversant la section A d'un aquifère de perméabilité K, avec une perte de charge i (i = différence des niveaux par unité de longueur 1 suivant la direction de l'écoulement). Q a la dimension d'un flux (volume/unité de temps), A celle d'une surface et K celle d'une vitesse (distance/unité de temps) ; i n'a pas de dimension - cf. fig. 1). Q
N.B. Cette loi, de même que le coefficient de perméabilité de DARCY K, ne vaut que pour un milieu aquifère continu réel (poreux) ou "équivalent" (milieu fissuré considéré à une échelle très supérieure à celle des discontinuités). 11.
En conséquence les niveaux, charges ou potentiels hydrauliques, des eaux souterraines observables en différents points d'un même aquifère - les niveaux d'une même nappe souterraine - se trouvent généralement à différentes altitudes. Les lignes de pentes de leur lieu géométrique, la surface piézométrique, indiquent les directions d'écoulement et ces pentes reflètent la distribution des débits d'écoulements locaux, des perméabilités et des épaisseurs de l'aquifère. Seule une nappe souterraine immobile - donc à débit nul - aurait une surface horizontale similaire à celle d'un lac clos.
4 -
<
L
A
Q
.
K
m^
m^/s
Fig.
1
- Loi
i
.
m
/s
de
Darcy.
i=
hl-h2
12.
Un aquifère est le siège de deux phénomènes hydrauliques essentiels
(1)
Le déplacement ou écoulement de l'eau, similaire à un courant d'eau de surface, permis par la transmissivité (perméabilité x épaisseur de l'aquifère)*.
(2)
La propagation de variation de niveau - de charge au potentiel hydraulique -, similaire à celle d'une onde de crue ou à une transmission de pression hydraulique, permise par la diffusivité (quotient de la transmissivité par le coefficient d'emmagasinement T/S)*.
:
Cette propagation est plus rapide dans un aquifère à nappe captive (à forte diffusivité puisque son emmagasinement est très faible), analogue à une "conduite forcée", que dans un aquifère à nappe libre où l'emmagasinement plus fort diminue la diffusivité ; elle est dans tous les cas beaucoup plus rapide que la vitesse d'écoulement. 13.
Ces phénomènes sont directionnels.
- L'écoulement de l'eau souterraine est tridimensionnel. Les composantes horizontales sont souvent prédominantes ce qui autorise à représenter l'écoulement d'une nappe souterraine dans une couche aquifère peu pentue de manière bidimensionnelle : donc à schématiser l'aquifère par un "monocouche", à décrire la distribution des transmissivités par une carte et à construire une surface piézométrique unique (carte des potentiels hydrauliques).
Toutefois des composantes verticales ne sont pas négligeables dans les circulations en aquifère discontinus, au voisinage de site d'échange d'eau avec la surface (infiltration de cours d'eau, émergence) et elles sont prédominantes dans les formations peu perméables intercalées entre aquifères superposés (phénomène de drainance) ainsi que dans les zones non saturées, sièges d'infiltration ou d'ascension capillaire. Elles ne permettent plus la construction d'une seule surface piézométrique (chacune devant correspondre à une profondeur de mesure de charge définie) et nécessitant plutôt des représentations en coupe.
- Les propagations de variation de charge hydraulique se font à peu près indépendamment des sens d'écoulement de l'eau souterraine, dans toutes les directions à partir des lieux d'origine des impulsions - à la manière d'ondes déclenchées par un objet jeté à l'eau ou d'un "mascaret" qui remonte le courant d'un fleuve sous l'impulsion des marées à son embouchure... -. 14.
Les effets de ces phénomènes sont superposables. Les ondes de variation de niveau propagées depuis différentes origines peuvent se superposer et s'ajouter aux changements de niveau liés à des changements de débit d'écoulement des eaux souterraines : en tout point d'un aquifère les variations de niveau peuvent résulter de la somme algébrique de plusieurs effets. C'est ce qu'on appelle la loi de superposition des influences.
- ó -
2. FONCTIONNEMENT HYDRAULIQUE D'UN AQUIFERE 15.
L'observation du régime des variations de niveau d'eau d'un puits ou du débit d'une source peut être ponctuelle. La compréhension et l'explication de la dynamique des eaux souterraines ne sont par contre possibles - comme on l'a dit en préambule (cf. § 06) - que dans le cadre de champs de référence délimités dans l'espace et de structure définie - même approximativement -, où les formations géologiques aquifères assurent à la fois (ou parfois de manières plus ou moins séparées) les fonctions de réservoir et de conducteur, et dont les échanges d'eau avec l'extérieur peuvent être identifiés ou supputés : de tels champs sont appelés systèmes aquifères.
16.
Tout aquifère est un réservoir ouvert qui reçoit des apports d'eau et subit des fuites, spontanées dans les conditions naturelles : c'est un "appareil récepteur émetteur" de flux d'eau dont les incidences respectives sur l'état du stock peuvent se calculer globalement - en première analyse - de manière similaire aux "problèmes de robinet" classiques et dont les résultats se présentent sous la forme d'équation de "bilans d'eau", à toutes échelles de temps et d'espace (cf. § 09).
17.
Toute la dynamique de l'eau dans un aquifère est donc déterminée par les conditions qui régissent de l'extérieur ces apports et ces fuites, et à l'intérieur les écoulements et les propagations de variations de charge Ah, interactives avec les variations du stock :
- Les conditions externes - facteurs actifs - s'appliquent aux limites, d'où l'expression courante de conditions aux limites, et peuvent être permanentes ou variables.
- Les conditions internes, passives et stables sont les facilités offertes ou les obstacles opposés aux écoulements et aux propagations de Ah par les caractères des formations géologiques constituantes (les paramètres qui définissent les propriétés conductrices et accumulatrices des roches) et par les structures qui agencent la distribution de ces paramètres et les différentes formations pouvant composer un système aquifère, notamment : existence ou non d'une couverture peu perméable donc de la possibilité de nappe libre ou captive...). Ces conditions se définissent donc à deux échelles : ceUe des propriétés des roches et celle des structures géologiques*. 18.
Ces conditions aux limites d'un système aquifère, qui dépendent de l'extérieur
- s'appliquent soit à des surfaces, soit à des lignes, soit plus rarement points singuliers ;
:
à des
- peuvent correspondre : . soit à des entrées d'eau, ou affluences : lignes ou aires d'alimentation ; . soit à des sorties d'eau (exutoires) : points, lignes ou aires d'émergence,
d'émission.
19.
Deux sortes de conditions aux limites, de natures hydrauliques différentes, sont à bien distinguer (cf. fig. 2) :
(1).
Des conditions de flux imposé : à flux constant ou le plus souvent variable, continuel ou intermittent, entrant (alimentation) ou sortant (flux soustrait par les conditions extérieures : cas de l'évapo-transpiration).
Dans les bassins sédimentaires composés, en alternance, de couches aquifères et semi-perméables, ces conditions de flux s'appliquent aussi aux murs ou toits des aquifères qui échangent des flux avec les voisins à travers les formations semi-perméables intercalaires (drainance) : ces flux sont en effet fonction des perméabilités verticales de ces intercalations et de différences de charge assez stables entre les aquifères émetteurs et récepteurs. Cas
latéral
^ais très fréquent
: Flux nul ou quasi-nul, traduction "imperméable" (en pratique au contact avec une formation beaucoup moins perméable).
limite,
hydraulique
d'une
barrière
(2). Des conditions de niveau (= potentiel hydraulique) imposé
:
à niveau fixe (point ou ligne d'émergence : source, rive de plan d'eau fluvial ou lacustre stable, littoral - niveau moyen de la mer -) ou à niveau variable (fleuve en crue/décrue, niveau de la mer à court terme - marées -). Ces conditions de niveau déterminent elles-mêmes des flux d'échange plus ou moins variables entre l'aquifère et l'extérieur :
- flux entrant (infiltration d'un fleuve...), - flux sortant (émergence), - flux alternatif. 20.
::.
Les correspondances entre ces deux sortes de conditions aux limites et les deux sens des flux d'échange entre l'aquifère et l'extérieur peuvent se résumer par le tableau 2 suivant, (qu'illustre aussi la figure 2) :
.- 8 LIMITES NATURELLES DE SYSTEMES AQUIFERES (schémas bidimensionnels
fig. 2-
r
LIMITES A CONDITION
DE
POTENTIEL
LIMITES A CONDITION
surfacai
lignas
I
Ignas
FLUX
i urfocaa
" .....;..
FLUX
DE
)
.'.!.. ..l.i_^.^.._^.¡_¿,J^-^3
NUL
LIMITES ÉTANCHES
lac
,
(urfaca libra
bassin
^___;__._>
\_ >p->
loL :-i7T^
-.-.I
;
COURS D'EAU INFIL¬
yy/'y/////vy>/////^^^-'^
TRANT COLMATÉ
AIRE D'INFILTRATION
ruistall
FLUX
ENTRANT
/?///////////.
777777777777} . COURS D'EAU PERCHE
"777777777777777777777^
COURS D'EAU INFILTRANT
LIMITES
D'ALIMENTATION AIRES D'AFFLUENCE (oquifarai sami- coptifi)
LIMITE SEMI-PERENNE
drains
sources
J.
V
V V 'r^'Pz^m^^^zTz^zm^^
surface libra
7Z777777777777777?7777y COURS D'EAU DRAINANT
AIRE D'EXFILTRATION ET D'ÉVAPORATION
loc
FLUX SORTANT .^aau
lallt'
RIVAGE
"z^^z^//////////////^-
CONDUIT KARSTIQUE NOYÉ .COLLECTEUR
r)^Trrrr77-rr7777777777.
LIMITES
r^777777777777777777777/
D'ÉMERGENCE
avaporotion
_
iHffl V777777777777777777777\ AIRES D' EFFLUENCE (oqulfjras samI- coptifs)
LIGNES DE SOURCES
nivaou imposa'
zona non soturaa
aquifàra satura' . (ami - parmâobla imparma'obla
profil pla'zoma'triqua __^
profil da lurfoca limita
DIRECTIONS DE FLUX Y an zona non sotura'a I ^^ an zona sotura'a I
Tableau 2
Conditions de flux
Conditions de niveau
Flux entrant APPORT
Surface de nappe libre, réceptrice d'infiltration. Limite semi-perméable (drainance affluente). Berge colmatée d'un cours d'eau "infiltrant". Perte de rivière (karst)
Rive de cours d'eau ou lac en liaison hydraulique avec l'aquifère et à niveau plus élevé
Flux sortant Emission, DEBIT
Surface de nappe libre sujette à évapotranspiration. Limite semi-perméable (drainance effluente)
Source, aire d'émergence ; rive de cours d'eau ou lac en liaison hydraulique avec l'aquifère et à niveau plus bas. Littoral (niveau de la mer).
Flux nul
Limite imperméable (substratum, toit, paroi de l'aquifère)
^**^^^_^^ Conditions Sens
.
^^^sÇitt limites
d'échangé
21.
(potentiel)
^^"^-^n...,,^^
Les entrées et sorties d'eau des aquifères, c'est-à-dire les origines et modes d'alimentation des nappes souterraines d'une part, les formes et modes d'émission - ou effluence - des nappes souterraines d'autre part, qui seront passés en revue plus classiquement ci-après, correspondent à des échanges symétriques avec trois grands domaines extérieurs :
- l'atmosphère, via le sol (zone non saturée) et la végétation, - les eaux superficielles, - les aquifères limitrophes (voisins, superposés, sous-jacents). Ces échanges se répartissent ainsi suivant trois "lignes budgétaires" dans le plan comptable général de tous les "bilans d'eau" d'aquifère (cf. tableau 3) :
10
Tableau
^^^'^v^,^
Sens des
^^^^^échanges Milieu extérieuï^s.^^ d'échange
^~^>>..^^
ATMOSPHERE via sol (zone non saturée)
3
Sorties d'eau
Entrées d'eau ALIMENTATION "CREDIT" + Infiltration
EMISSIONS
"DEBIT"
-
des eaux météoriques
"Exfiltration" et évapotranspiration.
(précipitations)
Eaux de surface (continentales, marines) directement (liaison hydrau¬ lique continue), ou via sol (zone non saturée)
Infiltration d'eaux superficielles, "Pertes" de cours d'eau .
Aquifères limitrophes
Egouttement d'aquifères
Ecoulement souterrain
perchés.
effluent. Drainance effluente.
Emergences
* sources, cours d'eau drainants, lacs, mer.
Ecoulement souterrain affluent. Drainance affluente.
22.
L'alimentation des aquifères (apports d'eau ou "crédits") a trois origines essentielles, pouvant être conjuguées ou exclusives selon les cas :
(1).
L'infiltration des eaux météoriques (précipitations liquides, parfois solides) à travers le sol ou zone non saturée, ne s'applique qu'aux aquifères à surface libre (cf. supra § 20), dont c'est le mode d'alimentation dominant en zone humide phénomène extensif, mais non uniforme ni permanent - alors qu'elle est plus clairsemée et rare, voire nulle en zone aride. Conséquence directe des précipitations, elle en épouse la répartition régionale, mais à l'échelle locale et momentanée cest un phénomène très complexe : la quantité d'eau infiltrée jusqu'à la surface libre ne dépend pas seulement des hauteurs de pluie mais des échanges d'eau entre la couche supérieure de la zone non saturée et l'atmosphère -des "reprises" par évapotranspiration-, de la perméabilité relative dans la zone saturée qui dépend elle-même de l'humidité. Donc elle peut varier beaucoup, résultant à son tour des précipitations antérieures et des conditions atmosphériques.
Comme forme d'alimentation extensive, c'est la seule qui peut s'exprimer en hauteur moyenne par unité de temps, par exemple en mm/an (équivalent à un flux moyen par unité de surface : m^/an. km^...). Selon les zones climatiques et les conditions géologiques - dont l'Afrique, en particulier, offre une extrême variété - ces hauteurs moyennes annuelles peuvent varier d'une à quelques dizaines de mm/an en zone semi-aride, à plus de 1000 mm/an en zone humide.
- 11
Ainsi exprimés, les apports qui alimentent les aquifères, sont comparables aux précipitations qui les engendrent. Mais la facilité d'en déduire un rapport infiltration/précipitation - en se référant à une durée convenable, par exemple en année moyenne - ne doit pas laisser croire que les quantités d'eau infiltrées puissent être calculées simplement par l'application d'un pourcentage aux précipitations. Il n'y a pas de relation de proportionnalité entre les précipitations et l'infiltration, quelque soit l'échelle de temps.
La connaissance de l'alimentation réelle des aquifères à partir des précipitations infiltrées exige des études cas par cas, peut être approchée localement par des analyses précises de la recharge (interprétation des variations de niveau de nappe libre, notamment par des modèles globaux pluie/niveau*), mais résultera le plus souvent de déductions à l'échelle régionale. (2).
L'infÜtration d'eau superficielle - cours d'eau, lac - soit "perchés" (surmontant une zone non saturée), permanents ou temporaires (crues), soit en liaison hydraulique continue avec l'aquifère et alors le plus souvent permanents, est une forme d'alimentation localisée dont les flux sont souvent limités par le colmatage des lits et berges et offrent une grande variété de régime : depuis des apports permanents et réguliers jusqu'à des apports épisodiques. C'est souvent le principal mode d'alimentation des aquifères à surface libre en zone aride et semi-aride, souvent à partir du ruissellement local consécutif aux précipitations assez intensives, ou à partir de fleuves issus de zones plus huniides. Les quantités d'eau ainsi infiltrées localement dépendent plus des durées des crues et des superficies inondées que des débits d'écoulement superficiel lorsqu'il s'agit de cours d'eau temporaire. -
(3).
L'affluence d'aquifères voisins ou superposés (supérieurs - ou inférieurs) à potentiels hydrauliques plus élevés, est un mode d'alimentation fréquent des aquifères à surface libre plus ou moins localisés encaissés dans des domaines aquifères moins perméables mais plus étendus, tels que beaucoup d'aquifères alluviaux en zone humide, ou encore adossés à des massifs aquifères montagneux, tels que des aquifères de piémont (cônes de déjections) ou de bassins d'effondrement. Ces afflux latéraux peuvent être aussi importants que l'alimentation "propre" par les précipitations (1), voire supérieurs. C'est aussi le mode d'alimentation prédominant de la plupart des aquifères à nappe captive : soit à partir de leurs prolongements périphériques à surface
libre (aires d'affleurement du réservoir), soit par "drainance" affluente à partir d'autres couches aquifères supérieures ou inférieures à potentiels hydrauliques plus élevés. 23.
Les émissions d'eau des aquifères (ou "débits") ont également eUes aussi conjointes ou exclusives selon les cas :
* Cf. la 2e conférence introductive (J.M.) / Rapport
87 SGN 510
EAU
trois modalités,
- 12
(1).
Les émergences ou retours aux eaux superficielles sont le phénomène le plus général et dominant en zone humide :
- soit par des exutoires visibles et plus ou moins localisés, les sources ou aires d'émergence, à débit continuel (mais variable) ou temporaire ; - soit par émergence diffuse le long des cours d'eau permanents drainant les aquifères, de rives de lacs ou du littoral - y compris par des exutoires occultes : sources submergées, sous-marines... - . Ces flux restitués aux cours d'eau superficiels constituent précisément la composante stable de leur débit dite "écoulement souterrain" ou "débit de base". Ces flux sortants sont les plus facilement - encore qu'inégalement -identifiables
par des mesures.
(2).
Les retours directs à l'atmosphère, via le sol (ascension capillaire ou "exfiltration" dans la zone non saturée) puis évapotranspiration, sont la forme d'émission la plus générale en zone aride et fréquente en zone semi-aride, où elle peut être plus ou moins concentrée dans certaines dépressions des bassins fermés ("chotts"). Ce phénomène inverse de l'infiltration - cf. §. 22 (1) - présente la même complexité et dépend fortement aussi de la profondeur de la surface libre, des paramètres du sol et des conditions atmosphériques, ainsi que de la végétation, en étant toutefois plus permanent et régulier. Cette evaporation comme "facteur de décharge" des eaux souterraines, ne doit pas être confondue avec celle qui intervient sur l'infiltration en cours et réduit les apports à un aquifère libre par rapport aux quantités d'eau de pluie infiltrée immédiate dans le sol.
(3).
L'effluence souterraine vers des aquifères voisins ou superposés, à potentiels hydrauliques plus bas, est l'échange symétrique et inverse des affluences considérées plus haut - cf. § 22 (3) - étant bien évident qu'en cas d'échange entre deux aquifères limitrophes le flux qui transite (notamment par drainance) est sortant pour l'émetteur et entrant pour le récepteur... Cette forme d'émission est fréquente pour les aquifères de massifs ou plateaux qui surplombent des aquifères encaissés ou périphériques récepteurs - cf. § 22 (3) et c'est la règle générale pour la plupart des aquifères à nappe captive, tant dans les bassins sédimentaires qu'en domaine de socle sous couverture d'altérites.
24.
Les formes et processus d'alimentation et d'émission d'eau que l'on vient de passer en revue ne sont pas symétriques : ni par les situations dans l'espace des entrées et des issues, ni par les régimes des flux dans le temps. En règle générale, comme on l'a vu :
- Les imports (flux entrants) sont
-
:
plutôt extensifs et diffus - quoique non uniformes - dans l'espace (aires d'alimentation), sauf en zone aride où c'est l'inverse (apports circonscrits dans des zones restreintes) ; irréguliers et le plus souvent discontinus dans le temps.
- Les émissions (flux sortants) sont au contraire : - plutôt localisées dans l'espace, concentrées sur des lignes ou en quelques points, sauf en zone aride où, à l'inverse, elles peuvent être extensives (aires d'évaporation) ;
13
plus régulières et continuelles dans le temps.
N.B. On remarque l'inversion assez générale des répartitions spatiales des flux d'apport et d'émission entre les zones humides et les zones arides. Ce que récapitule le tableau 4 suivant
:
Flux sortants Emissions
Flux entrants
Alimentation Zone humide
extensifs -i- linéaires ou ponctuels locaux (cours d'eau infiltrant...)
localisés ponctuels (source), linéaires (cours d'eau drainant, rivage...)
Zone aride
localisés (ruissellement, cours d'eau temporaires)
extensifs aire d'évaporation
ESPACE
+
transferts souterrains
"importés" TEMPS
25.
discontinus, irréguliers ; localement constants (cours d'eau)
+
transferts souterrains "exportés" continus, plus réguliers
Toute la dynamique des eaux souterraines dans chaque système aquifère procède de ces différences de situation et de régime des flux entrants et sortants :
- la différence des situations détermine la forme des écoulements des eaux souterraines, des entrées aux issues ; - la discordance des régimes détermine un régime d'écoulement non permanent des eaux souterraines, dans le cas général des nappes libres, c'est-à-dire des variations des stocks d'eau dans les réservoirs et par conséquent des niveaux.
A tout moment, en effet, dans un aquifère à nappe libre, la somme des flux entrants n'est pas égale à celle des flux sortants - d'autant plus que le flux entrant est souvent nul -. Aussi l'équilibre de l'équation du "bilan d'eau" ne peut être réalisé que par une variation positive ou négative du stock (cf. supra 1 § 09).
Un régime d'équilibre permanent, sans variation de réserve, impliquant l'égalité et la constance des flux entrants et sortants, ne peut être qu'exceptionnel dans un aquifère à surface libre, mais il est au contraire le plus courant dans un aquifère à nappe captive en régime naturel (cf. infra § 28).
14
aOo Flux entrant
fig.3-
aquí fere ûStock ^
Os
Flux sortant
Fonction régulotrice d'un aquifère
Qo
0
«
- Nappe libre entre limites
â h
/infiltrations
O
impose
b- Noppe coptive loin d'une limite d'olimentation
fig.4-
Cos d'écoulement d'eou souterroine en régime d'e'quiiibre pernnanent.
-
15
26.
La dissymétrie entre les régimes des flux d'apport et d'émission aux limites d'un aquifère résulte donc essentiellement du pouvoir régulateur de la plupart des aquifères à réserve variable (à nappe libre), qui leur permet de transformer des flux entrants discontinus et irréguliers en flux sortants continus et plus réguliers (fig. 3).
27.
Conséquence sur le régime des variations de réserve, donc des niveaux :
Soit : Qa : flux d'apport Qs : flux sortant AR : différence de réserve
- lorsque Qa
>
Qs
on a
Qa = Qs ^ AR
la réserve augmente et les niveaux h s'élèvent (= recharge)
- lorsque Qa
<
Qs (notamment si Qa = 0)
on a
Qa = Qs - A R voire
Qs = A R
la réserve diminue et les niveaux h s'abaissent (= décharge) Ajoutons que les phases à inéquation Qa > Qs sont très généralement plus courtes que les phases à inéquation Qa < Qs : d'où une dissymétrie fréquente des recharges et des décharges dans les régimes de la plupart des nappes libres (cf.
infra 28.
§ 35).
Des régimes d'équilibre et d'écoulement principalement dans deux cas :
permanent
peuvent s'instaurer
- Le cas particulier de nappe libre qui s'écoule entre deux limites à niveau imposé constant (au moins pendant une certaine durée), sans apport significatif par sa surface (fig. 4, a) : par exemple dans un système aquifère localisé entre deux cours d'eau proches ou dans une boucle de méandre... - Le cas assez général de nappes captives non influencées par des flux d'apport variables : par exemple assez loin d'aire d'alimentation à surface libre, s'il en existe, pour que les impulsions saisonnières qui peuvent en provenir soient amorties, ou lorsque les flux entrants et sortants sont exclusivement dus à la drainance (fig. 4, b). Dans ces deux cas les réserves et les niveaux (potentiels) sont invariables.
-
¿
16
-
h
Période
rechorge
Fig.
5
d e c h 0
rge
- Caractères du régime de variation de niveau
h de
l'eau souterraine,
17
3. REGIME DES VARIATIONS DE NIVEAU DES EAUX SOUTERRAINES 29.
Toute variation de stock d'eau ou réserve R dans un aquifère - de volume d'eau d'une nappe - se traduit par des variations des niveaux ou charges hydrauliques h, selon la relation A R = Ah
x
S
étant le coefficient d'emmagasinement ou "porosité utile" des aquifères à nappe libre. Partie visible, comme on l'a dit, de la dynamique des eaux souterraines, les variations de niveau dans le temps suivent différents "régimes" que l'on dénomme souvent, par homologie avec les "régimes des cours d'eau", les régîmes des nappes souterraines. S
30.
Lorsqu'il est connu par des observations assez fréquentes, voire continues (par limmigraphe), le régime d'une nappe en un lieu donné est décrit généralement par un graphique représentant les variations de h (ou de la profondeur du niveau au-dessous du sol) en fonction du temps, c'est-à-dire un "limmigramme", dont la forme caractérise le régime. un
Ces caractères descriptifs du régime local d'une nappe sont essentiellement (cf. fig. 5) :
- les amplitudes (hauteurs de variation de niveau Ah, moyennes ou extrêmes) ; - les "périodicités" (fréquences des fluctuations, des séquences de recharge décharge : régimes saisonniers, annuels, périodiques) ; - les dissymétries entre les phases de recharge et de décharge ; - le degré de régularité (de similitude des fluctuations successives). 31.
Tout régime de variation de niveau observée localement - dans un puits d'observation, un piézomètre - résulte de deux causes possibles :
- facteur local : apport d'eau, qui
a sa propre loi (cf. § 22), - facteur régional : transmission latérale de Ah depuis une limite à condition de niveau plus ou moins distante, ou depuis une aire d'alimentation à loi d'apport différente (notamment plus intense) que celle de l'apport local.
Les deux causes peuvent se conjuguer et leurs effets propres se superposer (cf. pour expliquer le régime d'une nappe en un point donné. Mais l'une ou l'autre peut être prédominante. § 14)
D'où deux grandes classes de régime : (1)
- régimes commandés principalement par celui des apports locaux ou proches ;
(2) - régimes commandés principalement par des transmissions de Ah, de celui des variations de conditions aux limites au large.
fonction
3.1 - Régimes de classe 1, subordonnés au régime des apports locaux (cf. fig. 6).
Ils peuvent être plus ou moins réguliers et périodiques.
- 18
A h
années
Regime
onnuei
dominant
années
Regime
pluriannuel
dominant
années
Régime mixte (onnuei + pluriannuel)
Fig.
6
- Régimes de variation de niveaux de nappes libres dépendant des apports météoriques.
19
32.
Le régime annuel prédomine en zones humides à saison de pluie assez régulière. Des recharges de même ordre - néanmoins non identiques - se produisent presque tous les ans. Variante : régime saisonnier à deux recharges annueUes en zones à deux saisons pluvieuses (pays méditerranéens, Maghreb...). Exemples : fig. 7, 8, 9.
33.
Le régime pluriannuel, apériodique et irrégulier, prédomine en zones semiarides et arides à précipitations irrégulières. L'amplitude pluriannuelle - sur 10 à 20 ans - est nettement plus grande que les amplitudes annuelles, parfois nulles : des recharges ne se produisent pas tous les ans, des recharges exceptionnelles de fréquence annuelle faible (0,2 ; 0,1 ou moins encore) structurent le régime. Exemples : fig. 10, 11.
34.
Des régimes mixtes peuvent résulter de la superposition d'une périodicité annuelle assez régulière et d'une tendance pluri-annuelle apériodique alternances de séquences pluri-annuelles "déficitaires" et "excédentaires"-.
Exemple : fig. 12. Quelques remarques sur ces régimes 35.
;
On observe la dissymétrie fréquente des durées et des formes des recharges et des décharges, résultat des durées relativement courtes des phases d'apport (cf.
§27). 36.
Alors que les facteurs de recharge - les apports - sont discontinus dans le temps, les facteurs de décharge - la vidange de l'aquifère aux exutoires - sont continuels : tout effet d'apport se superpose à celui de la vidange (loi de décharge) qui atténue la hauteur de recharge observée. Aussi la recharge apparente (hausse de niveau observée) peut être inférieure à la recharge réeUe qui est seule à relier aux apports (fig. 13).
37.
Cet effet des apports dure non seulement pendant toute la phase de montée des niveaux, mais il peut se faire sentir déjà avant, en ralentissant la baisse précédente, vers sa fin, et se prolonger après, en ralentissant de même le début de la baisse suivante (fig. 14).
38.
Les hauteurs de décharge - de baisse de niveau - dépendent évidemment des durées qui séparent les phases de recharge successives. Elles sont d'autant plus amples que ces durées sont longues, donc plus fortes en régime pluriannuel ou des phases de décharge peuvent durer plusieurs années (fig. 15).
39.
Les baisses de niveau, en phase de décharge "pure" - non influencée par l'effet d'un facteur de recharge encore actif (cf. supra § 37) - peuvent suivre deux tendances qui subdivisent les régimes définis plus haut (§ 32) (fig. 16) :
- Des baisses décélérées -
à "vitesse décroissante" -, suivant des lois de "tarissement" qui tendent vers dés exponentielles (c'est-à-dire qu'en chaque intervalle de temps égal successif, le niveau baisse dans une proportion
constante de la baisse survenue devant l'intervalle 80 % chaque mois...).
précédent
:
par exemple
¿d -
Fig.
7
- Variations de niveau d'une nappe libre à alimentation pluviale au Mali, région de Banamba - Kolokani (N de Bamako). Aquifère : altérites sur grès infra-Cambriens Réf. : projet PNUD/MLI 82/005 - 1984
¿1
Profondeur Sol
en m.
1958
1959
Fig.
8
- Variations
1960
1961
1962
de niveaux de nappes libres à alimentation pluviale au Sénégal, en Casamance. Aquifère : sables argileux du "Continental terminal". Ref : CIËH/BRGM 69 DAK 7 - 1969
- 11
400
390
380
1962
Fig.
9
1963
1964
1965
- Variations de niveaux d'une nappe libre à alimentation pluviale en Côte d'Ivoire à Khorogo. Aquifère : altérite sur socle cristallin. Réf. : CIEH/BRGM, 1964-1967 - R. DEGALLIER 1975. De haut en bas : niveaux moins profonds et plus proches d'une limite à condi¬ tion de potentiel (émergence) .
¿i -
Fig. 10 - Variations de niveaux d'une nappe libre en zone semi-aride, alimentée par infiltration d'eau de surface (crues), en Mauritanie, à Akjoujt, de 1950 à 1966. Aquifère : altérites sur scliistes et roches vertes. Réf. : BRGM DAK, 1964 - CIEH/BRGM 1969.
- 24
Profondeur
en m
5
1976
PRÉCIPITATIONS MENSUELLES
1979
1978
1977
A
BOLGATANGA
(
R: l015mm/on
)
250200100-
ii
0-
Fig.
11
- Variation
de niveau d'une nappe libre à alimentation pluviale, à régime plu¬ riannuel, au Ghana, à Bolgatanga. Aquifère : granite fissuré . RéL : WARDROP & Assoc. Ltd 1979 / Cit. CEFIGRE 1984,
25
Profondeur 6 7
-
en m.
_y^
\/ \y^ \r x^
8 -
\y^
9 -
v/^ V^ >-^
10
-
11
-
1978
1979
1980
1981
1982
1983
1984
V^ 1985
Fig. 12 - Variation de niveau d'une nappe libre à alimentation pluviale, au Burkina-Faso, à Ouagadougou. Régime mixte : variations annuelles superposées à une ten¬ dance pluri-annuelle. Aquifère : granits fissuré sous altérite. Réf. CIEH,
1
^
LÓ
Ah
Ahi
=
Rechorge apporente
Aha
=
Rechorge re'elle
Fig.
13
- Recharge apparente (iiausse de niveau h) et recharge réelle rapportée, en fin de phase de recharge, au ni¬ veau qui aurait été déterminé par la vidange naturelle de l'aquifère.
Ah
Fig. 14 - Recharge et influence des apports sur l'évolution de niveau d'ime nappe libre. a
:
évolution théorique en l'absence d'influence d'apport (courbe de vidanga ou de ''tarissement")
- 27
o
t,
û hi (en tl) < Fig.
15
Ah2 (en t2)
- Hauteur et durée de décharge.
^h
boisse exponentielle décele'rée
Fig. 16 - Lois de décharge non influencée baisse linéaire .
:
baisse exponentielle ou
26
Profondeur (m)
27-
28 -
\
\ \
\
\.
'^.
29 -
\
\
\
\
'S
SO
\ \
N..
SI -
\
32-
33-
34'
-i
63
-|
r
70
65
I
1
-|
r
75
i
I
r
80
-i
r
65 années
Fig. 17 - Variations de niveau de nappe libre à alimentation épisodique en zone aride au Tchad, dans le Kanem occidental (plateau de Bir Louri). Aquifère : sables éoliens quater¬ naires. Réf. : BRGM / J.L. SCHNEIDER 1985. N.B.
:
Evolution interpolée de 1970 à 1984,
- 29
Elles correspondent généralement à des vidanges par des exutoires localisés source, cours d'eau drainant (cf. § 23, 24) -, limites à condition de niveau, à une certaine distance du point d'observation. Cf. les exemples des figures 7 à 11.
- Des baisses quasi linéaires, à "vitesse" constante, correspondent plutôt à des modes d'émission extensifs par des aires d'évaporation, c'est-à-dire par des limites à condition de flux, qui peuvent en partie coïncider avec les aires d'alimentation par infiltration (les conditions de flux alternent alors : tantôt apports, tantôt émissions). Dans ce cas les mouvements verticaux alternatifs à travers la zone non saturée peuvent prédominer beaucoup sur les écoulements dans l'aquifère. Ces baisses s'observent donc surtout en zone aride ou semi-aride. Exemple : fig. 17. NB : En toute rigueur le flux soustrait par evaporation pouvant à la longue diminuer à mesure que la profondeur du niveau augmente, la forme de la baisse peut aussi être exponentielle mais de manière beaucoup plus "tendue" et surtout au delà d'un certain seuil de profondeur. 40.
Des variations de condition de flux sortant à l'instar de celles des flux d'apport, peuvent avoir aussi un effet sur le régime des variations de niveau. C'est le cas des fluctuations de flux soustrait par évapotranspiration, à une toute autre périodicité, rythme journalier, dont les effets très réguliers et périodiques ne peuvent être mis en évidence que par des observations très fréquentes (horaires ou continues) et se superposent alors à un régime saisonnier ou annuel.
Un exemple en Afrique est donné figure 18 (nappe libre à N'Djamena, au Tchad, influencée par les ponctions à cycle journalier d'une végétation phréatophyte). 3.2 - Régimes de classe 2 commandés par les variations de conditions aux limites à
distance. 41.
U peut s'agir d'abord des conditions de flux dans des aires d'alimentation plus ou moins éloignées mais s'appliquant au même aquifère, dont les effets se propagent jusqu'au point d'observation à la manière d'une "onde de crue", avec
un
certain déphasage (retard) et un certain amortissement (atténua,tion
d'amplitude). NB : La "vitesse" (ou célérité) de propagation de Ah étant fonction de la diffusivité cf. § 12 (2) - eUe est plus rapide avec amortissement plus faible dans une nappe captive que dans une nappe libre dotée de beaucoup plus d'"inertie". Dans une nappe libre les effets des différences régionales d'apport - toutes choses égales d'ailleurs - se transmettent mal d'une zone à l'autre. Une "onde de recharge" transmise d'une zone plus alimentée à une zone moins ou non
alimentée peut être entièrement amortie (influence constante). Ceci peut s'observer dans le cas d'aquifère à nappe libre très étendu, pouvant être réparti entre plusieurs zones climatiques.
50 -
Profondeur
en m.
PHASE DE DECHARGE
7 -1
7,5 -
8-1 6,5-1
7,5 -J
JOURNEES EN PHASE DE RECHARGE
JOURNEES
Fig. 18 - Fluctuations journalières du niveau d'une nappe libre sous l'effet de l'évapo¬ transpiration (action de la végétation phréatophyte), superposées aux variations saisonnières, au Tchad, à N'Djamena. Réf. : BRGM 1967.
31
Remarque : ce retard et cet amortissement de la propagation latérale de recharge dans une nappe libre sont analogues à ceux qui affectent la réponse "recharge de nappe" par rapport à l'impulsion "précipitations" qui l'engendre. Cette réponse est également d'autant plus déphasée et amortie que la hauteur de la zone non saturée est grande (donc que la surface de la nappe est plus profonde) (fig. 19). Exemple : fig. 20. 42.
U peut s'agir aussi de conditions de niveau, ou potentiel, variable.
Rappelons que la propagation de Ah dans un aquifère à partir d'une limite à niveau variable est peu dépendante du sens d'écoulement de l'eau souterraine dans l'aquifère (cf. § 13), en particulier du sens de l'échange d'eau à la limite
génératrice de l'impulsion (fig. 21). Quelque soit la forme de la variation de niveau qui donne l'impulsion, qu'elle soit périodique ou apériodique, elle se propage dans la nappe souterraine avec un retard et un amortissement d'amplitude qui croissent avec la distance à la
limite (fig. 22). 43.
Le niveau variable peut être celui de la mer affecté de marée. L'impulsion est alors parfaitement ondulatoire et périodique, ainsi que les fluctuations de niveau propagées dans l'aquifère, avec un retard et un amortissement qui croissent avec la distance au littoral.
Cf. un exemple observé au Sénégal, près de Dakar (Malika), où l'on remarque en outre que l'amplitude des fluctuations de potentiel est moins amortie en profondeur - notamment dans l'eau salée sous jacente à l'eau douce - où la nappe a un caractère captif du fait des hétérogénéïtés de stratification (fig. 23).
Le niveau variable peut être encore, et plus généralement, celui d'un cours d'eau à alternance de "hautes" et "basses eaux", les crues déclenchant chacune une onde, cette fois isolée, qui se propage dans l'aquifère, toujours retardée et amortie en fonction de la distance.
Exemple 44.
:
fig. 24, 25.
Des régimes complexes peuvent enfin combiner les effets des différents facteurs mieux individualisés dans les régimes de classe 1 et de classe 2 que l'on
vient de passer en revue. 45.
Quelle est la signification des amplitudes de variation de niveau d'une ns^pe
?
Cette amplitude est le caractère le plus remarquable et identifiable du régime d'une nappe, souvent le seul approché en l'absence d'observations assez fréquentes, aussi cherche-t-on parfois à en tirer plus de connaissance qu'elle n'en apporte à elle seule, notamment sur l'alimentation des nappes souterraines.
- il
-
5m
t
A h
50 m
t
Fig.
19
- Influence de la profondeur moyenne de la surface libre sur l'amplitude et le déphasage des variations de niveau d'une nappe libre
ii
-
Profondeur
Om
lerjuillet
30 Juin
Années 1962-63, 1963-64, 1964-65 superposées
Fig. 20
:
Déphasage des variations de niveau d'une nappe libre à alimentation pluviale suivant la protondeur moyenne, à Khorogo en Côte d'Ivoire (cf. fig. 9). Aquifère : altérite sur cris Ld.i lin
S OC 16
N.B.
Réf.
:
:
L'augmentation de profondeur est ici liée à l'éloignemûnt de la limite à condi¬ tion de niveau (émergence) ; l'atténuation des amplitudes à proximité de cette limite l'emporte sur l'effet de la profondeur CIEH/BRGM, R.DEGALLIER
A h
A 0 U
Fig. 21
I
F E
RE
Les variations de niveau à une limite à condition de potentiel engendrent une impulsion sur la nappe souterraine quelque soit le sens de l'échange nappe/eau super¬ ficielle.
temps
Fig. 22 - Propagation des variations de niveau dans une nappe souterraine à partir d'une limite à condition de potentiel variable (périodiquement dans ce shéma) déphasage et amortissement en fonction de la distemce. A comparer à l'exemple de la fig. 23.
35 -
profondeur
(m)
PI
P2
P3
OCEAN
0-1
-
^^
DOUCE
10
- 20
-30
A h +
0,5
Niveau delomer
0-
Profondeur du point de mesure:
PI
P2
P3
P4 0.9 -J
Fig. 23 - Variations de niveaux d'une nappe libre littorale sous l'effet des marées, au Sénégal, à Malika (N. de Dakar). Aquifère : sables et argiles quaternaires. Réf. : BRGM, 1964.
- i6
m
,
1966
1965
Niveau du Chori
à
Niveau de la nappe
1967
N'DJAMENA
à
400m du fleuve
Fig. 24 - Variation de niveau d'une nappe libre subordonnée à un cours d'eau, limite à condition de potentiel variable, au Tchad, à N'Djamena, (nappe alimentée en permanence par le Chari). RéL BRGM.
1968
37 -
Nlveau d'une nappe (
-1-
oquffère calcaire , profondeur 40m)
1960
Fig.
captive
1961
1963
1962
- Variations
de niveaux de nappes libre ou captive sous l'effet crues fluviales, au Sénégal.
25 .
Réf.
:
CIEH/BRGM, 69 DAK
7
1969.
1964
de
38
fig. 26 - Le débit local Q d'une nappe est plus grand lorsque la pente h2 - hl est plus forte que la pente 1
h'2 - h'I 1
Fig. 27 - Le débit d'émergence Q d'une nappe à une limite à condition de niveau stable ho est d'autant plus grand que les niveaux dans l'aquifère sont élevés. A la pente hl - ho plus forte cor¬ respond un débit plus grand que dans le cas d'une pente plus faible h2 - ho Í
39
En toute rigueur les variations de niveau Ah ne traduisent que des variations de stock d'eau ou réserve dans les nappes libres ou de "pression de gisement" dans les nappes captives (cf. § 29).
Les variations de niveau, notamment les recharges, sont donc sans relation unique et simple avec les flux d'apport, car elles dépendent à la fois :
- de ces flux d'apport (intensité, durée...), - du coefficient d'emmagasinement local S, - des distances aux limites génératrices d'impulsion (à condition de flux ou de potentiel), - de la diffusivité "moyenne" T/S dans l'espace compris entre ces limites et le point d'observation. Ainsi :
- Une forte amplitude Ah n'indique pas nécessairement une alimentation plus forte qu'une faible amplitude - sauf "toutes choses égales d'ailleurs" -. C'est souvent le contraire. à niveau invariable - ou très peu variable - n'est pas nécessairement non alimentée, mais plutôt alimentée par un flux permanent, ou encore est très proche d'une limite à niveau constant. - Les niveaux d'une nappe proches d'une limite "imperméable" peuvent au contraire varier davantage : les effets de "réflexion" sur cette limite peuvent amplifier les recharges.
- Une nappe
4 - REGIME DES DEBITS
46.
Les variations de niveau aux différents points d'un aquifère - du moins dans un aquifère à nappe libre - n'étant généralement pas identiques, eUes s'accompagnent de variations de pente, de gradient hydraulique i local qui correspondent donc à des variations proportionnelles de flux d'écoulement local de l'eau souterraine (cf. supra 1, § 10 et fig. 26).
47.
Ces variations de débit sont surtout amples - et visibles - aux exutoires des aquifères à niveau imposé, constant ou peu variable, tels que les sources, cours d'eau ou limites de plans d'eau récepteurs d'écoulement souterrain, - cf. § 23 (1) - puisque les gradients hydrauliques en amont de ces sites d'émergence y varient en proportion directe des charges hydrauliques h des eaux souterraines (fig. 27) :
- les hauts niveaux hj déterminent des gradients hj - hg/l plus fort, donc des débits Q plus grands ; - les bas niveaux h2 déterminent des gradients h2 - hg/l plus faibles, donc des débits Q plus petits. 48.
En conséquence :
- En phase de recharge, lorsque la réserve R augmente et que les niveaux s'élèvent, les débits aux émergences croissent aussi : crues de source, de flux sortant.
40
- En phase de décharge, lorsque la réserve R diminue et que les niveaux s'abaissent, les débits aux émergences décroissent : décrue et "tarissement" de source, de flux sortant. Les régimes des sources, c'est-à-dire de variation de leur débit, sont ainsi très liés aux régimes des variations de niveau des nappes souterraines - ou des circulations en réseaux - dont elles sont les exutoires. "Réponse" de tout un aquifère, ou d'une partie d'aquifère, à ses variations de réserve, le régime d'une source ou d'un cours d'eau drainant en l'absence de ruissellement a une signification plus globale que le régime d'une nappe en un point donné : il est plus représentatif de la dynamique de la nappe. Aussi le suivi des débits d'émergences, lorsqu'elles sont assez individualisées, est-il un moyen de connaissance de la dynamique des eaux souterraines particulièrement précieux.
- 41 -
ORIENTATION BIBLIOGRAPHIQUE CASTANY G. (1968) - Prospection et exploitation des eaux souterraines (Dunod, 717., Paris). Notamment : in. chap. 3 - Interprétation des fluctuations régionales des niveaux piézométriques. CASTANY G. (1982) - Principes et méthodes de l'hydrogéologie (Dunod, 238 p., Paris).
DEGALLIER R. (1969) - Interprétation des variations naturelles du niveau des nappes souterraines (Bull. BRGM, III, n''2, Orléans). DEGALLIER R. (1975) - Interprétation des variations naturelles du niveau des nappes souterraines. Applications aux données provenant du bassin versant de Khorogo (Côte d'Ivoire) (Mém. Doct. état Univ. Montpellier/Pubh BRGM "Documents", n°lll, 1986, 427 p., Orléans). MARSILY G. de (1981) - Hydrogéologie quantitative (Masson, 215 p., Paris).
MARGAT J. (1972) - Evaluation des ressources hydrauliques. Méthode d'implantation d'un réseau piézométrique général (Doc. BRGM, 72 SGN 126 AME, 54 p., Orléans). Notamment : 4/ Analyse des déterminants du régime des variations de niveau des eaux souterraines.
Collectif/BRGM (1969) - Interprétation des variations naturelles du niveau des nappes aquifères en Mauritanie et au Sénégal (Doc. CIEH/BRGM DAK 7, 1969, Dakar). CoUectif/UNESCO (1972 - 1983) - Groundwater studies (UNESCO, Studies reports in hydrology, 7). Notamment : 1 - Principal features of the groundwater regime 2 - Groundwater fundamentals 3.2 - Dymamic factors influencing groundwater regime
réalisation service reprographie du BRGM
87 SGN 511 EAU
