une ressource à préserver -...
TRANSCRIPT
Une ressource à préserver...
ENSAIACécile Gutierrez
INTRODUCTIONDisponibilités en eau au niveau de la planète:
Océans96.5%
Eau sous d'autres formes 0.97%
Eau douce
2.53%
Eau totale1.4 milliards m3
Eaux souterraines
30.1%
68.7%
Sols gelés 0.9%
Cours d'eau, lacs marais 0.3%
Glace, neige permanente
Source : www-aviso.cls.fr
7 km3/an
440km3/an
270km3/an
1000 km3/an
100 km3/an
70 km3/an
PLANI- Propriétés des terrains et des nappes
II - Fonctionnement dynamique d'une nappe
III - Exploitation d'une nappe : sources, captages et prix de l'eau
IV – Contaminations des eaux souterraines
V- Gestion de l'eau
I- Propriétés des terrainset des nappes
A- L'eau dans la terreB- Principaux terrains aquifères C- Principaux types de nappes
A- L'eau dans la terre
A- 1) Types d'eau dans les roches:
● Eau retenue - hygroscopique- pelliculaire- capillaire
● Eau libre = eau gravitaire
A- 2) Quelques définitions...
B- Principaux terrains aquifères
Source: Les eaux souterraines connaissance et gestion
B- 1) La porosité des roches
Porosité: ensemble des volumes de petite taille pouvant être occupés par des fluides à l'intérieur d'une roche.
•Totale : toute l'eau contenue dans la roche(saturé) vol de vides /vol de roche•Efficace : teneur en eau mobilisable
vol d'eau gravitaire/vol de roche
�Primaire : liée à l'origine des sédiments�Secondaire :acquise par fracturation et altération chimique des roches
B- 2) La perméabilité des roches
Perméabilité : aptitude d'un milieu à se laisser traverser par un fluide
• En petit : terrains ne présentant comme vides, que des pores de petite taille (sables, grès..)• En grand : terrains fissurés ou diaclasés (karst..)
=> traduit la rapidité de l'écoulement de l'eau au travers de la roche.(mm/s ou m/j)
Perméabilité et porosité moyenne de quelques roches
ROCHESGraviers 300 40 45
Sables moyens 20 30 40Craie 20 4 20
Grès fracturé 5 8 15Argile 0,0002 3 47
Schiste 0,0001 - 3Granite 0,0001 - 1
Calcaire karstifié Très hétérogène 4 5Zone de fracture 50 - 10
Perméabilité m/j Porosité efficace% Porosité totale %
Source: Campy & Macaire 1989
V>1 m/j => aquifère exploitableV<0,01 m/j => considéré comme imperméable
Karst: approche systèmes fluviatile de S (qques km/j)
C- Principaux types de nappe
5 principaux aquifères de France métropolitaine
Superficie(km 3) Prélèvement(M.m3/an)Sables verts du bassin parisien 75000 16Sables inférieurs d'Aquitaine 50000 85
Sables de Touraine 25000 20Grès de Lorraine 20000 50
Calcaire de Champigny 3500 35
Source: L'eau souterraine en France
C- 1) Nappes captivesNature: sables, grès, calcaires, karsts anciensRéserve: 100aines de milliards de m3 d'eau douceCaractérisques:
épaisseur moy: 100aine de maquifères multicouches – drainancequalité: peu de pollution mais svt minéralisation excessivealimentation par « zone de charge »
Exploitation: intérêt économique jusqu'à 300m
Source: Les eaux cachées
Les nappes captives en France
Source: BRGM
C- 2) Nappes karstiques
• CaCO3 et Dolomies Ca(CO3)2(Mg dominant)Fortement soluble dans une eau chargée en CO2
CO2 + H2O → CO3H2CO3H2 + CO3Ca ↔ (CO3H)2Ca → CO3H- + Ca2+ solubles
Faut un contact agent d'érosion/rocheOrigine du CO2?Formation des grands karst : pluie et végétation abondante
Ex : Vaucluse : 5 cm d'épaisseur dissout en 1000 ans
Source: www.ens-lyon .fr B.Marsaud
Caractéristiques :vidange des massifs après de grosses pluies
=> irrégularité des débits; sources temporairesqualité des eaux
- abscence de filtration →pollution bactérienne- qlté chim svt bonne
Villes alimentées: Cahors, Montpellier, Nîmes, Besançon..
www.ot-foix.fr/ Sites_touristiques.htm
www.tourinfos.com
La rivière souterraine de Labouiche
C- 3) Nappes des roches dures fracturées
Fonctionnement : équivalent au karstschiste + productif que granite
Caractéristiques : - production modeste → ressource d'appoint
fractures ouvertes les + productives: 0-10m de la S + couloirs de fractures- qualité: chim → bonne (pb Fe)
pH acide; bactériologie- sensible aux pollutions
Villes alimentées : en Corse et Massif Armoricain
C- 4) Nappes libres des formations sédimentaires
Roches poreuses (sable, craie, calcaire) déposées en vastes couches
Sources: C.Megnien/I.A.U.R.I.F
Nappe de Craie
Dépot sédimentaire marin (porosité 45% ms pores fins)hétérogène; Turonien et Sénonien
Ressource potentielle : 12 milliards m3/an
Caractéristiques : puissance 700m ss la Brie; 100m en bordure du bassinpeu perméable: 10-8m/s (perm II : 10-2m/s)excellente résistence à la sécheresse (soutient étiage de la Seine)filtration de l'eau → qualité
→ retardateur de pollution chimique
Exploitation :injection d'acide (productivité *2)
C- 5) Nappes alluviales
Alluvion : dépot fluviatile ou fluvio-glaciaire de sables grossiers, graviers, galets et blocs. Fct du substratum.
Caractéristiques :classement longitudinalfaune spécifique à l'interface rivière/nappe => épurationv = 1 à qques m/j car faible gradient (<1m/km)perméabilité fct de la granulométrie
Exploitation : captage pt être très important; ! Ds le lit majeurinfluence sur débit de la rivière
Villes alimentées : Lyon, Grenoble, Strasbourg, Nice..
Les principalesnappes alluviales en France
Source: Les eaux souterraines en France
C- 6) Nappes littoralesExploitation : prélever la lentille d'eau douce « biseau salé »
débit souvent modesteintrusion d'eau salée
Lutte: surcharge hydraulique (Vendée: injection d'eau usée traitée)
Densité :eau douce = 1eau de mer = 1,027 => eau douce « flotte »
niveau de base = zéro maritimeex: île à terrain perméable h = t/(d-1) = 37tCaptage→2 cônes de dépression h' = 37t'
II- Fonctionnement dynamiqued'une nappe
A- Recharge ou alimentationB- Régime des écoulements souterrainsC- Dynamique été/hivers
A- Recharge ou alimentation
Les pluies efficaces
Ressource primaire disponiplePE = Précipitations – ETR
180 <= 480 300 milliard de m3
→ 80 M = écoulement de surface→100 M = infiltration : RFU + nappes
Facteurs: volume et durée, saison, pente, nature du terrain, végétation et pratiques culturales
S de remplissage varient en fonction du type de nappe
Moyenne des pluies efficaces de 1946 à 2002
Source: Les eaux cachées
B- Régimes des écoulements souterrainsB- 1) Débits
Vol d'eau qui traverse une section transversale d'aquifère par u. de temps ss l'effet d'un gradient hydraulique déterminé
Loi de Darcy Q = (Ks*S*∆h)/LQ: débit m3/sKs : conductibilité hydraulique à saturation
caractérise la facilité de l'eau à traverser un milieu ss l'effet d'un gradient hydraulique
Ks m/s Productivité des puits l/sArgile 0
Sables fins 1Sables grossiers 100
Graviers, cailloutis 1000
10-9
10-4
10-3
10-1
B- 2) Caractéristiques des aquifères
Gradient de charge hydraulique : ii = ∆h/L → pente de la nappe %°
Transmissivité T T = Ks*H m2/sdébut d'eau qui s'écoule d'un aquifère par u. De largeur ss l'effet d'1 u. de gradient hydraulique
Coefficient d'emmagasinement S S = vol d'eau mobilisable/∆h
→ fonction capacitive du réservoir
Diffusivité = T/S m2/sV de réaction d'un aquifère lors d'une perturbation
Vitesse réelle d'écoulement
V = Ks * i/m
ens des vides dispo pr écoulement = porosité cinématique (importance des connections entre les pores)
V d'autant + grande que la section de pore est faible
Ex: porosité cinématique 10% => 300 m/an=> 1000 m/an (peu de connections)
B- 3) Dipersions lors des écoulements
Direction principale : ┴ la penteMs.. pente faible et phénomène de dispersion
Dispersion longitudinale transversale
→ phénomène important dans les pollutions
B- 4) Echanges entre les nappes
Vertical et horizontalNotion de système aquifère
C- Dynamique hivers /été
Alimentation hivernale des nappes.
Source: Les eaux souterraines en France
La sécheressedéficience conjoncturelle des apports d'eau par la pluie
# aridité
caractère polymorphe
Nappe = moy de lutte contre la sécheresse (° de résistance très variable)
Sécheresse d'une nappe; signes avant-coureurs
Sécheresse sol + nappe
Solutions
III- Exploitation d'une nappeA- Les sources B- Ouvrages d'exploitationC- Le prix de l'eau
A- Les sourcesSorties des aquifères: sources, surfaces d'eau libre, dépressions fermées, mer
• source de déversement• source de dépression• source débordement
• source artésienne ou jaillissante• exsurgence• résurgence
Fontaine du Vaucluse
Est d'avignonNappe des réseaux ; calcaire du Crétacé inférieurBassin versant = 1100 km2
Trajet : 22 à 46 km en ligne droiteLa source de Sorgue
à la sortie d'un siphondébits annuels 80 m3/s en crue
20 m3/s en régime moyen4 m3/s en étiage
=> exploitation impossible; ou on peut prélever directement dans des portions de karst noyées
Castle geyser
Old Faithful Geyser
www.yellowstone.net
B- Ouvrages d'exploitationB- 1) Captages de sources
• Fréquents en zone de montagne et de collines• Utilisent l'écoulement gravitaire
+ pas de coût de pompage
-- .vulnérabilité à la pollution.possibilité de tarissement car elles sont en position
haute par rapport à la nappe
B- 2) Les puits
• Technique de construction• Diamètre moyen : 3 à 4 m
+ . très pratique dans les alluvions. longévité, rusticité. possibilité d'utiliser plusieurs pompes
-- . inutilisable pour les nappes profondes(cher, frottements)
. peu performant en terme de débit (barbacanes restreintes, pas de dessablage hydrolique)
Les puits à drains rayonnants
cuvetage vertical étanchedrains horizontaux et sub-horizontaux
+ . une parcelle suffit. évite un rabattement excessif. débit 3 à 4 * sup à celui d'un puit classique
Captage de source au pied d'un talus rocheux Puit à drains rayonnants
Pluie classique en nappe alluviale Forage courant
Source: Les eaux souterraines en France
B- 3) Les forages• Modernes, les plus répandus• Techniques :
. perforation des roches
. évacuation des déblais
. mise en place d'une crépine
. aménagements à l'extérieur du tubage => évacuer la fraction fine = “développement”
Source : www.tema-equipements.fr
Tubes de crépines
B- 4) Cône de dépression
Il existe un régime transitoire pendant lequel le cône se creuse et s'agrandit... de - en - vite jusqu'à ce qu'il se stabilise
Plusieurs captages => vaste zone déprimée
C- Le prix de l'eauC- 1) Composantes du prix de l'eau
45% distribution de l'eau potablecaptage, transport, potabilisation, distribution
34% collecte et traitements des eaux usées15% redevances de l'Agence de l'eau
« préservation de la ressource »« lutte contre la pollution »
6% taxes (TVA, FNDAE, VNF, fonds départementaux)
FNDAE: Fond National pr le Développement des Adductions d'eauVNF: Voies Navigables de France
Distribution:un service public réalisé en grande partie par des sociétés privées → marge bénéficiaire du distributeur
La gestion directe ou "régie"La gestion déléguée
Finance Exploite Propriétaire ProduitRégie Collectivité Collectivité Collectivité Collectivité
Concession Société Société Collectivité SociétéAffermage Collectivité Société Collectivité Société+collectivitéGérance Collectivité Société Collectivité
Régie intéressée Collectivité Société Collectivité Intéressement au résultatCollectivité
C- 2) Evolution du prix de l'eau
1993 → 1,68 euros/m3 TTC2003 → 2,80 euros/m3 TTC
Facteurs d'augmentations:. charges d'assainissement, pr la mise en conformité
avec la directive « Eaux résiduelles urbaines ». redevances des agences de l'eau. recours aux entreprises privées (prix >28% / régies)
IV- Contaminations des ES
A- Qualité des ESB- Pollutions des nappesC- Comment protéger l'eau
A- Qualité des eaux souterraines
A- 1) Eléments présents• Fondamentaux: . CO2 et CO3H2 = CO2 libre . Ca2+
. HCO3 ions bicarbonates . ions H+ et OH-
• Caractéristiques: . cations Mg2+ Na+ K +
. anions No3- Cl2- SO42-
L'eau de pluie n'est pas parafaitement pure...� NaCl sur la côte 10 à 20 mg/l
à 50 km de la côte 4 à 5 mg/là 150 km de la côte 2,5 mg/l
� Influencée par la pollution}En Aquitaine
Eau dans les réservoirs
elle porte la «signature » des terrains qu'elle a traversés......jusqu'à être en équilibre chimique avec le terrain du réservoir
� RS : résidu sec m des éléments chimiques après évaporation mg ou g/l� dH : degré hydrométrique ≡ quantité de CaCO3 dans l'eau
1 ° français = 10 mg/l de CaCO3 � pH
Deux grands types d'eau :
� Dans les terrains siliceux ► eaux douces� Dans les terrains calcaires ► eaux dures
beaucoup de CaCO3 , dépots quand on chauffepeuvent être adoucies par ajout de Na
A- 2) Qualité des eaux de distribution
Directive « Eau potable » 80/778/CEE→décret 2001-1220 du 20 décembre 2001
=> critères de l'eau potable définis par le Ministère de la Santé après avis du Conseil Supérieur d'Hygiène Publique. (DMA)
Surveillance par la Ddass→576 paramètres peuvent être contrôlés
3 causes majeures de pollution :bactériologique < divers < pesticide
A- 3) Eaux minérales et eaux de sources
Eaux minérales: ES naturellement pure dt la composition physico-chimique
est constante, dt les quantités thérapeutiques ont été reconnues par l'Académie nationale de Médecine et dont l'autorisation de consommation par le public a été reconnue par le Ministère de la Santé.
Eaux de sources: ES naturellement potables et d'origine déterminé ,
"microbiologiquement saine et protégée contre les risques de pollution".
B- Pollutions des nappesB- 1) Sources de pollutions
Pollution : dégradation d'un milieu naturel par introduction d'un polluant. en l'absence de conséquences négatives pour le milieu, on ne peut pas parler de pollution.
La pollution domestique La pollution urbaineLa pollution industrielleLa pollution d'origine agricoleLes contaminants naturels
B- 2) Quatre catégories de substances polluantes
Source: Les eaux souterraines, connaissance et gestion
B- 3) Pollutions diffuses et ponctuelles
Pollution diffuse
Activités agricoles. élevages. grandes cultures
Décharges d'ordures ménagères et déchets industriels
Pollutions ponctuelles
Détection par l'aval
Détection par l'amont
C- Comment protéger l'eau?Périmètres de protection
Loi sur l'eau du 3 janvier 1992
Périmètre de protection immédiate→ zone d'appel du captage 20*20m
Périmètre de protection rapprochée→ épuration micribiologique L = V * tps d'autoépuration
Périmètre de protection éloignée→ l'alimentation du captage(en théorie) 2 * zone 2
« servitude du bassin versant »
V- Gestion de l'eau
A- Ressources et utilisationsB- Point règlementaireC- Risques et comment les éviter
A- Ressources et utilisations
A- 1) Ressources françaises
= 6300 petits aquifères sur le territoire200 aquifères régionaux exploitables (2/3 du territoire)
→ 25 nappes captives→ 175 nappes libres
200 aquifères => 2000 Md m3 dt 100 Md s'écoulent annuellement vers les sources
A- 2) Utilisations par usage
En eau potable 62% eaux souterraines
Totale = 31 Md m3 en 200079% eaux de surface 21% captives21% eaux souteraines dt 46% alluviales
33% libres non alluviales
10% agriculture 12% industrie19% eau potable 59% refroid
centralesConsommation nette/an = 3,7 Md m3 en 2000
68% agriculture 5% industrie24% eau potable 3% énergie
B- Point règlementaireB- 1) La loi du 16 décembre 1964
première grande loi française sur l'eau
organise la gestion de l'eau autour des six grands bassinshydrographiques français (découpage naturel selon les lignesde partage des eaux)
promeut, à l'intérieur de chaque bassin, la notion de "gestion globale de l'eau" dans l'intérêt de tous.
instaure le principe du "pollueur-payeur", visant àpréserver la qualité de l'eau.
la gestion de l'eau est attribuée à une Agence de l'eau au seinde chaque bassin
Loire-Bretagne
Adour-Garonne
RhôneMéditerranée
et Corse
Seine-Normandie
Artois-Picardie
Rhin-Meuse
Source: Agence de l'eau
7 bassins → 6 agences de l'eau
B- 2) La loi du 3 janvier 1992
• l'eau devient "patrimoine commun de la nation"Sa protection, sa mise en valeur et le développement de sa ressource utilisable sont donc d'intérêt général.
• "respect du milieu naturel".principe de protection des écosystèmes aquatiques, qualité et quantitédes ressources
• périmètre de protection (3 zones)autour de chaque captage d'eau potable d'ici 97
• SDAGE (Schéma Directeur d'Aménagement et de Gestion des Eaux)
SAGE (Schéma d'Aménagement et de Gestion des Eaux)
SDAGE
→ fixe pour chaque grand bassin hydrographique des orientations fondamentales pour une gestion équilibrée de la ressource en eau
• Poursuivre la collaboration solidaire des pays • Protéger les eaux souterraines, réduire la pollution diffuse• Réduire les substances toxiques• Restaurer la qualité des eaux de surface • Assurer une alimentation en eau potable • Améliorer la fiabilité et les performances des ouvrages• Limiter les inondations par la prévention • Protéger les aquifères alluviaux • Renforcer la protection des zones humides et milieux remarquables• Intégrer la gestion de l’eau dans les aménagements et développement
économique
SAGE une déclinaison locale de ces enjeux et définit les actions nécessaires
SAGEs en 2003
Source: IFEN
Projet de loi
Pourquoi? Cours des comptes→pb de redevances85% particuliers15% industriels1 % agriculteurs => 70% de l'eau en France
=> réforme de politique de l'eau. but: mieux prendre en compte les pollutions d'origine agricole
=> création d'une redevance spécifique sur les excédents d'azote dont le tx est discuté par les agriculteurs
C- Risques et comment les éviter
C- 1) Effets de l'homme
Abaissement du niveau piézométriquePollution des nappesAssèchement de terrains superficielsDiminution du débit des sourcesTassement et subsidenceEffondrements brutauxIntrusion d'eau salée en zone littoraleAppels d'eaux polluées
C- 2) Quelques cas particuliers
Les zones d'éclusesniveaux piézométrique remonte en amont et baisse en aval
Extraction de granulat1 français consomme 6t de granulats/an
alluvions (interdit)approv faible; érosion régressive; dragage à sec; segmentation des nappes; controverse
granulats concassés de roches massivespollution accidentelle; acide sulfurique
Colmatage des berges; désherbage; irrigation
C- 3) Interventions
Restaurer un niveau de nappe satisfaisantFavoriser l'infiltrationRecharge artificielleObturer les exutoires naturels
Actions qualitativesInjection d'eau enrichie en O2Injection de bactéries « mangeuses de pétrole »
Etudes préliminaires avant de construireFondation et stabilitéNiveaux enterrés
Cerner l'adéquation nature des besoins/qualité des eauxIrrigation = cuissonAlimentation = industrie agro-alimentaireSanitairesAquacultureRefroidissement des installations industrielles
La rechage activedes nappes
Source: Les eaux souterraines connaissance et gestion
CONCLUSION
Les enjeuxCertaines demandes en ES spécifiques car→ très large répartition spaciale: alim en eau « quasi sur place »→ bonne qualité bactériologique : AEP→+/- grde régulation annuelle, voire interannuelle => réserve régulatrice “de secours”
Alimentation des cours d'eau et rivières; préservation des zones humides
Besoins annuels moyens par habitants :
>1000 m3/an Satisfaisant< 500 m3/an Préoccupant pour la santé
→ consommation moyenne 700 m3/an...consommation des pays industrialisés > 1600 m3/an !
Quelques solutions au niveau mondial
Recherche et exploitation de nx gisementsValorisation d'aquifères très profondsDessalement de l'eau de merTransport d'icebergAméliorer l'exploitationGestion active des eaux
Atlas des eaux souterraines de la FranceLes eaux cachéesL ’eau souterraine en FranceHydrologie Principes et MéthodesLes eaux souterraines connaissance et gestion
http://www.environnement.gouv.frhttp://www.rnde.tm.frhttp://www.eaufrance.tm.frhttp://ades.rnde.tm.frhttp://www.oieau.frhttp://www.brgm.frhttp://www.worldwatercouncil.org
Merci de votre attention...
....Des questions? (!!!)