Hydrogéologie et Hydrologie

Ce cours explore l'hydrogéologie de l'Île-de-France, en mettant en lumière la circulation et la répartition des eaux souterraines. Il aborde les caractéristiques géologiques de la région, les principaux aquifères, ainsi que les enjeux liés à leur gestion. Les problématiques de pollution, de surconsommation et d'impact du changement climatique sont également examinées. Une attention particulière est portée à la protection des ressources en eau et à la nécessité d'une gestion durable.

Ce cours explore les concepts de porosité et de perméabilité, deux propriétés essentielles des roches et des sols en géologie. La porosité désigne la capacité d'une roche à contenir des fluides, tandis que la perméabilité décrit la capacité à laisser circuler ces fluides. Nous aborderons les différents types de porosité, les facteurs influençant ces propriétés, ainsi que leur importance en hydrogéologie et dans l'étude des réservoirs d'hydrocarbures.

La notion de cycle hydrologique englobe les phénomènes du mouvement et du renouvellement des eaux sur la terre. Cette définition implique que les mécanismes régissant le cycle hydrologique surviennent conjointement. Le cycle hydrologique n'a donc ni commencement, ni fin.

La perméabilité d'un milieu poreux correspond à son aptitude à se laisser traverser par un fluide (liquide ou gaz) sous l'effet d'un gradient de pression. Les hydrogéologues et les pétroliers mesurent la perméabilité en darcys (d'après Henri Darcy, 1856). Un darcy correspond à la perméabilité d'un corps assimilé à un milieu continu et isotrope au travers duquel un fluide homogène de viscosité égale à celle de l'eau à 20°C (une centipoise) s'y déplace à la vitesse de 1 cm/s sous l'influence d'un gradient de pression de 1 atm/cm. 1 Darcy = 0,97.10-12 m2.*

L’aquifère est un complexe de deux constituants en interactions : le réservoir et l’eau souterraine.

La mesure du niveau des eaux souterraines est d'une importance fondamentale dans l'hydrogéologie. Le niveau des eaux souterraines de l'aquifère peut être utilisé pour plusieurs raisons y compris un complot hydrogramme, et la construction d'une carte piézométrique qui est nécessaire afin de connaître l'extension de l'aquifère, la direction et la vitesse de l'écoulement des eaux souterraines, ainsi que leur zones d'accumulation. La mesure de niveau des eaux souterraines est effectuée à l'aide d'une sonde (Figure 1) dont le capteur est réactif à la conductivité de l'eau. Lorsque la sonde atteint le niveau de l'interface air/eau, un contact électrique est établi entre deux tiges métalliques, déclenchant un signal sonore et lumineux.

L'eau se déplace constamment d'un point à un autre. Elle change même de forme en cours de route, passant de la phase gazeuse (vapeur) à la phase liquide, de la phase liquide à la phase solide, et de la phase liquide à la phase gazeuse. Le périple sans fin de l'eau suit un cours appelé « cycle hydrologique » ou « cycle de l'eau ». Une fois à la surface du sol, l'eau provenant des précipitations ou l'eau de fonte peut soit ruisseler à la surface du sol et gagner des étendues d'eau (lacs et cours d'eau), soit s'infiltrer dans le sol et être absorbée par les végétaux ou servir à alimenter les réserves d'eaux souterraines. Elle peut aussi s'évaporer de la surface du sol ou des étendues d'eau, ou être libérée par la transpiration des végétaux et être relâchée dans l'atmosphère, le cumul de l'évaporation et de la transpiration étant appelé « évapotranspiration ». Le cycle est complet quand l'eau présente sous forme de vapeur d'eau dans l'atmosphère retombe au sol à la faveur des précipitations.

La perméabilité est la faculté que possède un corps de se laisser traverser par un fluide. Cette propriété est généralement exprimée numériquement par le coefficient de perméabilité K de « DARCY ». Il n'y a aucun rapport direct entre la porosité et la perméabilité, mais pour être perméable la roche doit obligatoirement être poreuse.

La qualité naturelle des eaux souterraines peut être altérée par l'activité humaine. La détérioration de la qualité de l'eau est appréciée par mesures des paramètres physico-chimiques et bactériologiques. Dans le cas d'une détérioration jugée importante, l'eau ne sera plus considérée comme potable pour la consommation humaine. Elle pourra être telle quelle utilisée à d'autres fins (irrigation...) ou devra subir un traitement appropriée pour retrouver sa potabilité. L'eau des nappes n'est donc pas à l'abri de la pollution et l'auto-épuration naturelle n'est pas complète dans toutes les nappes et vis-à-vis de certaines substances.

La qualité d'une eau souterraine est caractérisée par un certain nombre de paramètres physiques et chimiques, déterminant à leur tour des caractères organoleptiques seuls immédiatment perceptibles pour l'usager.

L'eau de pluie est légèrement acide du fait de sa teneur en CO2 dissous. Au cours de son infiltration dans le sol et le sous-sol, elle se charge en ions et acquiert des propriétés physiques et chimiques qui caractérisent l'eau de la nappe qu'elle forme.

L'eau atmosphérique est constamment recyclée. En effet, la quantité totale d'eau contenue dans l'atmosphère est suffisante pour alimenter en pluie le bassin de l'Amazone en un an: s'il n'y avait pas de renouvellement, le reste du globe serait un désert. Pour une moyenne annuelle de 1030 mm de précipitation, le temps de résidence de l'eau atmosphérique est de 9 jours; le cycle est entretenu par l'énergie solaire.