Poly Hydrogéologie-Hydrologie

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ème
année – 2
ème
semestre
Hydrologie et Hydrogéologie
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Responsable: V. MERRIEN-SOUKATCHOFF Année Universitaire 2012/2013

Eaux souterraines – Avril 2013 – Véronique MERRIEN-SOUKATCHOFF
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Hydrologie et Hydrogéologie–Avril 2013 – Véronique MERRIEN-SOUKATCHOFF
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Hydrologie et Hydrogéologie–Avril 2013 – Véronique MERRIEN-SOUKATCHOFF
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A Hydrologie ......................................................................................................................... 8
A.1Le cycle de l'eau et bilans .................................................................................................... 8
A.2Le Bassin versant ............................................................................................................... 10
A.2.1Notion de bassin versant ............................................................................................................... 10
A.2.1.2Le bassin versant hydrogéologique ...................................................................................... 11
A.2.2Caractéristiques morphométriques ................................................................................................ 12
A.2.2.1En plan ................................................................................................................................. 12
A.2.2.1.1Surface ............................................................................................................................ 12
A.2.2.1.2Caractéristiques de longueur ........................................................................................... 14
A.2.2.1.3Caractéristiques de forme ............................................................................................... 14
A.2.2.2Caractéristiques des altitudes (hypsométrie) ....................................................................... 16
A.2.2.3Indices de pente ................................................................................................................... 16
A.2.2.3.1Pente moyenne ................................................................................................................ 16
A.2.2.3.2Indice de pente de Roche ................................................................................................ 17
A.2.2.3.3Indice de pente globale ................................................................................................... 18
A.2.2.3.4Dénivelée spécifique ....................................................................................................... 18
A.2.3Caractéristiques du réseau hydrographique ................................................................................... 19
A.2.3.1Hiérarchisation du réseau .................................................................................................... 19
A.2.3.2Lois de Horton ..................................................................................................................... 20
A.2.3.3Autres caractéristiques ......................................................................................................... 21
A.2.3.4Profil en long ....................................................................................................................... 22
A.2.4Caractéristiques géologiques ......................................................................................................... 22
A.2.5Le couvert végétal ......................................................................................................................... 23
A.2.6Caractéristiques glaciologiques ..................................................................................................... 23
A.3La Pluie ............................................................................................................................... 24
A.3.1Mesure des précipitations .............................................................................................................. 24
A.3.2Synthèse des mesures de précipitations ......................................................................................... 24
A.3.3Calcul de la pluie moyenne sur un bassin versant ......................................................................... 24
A.3.4Statistiques sur les données pluviométriques ................................................................................ 25
A.4Le retour de l'eau à l'atmosphère : évaporation et évapotranspiration ........................ 25
A.4.1Généralités. Définition du pouvoir évaporant. .............................................................................. 25
A.4.1.1Les formes du retour de l'eau à l'atmosphère ....................................................................... 25
A.4.1.2Pouvoir évaporant de l'atmosphère. ..................................................................................... 26
A.4.1.3Pouvoir évaporant des surfaces d'eau libre. ......................................................................... 26
A.4.2Mesures de paramètres physiques conditionnant l'évaporation. .................................................... 27
A.4.2.1Températures ....................................................................................................................... 27
A.4.2.2Humidité de l'air .................................................................................................................. 27
A.4.2.2.1Psychromètre .................................................................................................................. 27
A.4.2.2.2Hygromètres ................................................................................................................... 28
A.4.2.3Pression ................................................................................................................................ 28
A.4.2.4Rayonnement solaire ........................................................................................................... 28
A.4.2.5Vent ..................................................................................................................................... 28
A.4.3Mesure de l'évaporation ................................................................................................................ 28
A.4.3.1Mesures de l'évaporation à partir d'une surface libre : les bacs ........................................... 28
A.4.3.1.1Les bacs placés au-dessus du niveau du sol .................................................................... 29
A.4.3.1.2Les bacs enterrés ............................................................................................................. 29
A.4.3.1.3Les bacs flottants : .......................................................................................................... 29
A.4.3.2A partir des surfaces poreuses (les atmomètres) .................................................................. 30
A.4.3.3Formules empiriques d'estimation du pouvoir évaporant .................................................... 30
A.4.3.3.1Formule de Lugeon ......................................................................................................... 30
A.4.3.3.2Formule de Meyer ........................................................................................................... 30
A.4.3.4Ordre de grandeur du pouvoir évaporant ............................................................................. 31
A.4.4Mesures et estimation de l'évapotranspiration réelle et potentielle ............................................... 31
A.4.4.1Notion d'évapotranspiration réelle et potentielle ................................................................. 31
A.4.4.2Mesures directes .................................................................................................................. 31
A.4.4.2.1Les cases lysimètriques (mesure de ETR) ...................................................................... 31

Hydrologie et Hydrogéologie–Avril 2013 – Véronique MERRIEN-SOUKATCHOFF
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A.4.4.2.2Les parcelles d'essai ........................................................................................................ 32
A.4.4.3Estimation de l'évapotranspiration ....................................................................................... 32
A.4.4.3.1Evapotranspiration potentielle ........................................................................................ 32
A.4.4.3.2Evapotranspiration réelle ................................................................................................ 32
A.4.4.4Bilan au niveau d'un bassin versant ..................................................................................... 32
A.5Les écoulements de surface ............................................................................................... 35
A.5.1Mesure des débits .......................................................................................................................... 35
A.5.2Estimation des débits de fréquence rare ........................................................................................ 35
A.5.2.1A partir des statistiques sur les débits .................................................................................. 35
A.5.2.2A partir de modèles pluie-débit ........................................................................................... 35
A.6Annexe : Quelques rappels de statistiques ....................................................................... 36
A.6.1a - Rappels sur la notion de population ......................................................................................... 36
A.6.2b - Rappels sur la notion d'échantillon. ......................................................................................... 36
A.6.3c - Ajustement ............................................................................................................................... 37
A.6.4d - Danger d'apparition .................................................................................................................. 37
A.7Bibliographie Hydrosystèmes ........................................................................................... 38
A.8Quelques revues ................................................................................................................. 38
A.9Quelques sites web HYDRO & Environnement .............................................................. 39
B Eaux souterraines ............................................................................................................ 41
B.1Introduction - généralités .................................................................................................. 41
B.2L'eau dans le réservoir : la porosité ................................................................................. 41
B.2.1Caractérisation : la porosité ........................................................................................................... 41
B.2.2Différents types de classification de la porosité ............................................................................ 42
B.2.3Classification de la porosité par rapport à la taille des pores ........................................................ 42
B.2.4Classification par rapport à l'origine ............................................................................................. 42
B.2.5Classification morphologique........................................................................................................ 43
B.2.5.1La porosité d'interstices (intergranulaire) : les pores ........................................................... 43
B.2.5.1.1La porosité d'interstices simple ou nette ......................................................................... 43
B.2.5.1.2La porosité d'interstices restreinte ................................................................................... 43
B.2.5.1.3La porosité d'interstices réduite ....................................................................................... 43
B.2.5.2La porosité de fissure ........................................................................................................... 43
B.2.5.2.1Porosité de joints ............................................................................................................. 44
B.2.5.2.2Porosité de diaclases ....................................................................................................... 44
B.2.5.2.3Porosité de failles ............................................................................................................ 44
B.2.5.2.4Porosité de schistosité ..................................................................................................... 44
B.2.5.2.5Porosité de retrait ............................................................................................................ 44
B.2.6Ordre de grandeur de la porosité ................................................................................................... 44
B.2.7Mobilité de l'eau dans le sol : eau liée, eau libre, l'égouttage des roches ...................................... 45
B.2.7.1Eau libre, eau liée ................................................................................................................ 45
B.2.7.2L'égouttage des roches ......................................................................................................... 46
B.2.7.3Relations air-eau pour différents degrés de saturation ......................................................... 46
B.2.7.4Pression capillaire ................................................................................................................ 46
B.2.8Profil hydrique des sols ................................................................................................................. 47
B.3Les mouvements de l'eau dans les roches : perméabilité ................................................ 47
B.3.1Rappel sur la charge hydraulique .................................................................................................. 47
B.3.1.1Charge hydraulique .............................................................................................................. 47
B.3.1.2Cas des sols .......................................................................................................................... 48
B.3.1.2.1Charge Hydraulique ........................................................................................................ 48
B.3.1.2.2Notion de hauteur piézométrique .................................................................................... 48
B.3.2Expérience de Darcy ..................................................................................................................... 49
B.3.3Expérience de Reynolds (pour mémoire) ...................................................................................... 51
B.3.4Ecoulement dans les roches stratifiées .......................................................................................... 51
B.3.4.1Perméabilité horizontale : .................................................................................................... 52
B.3.4.2Perméabilité verticale. ......................................................................................................... 52
B.3.5Mesures et estimation de la perméabilité au laboratoire ............................................................... 52