L'exploitation des eaux souterraines — Cours SVT Bac Agro

Dans le programme du Bac Agro

Coefficient 5 en Bac Sciences Agronomiques, à égalité avec la Physique-Chimie et les Sciences des Plantes et des Animaux. L'unité « eau et production agricole » est propre au programme Agro : elle relie la SVT aux pratiques d'irrigation et d'élevage que l'épreuve de SPA met en œuvre.

À l'épreuve

Exploitation d'une coupe géologique (couches perméables et imperméables), d'une carte piézométrique à interpréter (sens d'écoulement, zone de recharge), de courbes d'évolution du niveau d'une nappe ou de sa salinité. Calculs simples : gradient hydraulique, débit par la loi de Darcy, rabattement.

Objectifs d'apprentissage

Définir un aquifère à partir des notions de porosité et de perméabilité
Distinguer nappe libre, nappe captive et nappe artésienne sur une coupe
Lire une carte piézométrique et en déduire le sens d'écoulement de la nappe
Calculer un gradient hydraulique et un débit avec la loi de Darcy
Expliquer les conséquences de la surexploitation d'une nappe (baisse du niveau, intrusion saline)

Notions clés

Aquifères : porosité et perméabilité

Un aquifère est une formation géologique qui contient de l'eau (elle est poreuse) et la laisse circuler (elle est perméable) : sables, graviers, grès, calcaires fissurés. La porosité est la proportion de vides d'une roche ; la perméabilité est son aptitude à laisser passer l'eau. Une argile est très poreuse mais imperméable : elle retient l'eau sans la céder, et forme le « mur » ou le « toit » des nappes.

Nappe libre, nappe captive

Une nappe libre (phréatique) a une surface en contact avec l'air à travers les couches qui la surmontent : son niveau monte et descend librement, elle se recharge directement par la pluie, mais elle est vulnérable aux pollutions de surface. Une nappe captive est comprise entre deux couches imperméables : l'eau y est sous pression ; dans un forage, elle remonte au-dessus du toit de la nappe, et jaillit si elle dépasse le sol (nappe artésienne). Elle se recharge lentement, dans sa zone d'affleurement.

La piézométrie et la loi de Darcy

Le niveau piézométrique est l'altitude de l'eau mesurée dans un puits. Une carte piézométrique relie les points d'égal niveau (isopièzes) : l'eau s'écoule perpendiculairement aux isopièzes, des niveaux hauts vers les niveaux bas. Le gradient hydraulique vaut

i = \dfrac{\Delta h}{L}

. La loi de Darcy donne le débit à travers une section

S

Q = K \cdot S \cdot i

, où

K

(m/s) est la perméabilité de l'aquifère.

Exploiter sans épuiser

Puits et forages prélèvent l'eau ; le pompage crée un cône de rabattement autour de l'ouvrage. Quand les prélèvements dépassent la recharge, le niveau de la nappe baisse d'année en année : les puits s'assèchent, il faut forer plus profond, l'énergie de pompage augmente. Sur les littoraux, la baisse du niveau provoque l'intrusion d'eau de mer dans l'aquifère, qui se salinise et devient inutilisable pour l'irrigation. La gestion durable passe par la limitation des prélèvements, les contrats de nappe et la recharge artificielle.

Erreurs fréquentes

Confondre porosité et perméabilité : l'argile est poreuse mais imperméable, elle ne forme pas un aquifère exploitable.

Dessiner le sens d'écoulement parallèle aux isopièzes : il leur est perpendiculaire, vers les niveaux les plus bas.

Croire qu'une nappe captive se recharge par la pluie tombée au-dessus d'elle : sa recharge se fait dans sa zone d'affleurement, souvent éloignée.

Oublier les unités dans la loi de Darcy : K en m/s, S en m², i sans unité, Q en m³/s.

Exemple corrigé

Énoncé

Deux puits distants de

L = 1{,}2\ \text{km}

dans la direction d'écoulement ont des niveaux piézométriques de

85\ \text{m}

79\ \text{m}

. L'aquifère a une perméabilité

K = 2\times10^{-4}\ \text{m/s}

et la section traversée vaut

S = 600\ \text{m}^2

. Calculer le gradient hydraulique et le débit de la nappe.

Correction

Sens. L'eau s'écoule du puits à 85 m vers le puits à 79 m.

Gradient.

i = \dfrac{\Delta h}{L} = \dfrac{85 - 79}{1200} = 5\times10^{-3}

Débit (loi de Darcy).

Q = K \cdot S \cdot i = 2\times10^{-4} \times 600 \times 5\times10^{-3} = 6\times10^{-4}\ \text{m}^3/\text{s}

Conversion.

6\times10^{-4} \times 3600 \approx 2{,}2\ \text{m}^3/\text{h}

, soit environ

52\ \text{m}^3

par jour à travers cette section.

Le cours, puis l'entraînement.

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3 exercices pour t'entraîner

Exercice 1

Facile

Citer une roche qui forme un bon aquifère et une roche qui forme une couche imperméable. Justifier.

Voir la correction

Un sable ou un grès est un bon aquifère : il est poreux et ses pores communiquent, donc il stocke l'eau et la laisse circuler. Une argile est imperméable : ses pores minuscules retiennent l'eau, qui ne circule presque pas.

Exercice 2

Moyen

Dans une plaine côtière, la salinité de l'eau d'un forage passe de 0,5 g/L à 3 g/L en quinze ans, pendant que le niveau de la nappe baisse de 10 m. Expliquer.

Voir la correction

Normalement, l'eau douce de la nappe, plus haute que la mer, repousse l'eau salée vers le large. Les pompages excessifs ont fait baisser le niveau de la nappe : la pression de l'eau douce diminue et l'eau de mer s'infiltre dans l'aquifère vers l'intérieur des terres. Le forage capte un mélange de plus en plus salé : c'est l'intrusion saline, causée par la surexploitation.

Exercice 3

Difficile

Sur une coupe, une couche de sable est comprise entre deux couches d'argile. Elle affleure en montagne à 600 m d'altitude. Un forage en plaine, à 200 m d'altitude, atteint ce sable : l'eau jaillit au-dessus du sol. Nommer ce type de nappe et expliquer le jaillissement.

Voir la correction

C'est une nappe captive artésienne. L'eau, qui s'infiltre dans le sable à l'affleurement (600 m), est confinée entre deux couches imperméables : elle est sous pression. Son niveau piézométrique, proche de l'altitude de la zone de recharge, est supérieur à l'altitude du sol en plaine (200 m). Quand le forage perce le toit argileux, l'eau remonte jusqu'à ce niveau et jaillit naturellement.

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Questions fréquentes

Comment se recharge une nappe ?

Par l'infiltration d'une partie des pluies et des eaux de surface (oueds, lacs, eaux d'irrigation) dans les zones où l'aquifère est perméable et accessible. La recharge est lente : des mois, des années, voire bien plus pour les nappes profondes.

Pourquoi une nappe libre est-elle plus vulnérable à la pollution ?

Aucune couche imperméable ne la protège : les nitrates, pesticides ou lixiviats qui s'infiltrent depuis la surface l'atteignent directement. Une nappe captive est protégée par son toit imperméable, sauf dans sa zone d'affleurement.

Qu'est-ce que la recharge artificielle ?

C'est l'apport volontaire d'eau à une nappe : bassins d'infiltration alimentés par des crues, petits barrages qui ralentissent l'eau des oueds, injection d'eaux traitées. Elle compense en partie les prélèvements.