1.3.2.2 Caractéristiques intrinsèques générales de la phase aqueuse

D’une façon analogue à ce qui a été développé pour la phase solide, il est possible de définir quelques paramètres de base permettant de caractériser la présence de l’eau dans le milieu souterrain.

En considérant à nouveau que l’on s’intéresse à un élément de volume de matériau souterrain (V ), on peut définir :

la masse d’eau présente (M):

M

_w

le volume effectif d’eau présent (L³):

V

_w

la proportion volumique d’eau dans le milieu

(teneur en eau) (-):

θ = V

_w

V

la masse volumique de l’eau (ML^-3):

ρ

_w

= M

_w

V

_w

De ces paramètres, c’est la teneur en eau

θ

qui sera la plus utilisée dans la suite des développements relatifs à la zone non saturée. Elle constitue la variable de base permettant de quantifier la quantité d’eau présente en tout point du milieu souterrain.

I.1.3.3 La phase gazeuse

La phase gazeuse est constituée par l’air présent dans la part de porosité du sol non occupée par l’eau. Cet air étant un fluide, il présente un comportement assez similaire à celui de l’eau, avec toutefois une mobilité plus grande et des propriétés qui lui sont propres (compressibilité, effet plus marqué de la température, …).

Dans la zone racinaire, l’air peut avoir une composition assez variable dans l’espace et le temps. Cela résulte de nombreux processus de production et de consommation par les racines des plantes, mais aussi d’échanges avec l’air atmosphérique proche (des échanges ont notamment lieu par diffusion moléculaire à travers la surface du sol). A plus grande profondeur, du fait de la disparition de la matière organique et de la diminution des échanges avec l’atmosphère, la composition de l’air est généralement moins variable, principalement influencée par le degré d’humidité (H_r). Celui-ci exprime le rapport entre la pression de vapeur existante (

p

_v) et saturante (

p

_vs),

H

_r

= p

_v

p

_vs (-).

-- G Gé én né ér ra al li it té és s e et t d dé éf fi in ni it ti io on ns s - - - - 3 33 3 - - I.1.3.3.1 Hypothèse de mobilité parfaite de la phase gazeuse

Les phases aqueuse et gazeuse partageant le même espace poreux, il existe une interactivité très grande entre elles (v. également le ch.I.2 à ce sujet), tant sur le plan physico-chimique (dissolution d’air dans l’eau, vaporisation de l’eau) que sur le plan de leur mobilité respective. En toute rigueur, le mélange eau - air doit être traité comme un mélange multiphasique. On simplifie généralement ce problème en supposant que l’air est infiniment mobile (hypothèse de mobilité parfaite). Ce faisant, on suppose que toute la phase gazeuse est à la même pression atmosphérique (

p

_atm) et on n’a plus à se préoccuper de son mouvement. Son rôle se cantonne à limiter l’espace poreux pouvant être occupé par l’eau. Son influence se retrouve aussi implicitement dans la manière de représenter le mouvement de l’eau dans la zone non saturée (caractère non linéaire de l’écoulement).

Il existe toutefois une situation pour laquelle l’hypothèse de mobilité parfaite peut conduire à une représentation peu précise des phénomènes : les « effets pistons » (piston flows). Dans le cas d’une forte recharge pluviométrique, l’apport massif d’eau au sommet de la zone non saturée peut entraver partiellement la mobilité ascensionnelle de l’air dans le milieu souterrain. Dans ce cas, cet air se met sous pression et influence de deux manières la mobilité de l’eau dans le milieu non saturé : l’eau arrivant depuis la surface est freinée dans sa progression vers le bas et l’eau située sous cette « poche » d’air est « poussée » vers le bas par la surpression se développant dans l’air. Ces effets, fréquemment constatés en laboratoire, se produisent régulièrement sur le terrain.

F^ORSYTH (1988) a comparé mathématiquement et numériquement l’approche monophasique non saturée correspondant à l’hypothèse de mobilité parfaite de l’air et l’approche biphasique non saturée. Ses travaux confirment que dans la plupart des cas, l’approche monophasique est suffisamment précise. De plus, si l’étude de la composition et de la dynamique de la phase gazeuse est très importante sur le plan agronomique (processus d’aération du sol,…), elle l’est beaucoup moins quand l’objectif est d’étudier les eaux souterraines. L’hypothèse de mobilité parfaite permet donc d’exclure la phase gazeuse du champ de la recherche.

-- P Ph hé én no om mé én no ol lo og gi ie e e et t m mo od dé él li is sa at ti io on n d de es s é éc co ou ul le em me en nt ts s - - - - 3 35 5 - -

I.2 Hydrostatique du milieu variablement saturé

I.2.1 Forces agissant sur l’eau dans le sous-sol

L’eau présente dans le sous-sol est soumise à l’influence de plusieurs forces. Ces forces peuvent agir dans des sens divers et de leur résultante dépend le mouvement de l’eau. Si toutes les forces se compensent exactement, un équilibre hydrostatique est atteint et l’eau n’est animée d’aucun mouvement. Généralement, ces forces sont étudiées via une approche thermodynamique, par l’intermédiaire des potentiels énergétiques qui leur sont associés. Ces potentiels peuvent s’exprimer sous la forme d’une quantité d’énergie par unité de poids (donc en unités de longueur : J N =m) dont dispose l’eau pour se mouvoir dans le sous-sol.

Les principaux sont le potentiel de pression, le potentiel de gravité et le potentiel cinétique.

Ce dernier étant proportionnel au carré de la vitesse, il est généralement négligeable dans le milieu souterrain où les écoulements sont habituellement très lents. A ces potentiels principaux, on peut ajouter des potentiels liés à des effets thermiques, électriques et chimiques. Généralement, ces trois dernières catégories sont négligées. Ce n’est que dans des cas très particuliers qu’il est vraiment nécessaire de les considérer (par exemple les effets thermiques doivent être considérés dans le cas particulier des eaux thermales, voire pour des circulations à grande profondeur, en milieu montagneux). On se contentera de décrire les deux premières catégories de potentiels et leurs conséquences sur la statique puis sur la dynamique de l’eau dans le milieu souterrain.

I.2.1.1 Potentiel de pression

L’ensemble de l’eau présente dans le sol subit l’effet de la pression atmosphérique. Selon la nature et l’importance des autres forces auxquelles l’eau est soumise, son état de pression peut varier autour de cette valeur de référence. Sous la surface piézométrique (surface correspondant à une pression nulle), l’eau subit l’effet de la pression hydrostatique produit par la colonne d’eau qui la surmonte. Au-dessus de cette même surface, l’eau est soumise à l’action des forces de rétention agissant à la surface du solide. Elle se trouve alors dans un état de sous pression (tension) par rapport à la pression atmosphérique.

La notion de potentiel étant relative, on peut considérer la pression atmosphérique comme référence (

p

_atm

= 0

). Ceci permet d’établir une distinction nette entre deux parties de l’aquifère où des phénomènes physiques très différents agissent. Dans ce système de référence, le potentiel de pression est positif sous la surface piézométrique, négatif au-dessus. Cela correspond aussi (à la frange capillaire près, cfr le point I.2.1.2) à la distinction entre la zone saturée de l’aquifère où la teneur

en eau du milieu est quasi constante⁴ et indépendante de l’état énergétique du système et la partie non saturée où la teneur en eau est variable.

Il faut toutefois remarquer que le choix de la pression atmosphérique comme pression de référence se justifie pour des études hydrogéologiques à l’échelle locale ou semi-régionale, comme c’est le cas ici. Les variations régionales de pression atmosphérique (essentiellement liées à des variations d’altitude) peuvent jouer un rôle non négligeable sur la dynamique des eaux souterraines à grande échelle, ainsi que dans les zones présentant des variations importantes de relief (ex : en montagne).

Les différentes forces agissant sur le potentiel de pression de l’eau sont décrites ci-dessous.

Dans le document Laboratoires de Géologie de l’Ingénieur, d’Hydrogéologie et de Prospection géophysique (Page 38-42)