Bouzelboudjen M., Kiraly L., Kimmeier F., Zwahlen F. (1997). Représentation schématique des écoulements souterrains en
Suisse. Profils hydrogéologiques issus de modèles mathématiques 3-D à éléments finis. Planche 8.3. de l’Atlas Hydrologique Suisse. Office Fédéral de la Topographie et Service Hydrologique et Géologique National, Berne.
http://www.hades.unibe.ch/de/produkte/druckausgabe/boden-und-grundwasser/tafel-8-3 http://www.hades.unibe.ch/downloads/01/content/Tafel_83.pdf
Geological and hydrogeological profiles, part 2: hydrogeology
Bouzelboudjen M., Kiraly L., Kimmeier F., Zwahlen F.
Centre d’Hydrogéologie, Université de Neuchâtel
Introduction
Groundwater flow patterns in the subsurface of the Swiss Plateau are illustrated schematically
(fig. 1). The main difficulty in representing graphically such patterns lies in the
fact that groundwater flows in a three-dimensional space. In order to facilitate the reader’s
understanding, the main directions of flow are represented in vertical profiles and on
maps (plane view) showing the lateral extension of some of the most important aquifers.
The system of groundwater flow
Water can be found in pores and fissures down to a depth of several thousands of metres
below sea level: this water is called groundwater. Groundwater (fig. 2) flows from recharge
areas, which are generally situated in elevated areas, towards discharge zones, which mainly
correspond to the hydrographic system of lakes, streams and valleys. The average direction
of groundwater flow is represented schematically by flowlines or flow fields. This direction
as well as the velocity of groundwater flow is expressed in the simplest case by Darcy’s law
(cf. «definitions»).
According to theoretical studies by
9
, flowlines represent the local, intermediate or regional
flow systems that exist between recharge and discharge areas (cf. fig. 3, which shows
different flow systems within a theoretical, homogeneous hydrogeological basin). One
can understand intuitively that flow systems represent an ideal framework to study the
thermal, chemical and isotopic properties of groundwater. Even an approximate knowledge
of these properties can provide valuable information (even if it is qualitative) about the
possible transport of dissolved substances in groundwater at various depths (e.g. as a result
of rock- water interactions). Figure 3 shows that the location of sources of dissolved
substances with respect to local, intermediate or regional flow systems is an essential
component to understand the distribution of dissolved substances within the aquifer.
Moreover, it is important to notice that the hierarchic structure of flow systems results from
the hierarchic structure of the hydrographic network, or, more precisely, of the discharge
zones.
Direct measurements of the directions of groundwater flow at any point of the earth’s crust
are largely impossible. This means that flow fields need to be inferred in most cases by
indirect methods, such as mathematical modelling (cf. «definitions»).
Das Modellgebiet wird in sogenannte «finiteff Elemente» mit ein-fachen cc geometrischen Formen aufgeteilt (siehe Schemacc ). Die Form der Elemente ist durch die Position der auf den Elementseiten liegenden Knotenpunkte definiertff . Jedem Element wird ein Durch-lässigkeits- und ein Speicherkoeffizientwert ff zugeteilt. Integriert man die die Grundwasserströmung beschreibende Differentialgleichung in jedem Element, so ergibt sich cc daraus eine Anzahl linearer Glei-chungen
cc , welche der Zahl der Knotenpunkte im Modell entspricht (gewöhnlich zwischen 1 000 und 200 000). Die Lösung des Glei-chungssystems
cc [4] liefert für jeden Knotenpunkt entweder das hy-draulische Potential (bei Angabe der Infiltrations- ff oder Entnahme-mengen) oder die Zu- und Wegflüsse WW (bei Angabe der Potentiale). Potentiale, Infiltrations- ff und Entnahmemengen sowie Nullfluss-grenzen werden als «Randbedingungen» bezeichnet. Ohne Randbe-dingungen kann man die Grundwasserströmung nicht cc simulieren.
Pr P
P inzip der «Finite-Elemente-Methode» Pr
P
P incipe des modèles mathématiques à «éléments fiff nis»
Defi
ff nitionen
Défi
ff nitions
Hydraulisches PoPP tential Po P P tentiel hydrauliqueRedaktion und kartographische Bearbeitung: cc Rédaction et élaboration cartographique:
Geographisches Institut der Universität Bern – Hydrologie cc Institut de géographie de l’Université de Berne – Hydrologie
Geologisch
cc e und
hydrogeologisch
cc e Pr
P
P ofi
ff le,
Te
T
T il 2: Hydrogeologie
Coupes géologiques et
hydrogéologiques,
ème
2
part
rr ie: hydrogéologie
Autoren / A A
A AAuteurs:
Mahmoud Bouzelboudjen, László Király, Francesco Kimmeier, François ZwahlenZZ
Absc A
A cchluss der wissensccchaftliccchen Bearbeitung 1996 Elaboration scientifique acff cchevée en 1996
Druck / Impression: Bundesamt für Landestopographie, Wabern–Bern WW Office fédéral de topographie, Wff WWabern–Berne
© Landeshydrologie und -geologie, BUWAL, Bern 1WW 997 Service hydrologique et géologique national, OFEFP, Berne 1PP 997
Schematisches Blockdiagramm des hydrogeologischen Modells Bloc-diagramme schématique du modèle hydrogéologique
Legende
Légende
N S
Gebiete der Infiff ltration und der Exfiff ltration Zones d’alimentation et d’exutoire
Schematische Grundwasserströmungssysteme Schéma des systèmes d’écoulement souterrain
Boden Sol
Kleine, lokale Grundwasserströmungssysteme Systèmes d’écoulement souterrain locaux Grundwasserleiter
Aquifère
Mittleres, subregionales Grundwasserströmungssystem Système d’écoulement souterrain intermédiaire
Fliessrichtung des Grundwassers Direction d’écoulement Grundwasserhalbleiter
Aquitard
Grosses, regionales Grundwasserströmungssystem Système d’écoulement souterrain régional
Grundwasserisohypsen [m] Equipotentielles [m]
Höhe über dem Referenzniveau Altitude au-dessus du niveau de référence Grundwasserströmungssystem
Système d’écoulement souterrain
Grundwasseroberfläche Surface de la nappe libre Infiltrationff
Alimentation
Fliessrichtung des Grundwassers; Fliesszeiten (1: Tage, TT 2: Jahre, 3: Jahrzehnte, 4: Jahrhunderte, 5: Jahrtausende) Direction d’écoulement; temps de séjour (1: jours, 2: années, 3: décennies, 4: siècles, 5: millénaires)
Nach cc [9], überarbeitet und vereinfacht D’après [9], modifié ff et simplifiéff A 200 2 2 2 2 2 2 2 0000000000000000 1 1 1 1 1000 3 3 300 3 3 3 3 3 00000000000000 0 2000 4000 6000 m 41 44 60 4000 H [m] 1 2 3 3 4 5 H Fig. 2 Fig. 3
Pr
P
P ofi
ff l 1
Coupe 1
-8 km -6 -4 -2 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 -8 km -6 -4 -2 0 NNWÜberlinger See Untersee Thur Thur Bisschchoofsszeell
Thur
Säntis Walensee
Fulfirst Meelss Vättis
Felsberg
SSE
Fliessgewässer im Modell Cours d’eau du modèle
Lage des dreidimensionalen Modells Situation du modèle tridimensionnel
Verwerfungen V
V und Überschiebungen im Modell Failles et chevauccc hements du modèle Lage der Profileff
Situation des coupes
3
Das hydraulische Potential in einem beliebigen Punkt «A» des Aqui-fers ist definiert ff als die Summe der Positionshöhe des Punktes «A» über einem Referenzniveau und der im selben Punkt gemessenen Druckhöhe. Das hydraulische Potential ist nicht c gleich dem Druck des Grundwassers im Punkt «A».
Défini ff en un point quelconque «A» de l’aquifère, le potentiel hydrau-lique est la somme de l’altitude de ce point au-dessus d’un niveau de référence et de la hauteur d’eau correspondant à la pression de l’eau souterraine en ce même point. Le potentiel hydraulique n’est pas égal à la pression de l’eau souterraine au point «A».
Grundwasserisohypsen Equipotentielles Hydraulischer Gradient Gradient hydraulique Flussvektor (Filtergeschwindigkeit) Ve V
V cteur flff ux (vecteur vitesse de fiff ltration)
Der Flussvektor ist das Produkt des hydraulischen cc Gradienten und der Durchlässigkeit cc des Grundwasserleiters (Darcy-Gesetz).
Le vecteur flux est le produit du gradient hydraulique par la perméa-bilité ou la conductivité hydraulique de l’aquifère (loi de Darcy). Der hydraulische cc Gradient ist ein VektorVV , der an jedem Punkt des Aquifers senkrecht cc zu den Grundwasserisohypsen steht.
Le gradient hydraulique est un vecteur qui est perpendiculaire aux équipotentielles en tout point de l’aquifère.
Grundwasserisohypsen sind im zweidimensionalen Fall Linien und im dreidimensionalen Fall Flächen, welche Punkte mit gleichem hy-draulischem Potential verbinden.
Les équipotentielles sont des lignes (cas bidimensionnel) ou des sur-faces (cas tridimensionnel) reliant les points de même potentiel hy-draulique.
Nach cc [7], überarbeitet D’après [7], modifiéff
Quartäre TaTT lfüff llungen
Remplissage quaternaire des vallées Im Modell verwendete Serien
Regroupement des séries utilisées dans le modèle Nr.
o N
K / T
Mit Fliessgewässern hydraulisch cc verbundene quartäre Aquifere Aquifères quaternaires liés aux cours d’eau Fliessgewässer Cours d’eau 1 – – –1 –4 T 10 –10 Nr. o N K T Kristallines Grundgebirge Socle cristallin
Simulationen der Störungen Simulations des discontinuités
Permo-Karbon Permo-Carbonifère
Pe P
P rmo-Karbon-Trog unter dem Jura Fossé permo-carbonifèff re sous le Jura
Verwittertes V V Kristallin Cristallin altéré Verwittertes V
V Kristallin unter dem Permo-Karbon
Cristallin altéré sous le Permo-Carbonifère
Unverwittertes Kristallin Cristallin non altéré
18 19 20 21 22 –10 K 10 –7 K 10 –7 K 10 –11 K 10 –11 K 10
Sedimente des Helvetikums s. l. Sédiments de l’Helvétique s. l. –6 K 10 –6 K 10 –3 T 10 –6 K 10 Kalkaquifere des Helvetikums
Aquifères calcaires de l’Helvétique Sandsteinaquifere des Helvetikums Aquifères gréseux de l’Helvétique Kalkaquifere der Randkette Aquifères calcaires de la Chaîne bordière
2 3 4 5
Mittelländische Molasse, subalpine Molasse (einschliesslich tertiärer Flysche)
Molasse du Plateau, Molasse subalpine (Flyschs tertiaires inclus) –7
K 10
–8
K 10 Flysch und Molasse (TertiärTT )
Ensemble flyschs et molasse (Tertiaire)TT 6 7
Ta T
T feff l- und Faltenjn ura, Mesozoikum unter dem Molassebecken, Bedeckung der kristallinen Externmassive
Jura tabulaire et plissé, Mésozoïque sous le Bassin molassique, couverture des massifs ff cristallins externes
–5 K 10 –9 K 10 –6 T 50·10 –6 K 10 –10 K 10 –10 K 10 –6 T 40·10 –6 K 10 –10 K 10 –5 T 10 Kalkaquifere der Kreide und des
oberen Malms
Aquifères calcaires du Crétacé et du Malm supérieur 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 Geringdurchlässige Formationen des Doggers, des Lias und des KeupersKK Formations peu perméables du Dogger, du Lias et du KeuperKK Mergelformationen des Malms Formations marneuses du Malm Hauptrogenstein
Hauptrogenstein
Aquifere des oberen Doggers Aquifères du Dogger supérieur
Gesamtheit der Mergelformationen des Malms und der geringdurch-lässigen Formationen des Doggers, des Lias und des KeupersKK
Regroupement des formations marneuses du Malm et des formations peu perméables du Dogger, du Lias et du KeuperKK
Kalkaquifere des oberen Muschelkalkes Aquifères calcaires du Muschelkalk supérieur
Geringdurchlässige Formationen des mittleren und unteren Muschelkalkes Formations peu perméables du Muschelkalk moyen et inférieur Buntsandstein und verwittertes Kristallin
Buntsandstein et Cristallin altéré
Üb Ü
Ü rige Angaben Autres infoff rmations
Modellierte Grundwasserisohypsen [m] Equipotentielles simulées [m] Grundwasseroberfläche Surface de la nappe libre Fliessrichtung des Grundwassers Direction d’écoulement
Die Länge der Pfeile entspricht dem Logarithmus des Fluss-vektors.
La longueur des flèches correspond au logarithme du vecteur flux.
7700 77
Kristallin-Sediment-Kontakt KK seitlich des Rheingrabens (erscheint nur in der drei-dimensionalen Darstellung 1:800 000) Contact entre cristallin et sédimentaire en bordure du Fossé rhénan (n’apparaît que dans la représentation 1:800 000) Verwerfungen
V
V und Überschiebungen Failles et chevauccc hements
23
–7
K 10 –
Numerierung der Durchlässigkeits- und Transmissivitätsklassen
T T
Numérotation des classes de perméabilité et de transmissivité Durchlässigkeitsbeiwert K [m/s] Valeur V V de la perméabilité K [m/s] 2 Transmissivitätswert T T T [m /s] 2 Valeur V V de la transmissivité T [m /s]
Die Durchlässigkeitsbeiwerte (dreidimensionale Elemente) und die Transmissivitätswerte
T
T (zweidimensionale Elemente) geben Grössen-ordnungen an, die sich cc aus der Berechnungsvariante für diese Tafel TT ergeben haben. Die Transmissivität TT entspricht dem Produkt aus dem Durchlässigkeitsbeiwert nach cc Darcy und der Aquifermächtig-keit. Die im Netz des mathematischen Modells verwendeten zwei-dimensionalen Elemente sind zwischen die dreizwei-dimensionalen Elemente eingefügt.
Les valeurs de perméabilité (éléments tridimensionnels ) et de trans-missivité (éléments bidimensionnels ) représentent des ordres de grandeur pour la variante de calcul retenue pour cette planche. La transmissivité correspond au produit du coefficient ff de perméabilité (de Darcy) par la puissance (ou épaisseur) de l’aquifère. Les élé-ments bidimensionnels utilisés dans le réseau du modèle mathéma-tique sont pris en «sandwich» entre les éléments tridimensionnels .
–6
T 5·10
On subdivise la région d’écoulement en «éléments finis», ff de géo-métrie relativement simple (voir schémacc ), chaque cc élément étant défini ff par la position d’un certain nombre de «noeuds» (points sur les arêtes). En attribuant à chaque cc élément une perméabilité et un coefficient ff d’emmagasinement, et en intégrant l’équation différentielle sur chaque
cc élément, on obtient autant d’équations linéaires qu’il y a de noeuds dans le modèle (généralement entre 1 000 et 200 000). En résolvant le système d’équations [4], on calcule, pour chaque cc noeud, soit le potentiel hydraulique (là où le débit est imposé), soit le débit entrant ou sortant (là où le potentiel est imposé). Les valeurs de po-tentiel ou de débit imposées sont appelées «conditions aux limites». Sans l’imposition des conditions aux limites, il est impossible de simuler les écoulements souterrains.
Exfiltrationff Exutoire Infiltration ff (A)
Alimentation (A)( )
Dreidimensionale Darstellung der simulierten Grundwasserströmung
Représentation tridimensionnelle des écoulements souterrains simulés
Horizontaler Massstab 1:800 000Echelle cc horizontale 1:800 000
Legende siehe Profileff Légende voir coupes
OOlltteenn AAaarree -8km -6 -4 -2 0 0 0 -8 kmm -66 -6 -6 -666 -66 -6 -44 -22 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 300 4444 4 44 4 400 4 00 50055 400 5 5 5 5 5 5000000000 55 55 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 500000000000000000000000000 55 5 5 5 5 5 700 77 8 800 900 100011 100011 110011 1211 00 121100 9 00 000000 000 00000000000 1311 00 1411 000 1511005500 1600 1711 00777777 66 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 60000000000000000000000000000000 NNW
RRhheeiinn BBaaddeennwweeiilleerr WiWieessee
Rheinfelden Wi Willlliissaauu AAaarree SSE 6 600 600 800 800
Pr
P
P ofi
ff l 3
Coupe 3
-8 km -6 -4444 -2 -2 0 SWEmme Langenthal Wigger Reuss Limmat Töss Wil Thur Bodensee
NE -8 kmm -66 -44 -22 0 0 0 0
Massstab der Profile ff 1:500 000, dreifach überhöht / Echelle cc des coupes 1:500 000, exagération verticale trois fois
Lage des Untersuchungsgebietes
Situation de la zone d’étude
Fig. 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1::::::::::222222222222202222220000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 40404040400000000000000kmkkkkkkkkmkmkkmkmkmkmkmkmkmkmkmk RRhheeiinnPr
P
P ofi
ff l 2
Coupe 2
NNHYDROLOGISCHER ATLAAA S DER SCHWEIZ
ATLA A
A NTE IDROLOGICO DELLA SVIZZERA
ATLA A
A S HYDROLOGIQUE DE LA SUISSE
Simulierte hyydraulische Po
P
P tentiale an der Oberfl
ff äche des Malms
Po
P
P tentiels hydrauliques simulés à la limite supérieure du Malm
Modellierte Grundwasserisohypsen [m]Equipotentielles simulées [m] Fig. 4
Fliessrichtung des Grundwassers Direction d’écoulement Die Länge der Pfeile entspricht dem Logarithmus des Flussvektors. La longeur des flèches correspond au logarithme du vecteur flux.
Fig. 5
Simulierte hydraulische Po
P
P tentiale an der Oberfl
ff äche des Kristallins
Po
P
P tentiels hydrauliques simulés à la limite supérieure du Cristallin
0 10 20 30 km
1: 800 000
Der Maalmaquifer ist ein zentrales Element des tiefen Grundwas-mungssystems
serström . Die Infiltrationsgebiete ff liegen im Süden (Auf-AA sccchlussggebiet, siehe dreidimensionale Darstellung 1:800 000), der
wasserfluss
Grundw ist nach cc Norden in Richtung cc der regionalen VorVV -fluter usgericau htet (Raum Konstanz KK in Figur 4 und Bereich der Aare in Prof l ff 2).il
L’aquifèère L
L du Malm joue un rôle important dans la circulation pro-fonde es de eaux souterraines du bassin. Les zones d’alimentation sont
au sud (
situées a zone d’affleurement dans la représentation tridimen-le
sionnell 1:800 000) et les eaux souterraines s’écoulent vers les exu-toires égionaux ré situés au nord (région de Constance sur la figure ff 4 et région de d l’Aar dans la coupe 2).
Modellierte Grundwasserisohypsen [m] Equipotentielles simulées [m] Fliessrichtung des Grundwassers Direction d’écoulement Die Länge der Pfeile entspricht dem Logarithmus des Flussvektors. La longeur des flèches correspond au logarithme du vecteur flux.
0 10 20 30 km
1: 800 000
Die InfI iltrationsgebiete ff des verwitterten Kristallins liegen im Aar- und im Schwarzwaldmassiv cc (siehe dreidimensionale Darstellung 1:800 000). Die diese Horizonte überlagernden Schic0 cc cchtensind sehr
gdurc
gering hlässig; daher ist eine Infiltration ff ausserhalb der beiden ive
Massi ausgeschlossen. Demzufolge findet ff Exfiltration ff nur in den Fällen statt, in denen das Kristallin aufgeschlossen ist (Profil n ff 1). Im
ngebiet
Alpen kann Grundwasser vor allem im oberen Aaretal, in den TTälern der Reuss, des Rheins, der Linth sowie im «Fenster von
s»
Vättis exfiltrierenff . Im Schwarzwald cc liegen die Exfiltrationsgebiete ff in n den Tälern der Wiese WW und der Dreisam sowie des Rheins zwischen Bad SäcS kingen und TiengenTT . Aus AA Profil ff 2 geht hervor, dass das
Grund-er
wasse vom Süden her den Jura unterströmt und ins Rheintal exfil-ff triert. . Der Vorfluter VV bildet die Grenze zwischen zwei regionalen
ndwasserströmungssystemen
Grun im Norden und Süden. Im Nord-en
weste fliessen die Kristallin-Grundwässer aus dem modellierten Ge-biet aba (Region Neuenburg am Rhein / Illfurth). Unter der
Molasse-dec
überd kung verläuft die Grundwasserströmung im Kristallin bis zur hauptübersc
Jurah hiebung nahezu horizontal. Je weiter man sich c der ndwassersc
Grun heide zwischen Süd und Nord nähert, umso bedeu-er
tende wird die vertikale Komponente KK der Grundwasserströmung im rwitterten
unver Kristallin (Profil ff 2, nördlich von Olten). Im Bereich des ntales
Rhein drainiert die verwitterte Kristallinoberfläche die anderen, ger
gering verwitterten Kristallinhorizonte (Profil ff 2, Region Rhein-n
felden). Profil ff 2 verdeutlicht den Charakter des Rheintales als regio-nales Exfiltrationsgebietff .
Les ones z de recharge cc de la partie supérieure altérée du Cristallin se ent
trouv dans le massif de l’Aar et dans celui de la Forêt Noire (voir sentation
représ tridimensionnelle 1:800 000). Comme les formations qui urmontent su la partie supérieure du Cristallin sont très peu
per-bles
méab , l’alimentation de cette série géologique ne peut se faire en rs
dehor des deux régions citées. Par conséquent, la décharge cc s’effectue en rface sur dans les points bas où affleure le Cristallin, c’est-à-dire dans les allées va (coupe 1). Dans les Alpes, cette décharge c est possible
prin-ement
cipale dans le cours supérieur de l’Aar, de la Reuss, du Rhin, de la Lin , ainsi qu’à la «fenêtre de Vättis». Dans la Forêt Noire, la nth déc arge ccha s’effectue dans les vallées de la Wiese, WW de la Dreisam et du Rhin, , entre Bad Säckingen et TiengenTT . La coupe 2 montre que les eaux
enant
prove du sud passent sous le Jura et se déversent dans la vallée du Rhin. . Cette zone d’exutoire constitue une limite de séparation des mes d’écoulement souterrain régionaux provenant du sud et du systèm
nord . Dans la partie nord-ouest, les eaux souterraines du Cristallin ent
quitte la région modélisée (secteur Neuenburg am Rhein / Illfurth). Sous le bassin molassique, les lignes d’écoulement dans le Cristallin sont pratiquement p parallèles jusqu’au chevauccc hement principal du Jura. Au AA fur et à mesure que l’on approche de la limite de partage des eaux entre e le sud et le nord, les flux verticaux dans la partie non altérée du ristallin Cr deviennent importants (coupe 2, au nord de Olten). Dans la région proche de l’exutoire de la vallée du Rhin, la partie supérieure
ée
altéré du Cristallin draine les autres parties du Cristallin peu altéré (coup 2, région de Rheinfelden). La coupe 2 met en évidence le rôle pe de la vallée v du Rhin comme zone d’exutoire régional.
HYDROLOGISCHER ATLAAA S DER SCHWEIZ
ATLA A
A NTE IDROLOGICO DELLA SVIZZERA
ATLA A
A S HYDROLOGIQUE DE LA SUISSE
HYDROLOGICAL ATLAAA S OF SWITZERLAND
