Circulation de l'eau dans les nappes

La circulation de l'eau dans les aquifères

L'eau souterraine est de l'eau stockée dans les interstices d'une formation géologique appelée aquifère, et elle est capable de circuler, généralement à des vitesses moyennes de quelques mètres par jour. Comprendre cette circulation est essentiel pour la gestion des ressources en eau.

1. Le principe de base : la loi de Darcy et la pente piézométrique

La circulation de l'eau souterraine est régie par la loi de Darcy. Cette loi explique que l'eau se déplace en fonction d'une différence de charge hydraulique, qui correspond à une différence de niveau piézométrique.

• Le niveau piézométrique est l'altitude du niveau de l'eau dans un piézomètre (un petit puits d'observation), exprimée en mètres par rapport au niveau de la mer.
• La surface piézométrique est l'ensemble de tous ces niveaux piézométriques. C'est la surface de la nappe.
• La circulation de l'eau se fait toujours des niveaux piézométriques les plus élevés vers les plus bas, en suivant la ligne de plus grande pente. Le débit est d'ailleurs proportionnel à la valeur de cette pente.

Un modèle simple peut être créé en laboratoire avec un aquarium rempli de sable. En injectant de l'eau à une extrémité et en la retirant à l'autre, on crée une pente de la surface de la nappe, ce qui met l'eau en mouvement de la zone de plus haute pression vers la zone de plus basse pression.

2. L'outil clé : la carte piézométrique

Pour étudier la circulation de l'eau à l'échelle d'un aquifère (de plusieurs dizaines à milliers de kilomètres carrés), les hydrogéologues créent des cartes piézométriques.

• Construction : On implante des piézomètres pour mesurer les niveaux d'eau à différents endroits. En interpolant ces valeurs, on dessine des courbes isopièzes, qui sont des lignes reliant les points de même niveau piézométrique.
• Lecture : Une carte piézométrique ressemble à une carte topographique, représentant la morphologie de la surface de la nappe avec ses "crêtes" et ses "vallées". Les lignes d'écoulement de l'eau sont tracées perpendiculairement aux courbes isopièzes, dans le sens des altitudes décroissantes.

3. Circulation en profondeur et relation avec la topographie

• Conformité à la topographie : Le plus souvent, la circulation de l'eau souterraine est conforme à la topographie de surface, car l'eau s'écoule par gravité. Les zones topographiquement hautes correspondent souvent à des niveaux piézométriques élevés, et l'eau s'écoule vers les points bas comme les cours d'eau. Les cours d'eau drainent donc la nappe.
• Mouvements verticaux : La circulation n'est pas uniquement horizontale. En mesurant la pression à différentes profondeurs, on observe que :
  • Près d'un cours d'eau (zone basse) : La pression est plus forte en profondeur, donc l'eau a un mouvement ascendant, du bas vers le haut.
  • Au niveau d'une crête piézométrique (zone haute) : La pression est plus forte en surface, ce qui entraîne un mouvement descendant de l'eau, du haut vers le bas.
  • Les lignes de courant de l'eau sur l'épaisseur de la nappe sont donc courbées et non parallèles à la surface piézométrique.

4. Applications pratiques : implantation d'un captage d'eau

La connaissance de la piézométrie est un préalable obligatoire à toute implantation de captage d'eau. L'objectif est de trouver l'emplacement qui offrira le meilleur rendement.

Pour cela, on analyse quatre morphologies types de la surface piézométrique en combinant deux critères :

1. Convergence ou divergence :
   • Zone de convergence : les lignes de courant se rejoignent, le débit unitaire augmente vers l'aval.
   • Zone de divergence : les lignes de courant s'écartent, le débit unitaire diminue vers l'aval.
2. Pente piézométrique (gradient hydraulique) :
   • Augmentation de la pente : les courbes isopièzes se resserrent. La conductivité hydraulique diminue (elle est inversement proportionnelle à la pente).
   • Diminution de la pente : les courbes isopièzes s'espacent. La conductivité hydraulique augmente.

L'emplacement idéal pour un captage est une zone de type 2, qui combine une zone de convergence (débit unitaire élevé) avec une diminution de la pente (conductivité hydraulique maximale).

En résumé, la piézométrie est fondamentale car elle permet de connaître les chemins de l'eau, de comprendre les relations entre la nappe et les cours d'eau, et de gérer les problèmes de pollution en sachant d'où vient l'eau, où elle va et à quelle vitesse.