Recherche et exploitation des nappes dans les régions arides

L a recherche des nappes et des sources ainsi que leur exploitation n’offrent aucune difficulté hydrodynamique. Leur captage n’apporte qu’une amélioration des pointe de sortie de l’eau.

I1

peut être souvent techniquement diflìcile, mais

il

introduit raremeut des perturbations dans l’hydraulique générale des nappes.

I1

n’en est pas de m ê m e de l’exploitation des nappes par puits et forages.

I1

faut alors tenir compte de tous les facteurs essentiels qui interviennent dans la pertur- bation du régime de la nappe par suite de l’extraction de l’eau en des points s o m m e toute anormaux. U n e connaissance de tous ces facteurs est de première importance pour interpréter les observations faites sur les niveaux des nappes à la suite de l’éta- blissement de puits et de forages, et formuler des prévisions.

N o u s verrons que les facteurs essentiels qui contrôlent l’action des puits sont : lo les caractéristiques de l’alimentation des nappes;

20

la distance des puits à la zone d’alimentation; 30 la distance des puits à la zone d’évacuation naturelle;

40

le caractère du cône de dépression du puits.

Toutes les eaux souterraines d’importance économique sont en mouvement. U n e nappe immobile est dénuée d’intérêt, absence de m o u v e m e n t signifiant absence d’alimentation.

Exploiter une telle nappe reviendrait simplement à tirer l’eau d’une réserve épuisable.

L a pente de la surface piézométrique a donc une importance aussi considérable que la perméabilité o u aussi la transmissivité de l’aquifère. Ces deux éléments

-

pente et transmissivité ou perméabilité

-

sont

A

égalité dans la formule de Darcy.

Les vitesses le plus souvent enregistrées sont de quelques dizaines à quelques cen- taines de mètres par an dans les nappes phréatiques : dans certaines nappes artésiennes, elles sont le plus souvent encore beaucoup plus faibles, par exemple

2

à

3

mètres par a n dans la nappe des sables paléocènes de l’Aquitaine, un demi-mètre par a n dans la nappe dite de 1’Albien du Sahara.

I1

faut en outre tenir compte d’un autre point de vue. Les nappes d’eau souterraine subissent des perturbations : u) des oscillations dues aux variations saisonnières d’ali- mentation;

b)

des oscillations de longue durée, dues a u x alternances de périodes multiannuelles sèches et humides; c) des oscillations de durée géologique, c o m m e celles qui ont affecté le Quaternaire.

N o u s laissons de côté les autres perturbations provoquées par les variations de la pression atmosphérique, les marées terrestres et toutes autres perturbations de très courte durée,

qui

n’interviennent pas dans les problèmes d’alimentation des nappes.

Cela dit, on peut admettre que les nappes sont approximativement en équilibre dynamique, c’est-à-dire qu’elles débitent autant d’eau qu’elles en reçoivent.

Toute modification dans Ia décharge de la nappe par captage de puits, dans l’ali- mentation par recharge ou par évapotranspiration, amènera une perturbation dans le régime naturel de l’écoulement.

L a prise d’eau de la nappe par captage ou par puits, ou bien diminuera le débit des autres points d’eau, o u bien nécessitera une nouvelle augmentation de l’alimentation.

Toute diminution ou toute augmentation de l’alimentation amènera une diminution ou un accroissement d u débit des points d’eau.

L E S C O N D I T I O N S D A N S L A Z O N E D ’ A L I M E N T A T I O N

L’alimentation permanente peut être due : lo à la pluie; 20 à l’infiltration d’eau de rivière;

30

à une alimentation indirecte par une autre nappe.

D’une manière générale, on ne prend pas suffisamment en considération ce dernier facteur.

I1

ne peut être négligé, surtout lorsqu’on abaisse la surface piézométrique de la nappe exploitée. U n e alimentation indirecte de cet ordre survient quand existent des nappes adjacentes ou bien des nappes supérieures ou inférieures ayant une zone de contact avec la nappe.

La

baisse de potentiel se transmet alors à ces nappes qui livrent leur eau. M & m e lorsqu’il

y

a des nappes superposées ou sous-jacentes, séparées de la nappe exploitée par un imperméable, la baisse de pression fait suinter de l’eau à travers le toit ou le mur.

Si

peu perméables que soient ce toit et ce mur, la quantité d’eau

qui

arrive en supplément à la nappe peut constituer une fraction non négligeable de l’alimentation de la nappe, car le débit unitaire est à multiplier par la grande sur- face d u toit et d u mur.

En

ce qui concerne l’alimentation,

il

faut considérer deux cas :

1.

L’intensité de l’alimentation potentielle annuelle ou saisonnière est supérieure à la quantité d‘eau que peut recevoir la nappe en un temps donné. L’aquifère se remplit complètement puis déborde.

I1 y

a des zones marécageuses aux affleurements, et des Bources de trop p l e h

I1

est donc possible d’augmenter le débit de la nappe en puisant de l’eau à l’aval, c’est-à-dire d’augmenter les ressources qu’on demande à la nappe.

2.

L’intensité de l’alimentation annuelle ou saisonnière est inférieure à la capacité d’absorption de la nappe.

I1

s’établit un équilibre hydrodynamique. L a pente de la surface piézométrique s’abaisse de manière que la décharge égale la recharge.

L’alimentation est alors fonction de la quantité d’eau reçue par la pluie sur le sol, des infiltrations d’eau de rivière, de la vitesse de descente de l’eau infiltrée, du déficit de capacité d’eau de rétention du sol, provoqué par l’évapotranspiration.

D a n s ce dernier cas,

il

est impossible de faire débiter à la nappe plus que ce qu’elle débitait, à moins de créer une suralimentation a u x affleurements. L a seule augmentation de débit qui pourrait se produire serait un drainage d’une autre nappe ou une alimentation par le toit ou le mur, à la suite de la baisse de pression de la nappe.

L E S C O N S É Q U E N C E S D U E S A U P U I S A G E D E L’EAU A L’AIDE D E P U I T S E T F O R A G E S

Lorsqu’on p o m p e dans un puits ou que l’eau fait débiter un forage, on crée un cône de dépression

qui

se propage,

il

ne faut pas l’oublier, jusqu’aux limites externes de l’aqui- fère. Mais

il

n’atteint ces limites qu’au-delà d’un certain temps.

L a formule de Theis :

24

Recherche et exploitation des nappes

dans laquelle

A

est le rabattement en mètres à tout point,

Q

le

débit

en m 3 / s d u puits et

T

le coefficient de transmissivité en m3/s/m7 montre que, pendant la période transitoire de propagation du cône, sa dimension horizontale est indépendante du

débit. Si

l’on double celui-ci, le rabattement en chaque point est doublé. Mais le cône n’a pas pour cela un diamètre plus grand. L’extension d u cône ne dépend que des propriétés du ter- rain aquifère et d u temps.

I1

est extrêmement important à noter que, tant que le cône continue à s’étendre, c’est-à-dire tant qu’il n’a pas atteint les limites de l‘aquifère,

il

ne s’établit pas de nouvel équilibre dans le régime de la nappe à l’extérieur d u cône, c’est-à-dire entre l’alimentation de la nappe et la décharge.

On

se borne en effet à puiser

de

l’eau dans des réserves. L e nouvel équilibre ne se produit qu’une fois que le cône a rejoint la zone d’alimentation et la zone d’émergence.

L a vitesse de propagation d u cône est inversement proportionnelle a u coefficient d’emmagasinement,

S.

D a n s les nappes libres,

S =

n

x 10-l.

D’une manière générale,

il y

Correspond sensiblement a u specijic yield. L’extension est alors très lente, le cône de dépression n’atteignant les limites du système aquifere qu’au bout d’un temps très long.

Et

le nouvel équilibre de la nappe ne peut s’établir qu’au bout

de

ce temps.

D a n s les nappes captives, le coefficient d’emmagasinement ne correspond plus a u specijc yield, mais à la compressibilité

de

l’aquifère et à la dilatation de l’eau. C’est dire que

S

a toujours des-valeurs très petites,

de

l’ordre de

Le

cône s’étend donc très rapidement : 100,

1000, 10 O00

fois plus vite que dans le cas des nappes libres;

il

atteint très rapidement les limites d u système aquifère, de sorte que l’équilibre nouveau peut se réaliser en un temps relativement court et un nouveau régime de circulation s’établit.

loA4,

I1

est b o n

de

donner ici une

idée

des vitesses de propagation d u cône :

Ainsi, dans une nappe libre ayant une transmissivité

T =

1’25

x

m3/s, et un coefficient d’emmagasinement

de

0’2, l’extension d u cône en fonction du temps s’effectue très lentement.

m3/s et un coefficient d’emmagasinement

S =

1

x

l’extension d u cône en fonction d u temps est beaucoup plus rapide.

A u contraire, dans u n e nappe captive ayant une transmissivité

T =

1’25

x

Extension du cône (en mètre*).

1 m n I h 1 jonr 10 jours 100 jours 1000 jours

Nappe libre 0,91 7,11 34,8 110 348 1100

Nappe captive 41 318 1558 4 930 15580 49 300

Lorsque le cône a atteint la zone d’alimentation,

il

est modifié par les effets de l’apport d’eau dans cette zone.

De

m ê m e , lorsqu’il a atteint la zone d’émergence,

il

est modifié par l’effet

de

l’arrêt ou

de

la diminution d u

débit

des émergences.

Si

le taux

de

pompage ne dépasse pas le débit d’alimentation et celui d’écoulement hors

de

la nappe, le cône arrivera à un état d’équilibre, en même t e m p s que la nappe atteindra son nouvel équilibre.

Si

le taux

de

pompage est plus élevé, la nappe s’affaiblit, sa surface piézométrique s’abaisse continuellement et les puits o u forages atteignent la réserve de la nappe, réserve qui n’a qu’une durée limitée.

L E S D É B I T S A D E M A N D E R A U X N A P P E S , D É B I T S D E S É C U R I T É

Dès

lors, la question suivante se pose : quels débits peut-on demander aux nappes et quel est le débit m a x i m u m , que nous appellerons ⁽⁽débit de sécurité D, au-del8 duquel on provoquerait son épuisement

?

C o m m e nous l’avons dit, lorsqu’on soustrait de l’eau d’une nappe à l’aide de puits ou de forages, on c o m m e n c e par puiser dans ses réserves mais on capte ensuite une partie d u débit m ê m e de la nappe. Nous avons donc à examiner tout d’abord la sous- traction initiale de l’eau des réserves puis l’utilisation normale, en régime permanent, de la nappe.

Prise

dans les réserves.

Les conditions ne sont pas les m ê m e s suivant qu’il s’agit d’une nappe libre ou d’une nappe captive.

D a n s une nappe captive, la quantité d’eau qu’on tire de la réserve est fournie par la diminution de pression de la nappe; or cette diminution de la pression augmente d’autant l’action de la pression de la couverture

de

la nappe sur le toit de celle-ci, d’où compression de l’aquifère. Mais, la compressibilité des terrains étant relativement faible, la quantité d’eau ainsi prise dans la réserve est minime. D’autre part, c o m m e le cône s’étend rapidement, la réserve est très vite épuisée.

Néanmoins la quantité d’eau ainsi libérée n’est pas aussi négligeable qu’on pourrait le croire a priori.

Si

nous admettons donc un coefficient d’emmagasinement de une baisse courante de pression de 10 m d’eau livrera un volume de m3, soit

1

litre par mètre carré de surface de nappe, et

1 O00 O00

de mètres cubes pour une nappe normale d’une superficie de

1 O00 km2. On

obtiendrait u n débit de

2 700

m3/jour, o u 310 l/s, si l’on retirait cette eau en un an.

D a n s les nappes libres, la quantité d’eau prise dans la réserve est considérablement plus grande, puisqu’elle est égale à la porosité effective, multipliée par le volume d’aquifère existant entre la nouvelle et l’ancienne surface piézométrique. L e coefficient d’emmagasinement en porosité effective peut atteindre facilement

0,ZO.

M ê m e si l’on a une nappe libre dix fois moins grande, soit de

100 km2,

en abaissant la surface piézo- métrique de

3

m seulement, on retirera de la réserve

60 O00 O00

mètres cubes.

Mais c o m m e le cône ne s’étend que très lentement, le puisage dans la réserve se fait pendant un temps très long, sans affecter sensiblement le régime d’ensemble de la nappe.

Prise

dans le de’hit de la nappe, dans les ((ressou.rces naturelles )I.

Ainsi,

on prend dès lors très rapidement l’eau à l’écoulement propre de la nappe, dans le cas des nappes artésiennes, Cela n’a lieu que très tardivement au contraire, souvent de nombreuses années après, dans le cas des nappes libres.

C e supplément d’eau disponible ne doit pas faire illusion sur les possibilités ultérieures de la nappe.

O n

n’avait fait que puiser dans une importante réserve qu’on n’aura plus à sa disposition.

On

ne saurait trop insister sur cet aspect du problème de l’utilisation des nappes.

U n e fois ce régime établi, on ne peut prendre à la nappe plus que ce qu’elle débite.

I1

faut donc établir un débit de sécurité. Ce débit, c’est celui de la nappe.

I1

est

dif-

ficile de le calculer 8 l’aide de la surface d’alimentation, car ce dernier ne peut jamais être déterminé a priori d’une manière suffisamment précise.

L e meilleur m o y e n est encore d’estimer le débit de la nappe à partir de la pente de la surface piéeométrique, de la transmissivité et de la longueur du front de la nappe qui peuvent être plus aisément calculées.

26

Recherche et exploitation des nappes Mais

il y

a deux sortes de débits d’alimentation à considérer : lo le débit primitif, avant tout établissement de captage; 20 le débit nouveau, débit de la nappe plus grand que le débit primitif car

il

s’y ajoute : a) l’eau qui s’infiltre en plus grande quantité par la zone d’alimentation, par suite de la suppression des trop-pleins, lorsque ceux-ci existent;

b)

l’eau non évapotranspirée en raison de la baisse de la surface piézométrique qui empêche les plantes de retirer de grandes quantités d’eau par évapotranspiration, là où la surface piézométrique de la nappe était au voisinage du sol; c) l’eau drainée des autres nappes par suite de la baisse de pression de la nappe qui introduit une plus grande différence de pression entre celle-ci et les nappes adjacentes.

11 y

a aussi suralimenta- tion par des nappes latérales ou à travers le toit ou le m u r de la nappe.

On

voit donc qu’on a parfois intérêt à demander à la nappe un débit plus grand que le débit primitif, afin de récupérer l’eau qui aurait pu être perdue, dans les trop-pleins, par évaporation et afin de soutirer l’eau à des nappes voisines.

Mais naturellement

il

faudra estimer le nouveau débit de sécurité afin de n e pas le dépasser.

Disposition des puits.

Reste à savoir quelles sont les meilleures dispositions à adopter pour exploiter la nappe.

kvidemment, le premier facteur à prendre en considération est celui de l’utilisation des puits. Mais ce facteur mis à part,

il y

a tout avantage à disperser les points de captage, de manière à ne pas provoquer de baisse trop localisée de la surface piézo- métrique. Cette baisse doit être étalée aussi largement que possible. Ensuite, ces points de captage seront disposés le long d’un front de la nappe, plutôt que parallèle- m e n t à la direction des íilets liquides. L a nappe doit être exploitée dans toute sa largeur.

I1

est préférable de placer les zones de captage dans les zones ou au voisinage des zones où la nappe affleure vraiment ou presque, par exemple : a) dans les zones alimentées par u n trop-plein; on permet ainsi à la nappe de recuperer le débit des sources de trop-plein et l’eau évapotranspirée ;

b)

dans les zones d’émergences; on récupère les filets perdus des émergences et l’eau évapotranspirée; e) dans les zones où Ia nappe affleure presque, on récupère encore l’eau évapotranspirée.

On

voit ainsi c o m m e n t on peut agir sur l’économie de la nappe, afin d’en obtenir le meilleur rendement.

On

pourrait penser que si l’on retire de la nappe, à l’aide de puits ou de forages, la quantité d’eau que celle-ci reçoit de la zone d’alimentation, on asséchera sa partie aval. Mais on a reconnu que le débit des puits n’arrêtait pas le débit des émergences naturelles.

Relation entre le débit des puits et forages et le débit des nappes.

U n e des questions les plus importantes de l’hydrogéologie est de connaître la relation qui existe entre le débit des puits et forages et le débit des nappes.

I1

ne s’agit pas, en effet, de creuser n’importe oh des puits et forages et d’en extraire des débits quelconques.

Il

y a intérêt à savoir quel débit on peut retirer d’une nappe et de connaître le m a x i m u m de ce débit, m a x i m u m au-delà duquel on risque d’épuiser la nappe.

S’il

s’agit d’une nappe sans écoulement, le problème est simple; dans ce cas, on n’a affaire qu’à un réservoir souterrain sans alimentation.

L a

quantité d’eau qu’on retirera au m a x i m u m sera celle du volume d’eau de gravité, renfermée dans la couche aquifère dont on mesurera les dimensions.

I1

est à remarquer que ces volumes sont souvent énormes, beaucoup plus grands qu’une estimation à première vue ne l’indique.

I1

est toujours bon de se livrer à quelques calculs très simples. Ainsi supposons une couche aquifère de

10

m d’épaisseur, ayant une surface de 10

km2,

chiffre qui n’est pas très élevé.

Si

le specijc yield de cette couche est de

0’2,

on pourra retirer un volume de

20

millions de mètres cubes d’eau, soit

10

l/s pendant soixante-trois années.

FIG.

2. Surface piézométrique d'une nappe à écoulement, autour d'un puits ou d'un forage;

lignes d'égal potentiel et lignes de courant.

28

Recherche et exploitation des nappes

Mais la sagesse conseille de n e pas puiser l’eau dans un capital qui doit servir de volant;

il

faut puiser, non dans les réserves, mais dans les ressources naturelles. Ces ressources sont données par l’écoulement

de

la nappe.

Alors que toute nappe sans écoulement a nécessairement une surface piézométrique horizontale, toute nappe qui s’alimente et qui

débite,

c’est-à-dire toute nappe en m o u - vement, à une surface inclinée.

Lorsque l’on p o m p e dans u n puits ou dans un forage, on produit un cône ou plus exactement une zone d‘abaissement de pression autour d u puits ou d u forage. D a n s le cas d’une nappe libre, cette zone de dépression se traduit par un abaissement de la surface de la nappe, tandis que dans une nappe captive,

il

n’y a qu’un abaissement

de

la surface piézométrique. Mais nous pouvons

y

distinguer (voir

fig. 2)

un cône d’appel ou une zone d’appel, constitués par toute la partie de la nappe dont les filets liquides se dirigent vers le forage ou vers le puits.

C e cône ou zone d’appel comprend donc un rayon d’appel et un périmètre d’appel o u périmètre d’emprunt. Au-delà de cette zone d‘appel existe une zone de la nappe, influencée par l’appel d u forage ou d u puits, mais dont les

Nets

échappent à cet appel N o u s appellerons cette zone : cône ou zone d’influence o u d’action.

Enfin nous appellerons rayon fictif u n rayon qui, d u point de vue hydraulique, se comporte c o m m e le rayon d’action.

U n puits

[67]

ou un forage prélève dans la nappe une partie

de

son écoulement, passant à travers une longueur

F

de front

de

nappe.

Si i

est la pente de la surface piézométrique de la nappe,

K

la perméabilité,

T

la transmissivité, q le

débit

d u puits, le front

F

d’emprunt d u puits est

Or, le

débit

d’un puits ordinaire est :

c o m m e

H2 -

h2 In Rflr q - K

F z= 2xRf (3)

H2

- h2 Rf In Rf

=

^~

2 Hi ⁽⁴⁾

Cette dernière équation permet, sans connaître la perméabilité,

de

déterminer le rayon fictif d u puits et par là, à l’aide

de

l’équation

(3)’ F;

et à l’aide

de

l’équation

(l), K

ou

T.

Si

l’on connaît le front total

L

de la nappe, on a donc pour

débit

total

de

la nappe :

Q =

TiL

S’il

s’agit d’une nappe captive, le

débit

d’un forage est : A

In Rf/r

q

=

2xKH ^~ on a donc :

On peut

de

la nieme manière déterminer le rayon fictif

Rf,

le front d’emprunt

F,

la Perméabilité

K

ou la transmissivité

T,

puis le

débit

total

de

la nappe.

L’auteur

[68]

a appliqué cette méthode à l’étude des rapports entre les débits d’ex- traction des forages puisant l’eau dans la nappe des sables paléocènes d u bassin Aqui- tain, et l’alimentation de cette nappe.

Les fronts d’emprunt de chaque puits au forage sont situés en amont de chacun d’eux.

O n

voit donc, c o m m e nous l’avons déjà indiqué, qu’on a intérêt à aligner les forages de manière que les fronts d’emprunt, eux aussi, se succèdent le long de la zone d’alimentation, sans se chevaucher.

Par la méthode précédente,

il

est ainsi possible d’adapter au débit naturel des nappes les débits des puits et des forages.

L e débit ainsi calculé est le débit naturel, c’est-à-dire la ressource naturelle de la nappe, celui que fournit l’alimentation annuelle.

En

réalité, on peut, dans un grand nombre de cas, tirer davantage sans épuiser la nappe.

En

effet, lorsqu’on p o m p e

L e débit ainsi calculé est le débit naturel, c’est-à-dire la ressource naturelle de la nappe, celui que fournit l’alimentation annuelle.

En

réalité, on peut, dans un grand nombre de cas, tirer davantage sans épuiser la nappe.

En

effet, lorsqu’on p o m p e

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