modèle maquette de nappe phréatique, sables, graviers, Phmètre, soude, potence. Carte piézométrique de la nappe des grès du Trias inférieur. Echantillon de grès du Trias.

Principe de fonctionnement de la maquette

FONCTIONNEMENT

L'aquarium est plein de sable et on simule la topographie en créant une légère pente. On alimente en continu en eau du côté le plus haut et le drainage continu de l'autre côté permet l'apparition d'une nappe avec une pente et des mouvements de l'amont vers l'aval. On constate que : L'eau libre apparaît lorsque l'on creuse dans le sédiment en un point quelconque ce qui détermine le niveau piézométrique à ce point.

Le niveau piézométrique général n'est pas horizontal et se trouve plus ou moins parallèle au niveau topographique dans la mesure où l'alimentation se fait au point haut topographique et le drainage au point bas (il est possible également de faire construire la carte piézométrique de l'aquarium en calculant l'altitude de l'eau libre en différents points par mesure de sa profondeur par rapport à une référence d'altitude commune). L'eau va des points hauts vers les points bas. Selon le niveau de la classe ou des élèves, on peut aller beaucoup plus loin : une saignée atteignant la nappe, pratiquée dans le sédiment, provoque l'apparition de l'eau libre qui s'écoule vers le bas de la pente si la saignée a été pratiquée avec un angle par rapport aux courbes isopièzes (rivière drainante). Si le niveau topographique remonte, la rivière devient filtrante (elle disparaît) et alimente la nappe. Le niveau piézométrique est variable selon le débit d'approvisionnement, et par conséquent la rivière drainante a un débit lui-même variable. Lorsque l'alimentation de la nappe cesse, les rivières continuent de couler, ce qui provoque l'abaissement du niveau piézométrique et également celui des rivières drainantes. Lorsque le niveau de la nappe s'abaisse, la rivière s'enfonce (filtration et risque de contamination de la nappe par les eaux de celle-ci). Lorsque le débit d'alimentation est trop fort, l'eau ne s'infiltre plus mais ruisselle et alimente la rivière par ruissellement, ce qui provoque la turbidité de la rivière (les rivières sont troubles par temps de pluie).

Remarques :

Le principal problème concerne l'évaluation ou la mesure du débit d'eau. On peut proposer deux solutions. La première est de ne travailler que sur deux débits très différents : un fort et un faible qui seront donc évalués de façons très empirique.

Cela paraît suffisant pour la plupart des classes de seconde. Pour des classes d'élèves particulièrement motivés pour les sciences, on peut choisir une deuxième solution qui consiste à faire mesurer aux élèves le débit en litres par minutes. On disposera à cet effet un réservoir d'eau au niveau de l'approvisionnement de la nappe dans lequel on suivra la disparition d'un volume de liquide mesuré en fonction du temps.

Protocole :

Mise en eau de la nappe

Ouvrir le robinet afin d'établir un débit d'eau qui va alimenter la nappe. Suivre l'évolution du remplissage, en particulier sur les puits externes. Attendre que l'eau coule au niveau du déversoir et qu'un état d'équilibre s'installe.

• mesurer les niveaux piézométriques dans les puits 1 à 5.

Simulation d'une sécheresse

Réduire le débit d'arrivée de l'eau et attendre un nouvel état d'équilibre.

• mesurer les niveaux piézométriques dans les puits 1 à 5.

• conclure.

Simulation d'une période de pluie

Augmenter le débit d'arrivée de l'eau et attendre un nouvel état d'équilibre.

• mesurer les niveaux piézométriques dans les puits 1 à 5.

• conclure.

Simulation d'un pompage

Remettre un débit d'arrivée de l'eau suffisant et attendre un nouvel état d'équilibre. Procéder à l'installation d'un pompage par siphon au niveau du puits 6 avec un tuyau fin.

• mesurer les niveaux piézométriques dans les puits 1 à 5.

• conclure.

Résultats : Il est facile d'observer les niveaux piézométriques liés à la pente de la surface du sable. La sécheresse va diminuer globalement l'ensemble des niveaux, la période de pluie a un effet inverse. Le pompage va montrer l'existence d'un cône de rabattement de la nappe autour du captage. Il est visible au niveau des puits extérieurs.

Phénomènes mécaniques liés à l'exploitation de la nappe

L'exploitation de la nappe phréatique est simulée par siphonnage d'un puits quelconque grâce à un petit tuyau en caoutchouc plein d'eau plongé dans le puits et fermé par une pince Mohr afin de ne pas siphonner en permanence. Le pompage s'accompagne d'un abaissement local du niveau piézométrique (cône de rabattement de la nappe tout autour du point d'exploitation) mais un pompage excessif provoque un abaissement général de la nappe phréatique qui se manifeste dans l'ensemble de l'aquarium.

Exploitations et pollutions des nappes

Les phénomènes de l'auto-épuration mécanique par filtration sont visibles dans la maquette quand l'eau de ruissellement s'infiltre en laissant les particules argileuses à l'endroit de l'infiltration. Il suffit d'émietter un peu d'argile au niveau de l'alimentation et de provoquer un ruissellement sur la surface topographique. Dans tous les cas, on constate que l'eau de drainage reste claire.

Simulation d'une pollution

Dans un endroit quelconque de l'aquarium, on déverse quelques cm 3 de soude déci-molaire et (grâce au système Ex.A.O., par exemple) on mesure l'apparition de la soude en fonction du temps à des endroits quelconques. La mesure peut se faire dans un petit puits que l'on déplace à loisir. De façon générale, on constate que la pollution apparaît toujours à l'aval du point pollué selon la direction des flux d'eau, avec une latence plus ou moins grande qui dépend de la distance point pollué – - point de mesure, de la perméabilité de l'aquifère, de l'intensité de l'alimentation de la nappe. On constate également que l'apparition est plus rapide que sa disparition.

Selon le lieu de déversement (à la surface, dans la nappe), les résultats sont différents : une pollution de surface qui n'atteint pas la nappe sera ressentie en aval seulement si les eaux montent et que la nappe vient laver le substrat pollué. Au contraire, une pollution déversée directement dans la nappe est détectée rapidement et n'est plus efficace à la remontée des eaux. On peut également évaluer le trajet du polluant en altitude en mesurant le pH en haut ou en bas du point de mesure, de même que l'on peut aussi avoir une idée sur la vitesse du drainage qui n'est pas la même en fonction de la profondeur de la mesure. Le déplacement du pH-mètre en altitude montre des pH différents dans bien des cas.

Transit rapide en pays karstiques

On peut également simuler le transit des pollutions en pays karstiques en enfouissant des tuyaux en plastique allant de la zone de déversement du polluant (doline qui reçoit souvent un ruisseau en cas de pluie) vers le puits de mesure. On constate alors que le délai d'apparition de la pollution est raccourci et qu'elle est beaucoup plus efficace. On peut alors attirer l'attention des élèves sur les dangers de certaines pratiques dans les régions karstiques, qui consistent à se débarrasser de ses déchets dans des avens.

Contamination d'un captage

On simule une pollution chimique en aval d'un captage en déversant dans la rivière, ou directement dans la nappe, en continu (goutte à goutte), de la soude déci-molaire. On mesure le pH dans le puits situé à l'amont, avant siphonnage et après siphonnage. Le puits se trouve contaminé après siphonnage par inversion des flux d'eau provoqué par le cône de rabattement, à condition que le déversement aval se fasse en déca de la crête du cône de

rabattement. On comprend ainsi la nécessité de créer un périmètre de protection du captage s'étendant vers l'aval de celui-ci.

Pollution et sécheresse

Une pollution déversée dans une saignée simulant une rivière drainante ne contamine pas la nappe phréatique puisque la nappe se jette dans la rivière. Par contre, cette même pollution contamine alors le puits situé à côté de la rivière en particulier à la remontée des eaux quand la nappe lave le sédiment pollué.

Expérience n° 1 : suivi d'une pollution (pH-métrie classique)

Principe

L'expérience consiste à suivre une pollution par la soude l'aide de pH-mètres dont les électrodes sont placées dans les puits 1, 3 et 5.

Matériel et produit nécessaires

• burette de Mohr sur son support

• soude décinormale

• pH-mètres

Protocole expérimental

Dans un premier temps, verser 50 mL de soude N au niveau du puits 2 avec un faible débit d'eau.

• mesurer le pH dans les 3 puits toutes les 15 secondes, pendant 12 minutes. Présenter les valeurs dans un tableau.

• construire sur le même graphique les trois courbes en fonction du temps en utilisant, par exemple, un tableur informatique.

• exploiter le graphique et conclure.

Dans un deuxième temps, verser 50 mL de soude N au niveau du puits 2 mais avec un débit important d'eau.

• mesurer le pH dans les 3 puits toutes les 15 secondes, pendant 12 minutes.

• construire sur le même graphique les trois courbes en fonction du temps.

• exploiter le graphique et conclure.

Résultats

Comparer les résultats des 4 nappes et donner une conclusion sur l'effet d'une pollution ou d'un pompage en fonction de la roche réservoir de la nappe.

Expérience n°2 : Suivi d'une pollution (ExAO)

Principe

L'expérience consiste à suivre une pollution par la soude à l'aide d'une électrode pH dont le pilotage est assuré par la fonction pH d'un logiciel.

Matériel et produit nécessaires

• burette de Mohr sur son support

• soude décinormale

• Interface Ex.A.O. avec capteur pH

Protocole expérimental

Le polluant étant de la soude décinormale, le phénomène de pollution est suivi avec l'électrode pH et permet le tracé de la courbe du pH (0 à 14) en fonction du temps. L'échelle des temps est réglable entre une minute et 5 heures, mais la majorité des expériences s'effectue sur une durée d'environ 15 minutes. La soude est ajoutée à l'aide d'une burette, à un endroit plus ou moins éloigné, en amont ou en aval de la zone de captage. Les mesures sont lancées dès le début de l'addition de la soude. L'acquisition et le tracé de la courbe se font en temps réel ; les valeurs instantanées des mesures apparaissent en continu au-dessus de la courbe. Il y a possibilité de superposer les courbes.