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"Comprendre les écoulements souterrains de fluides et le transport de polluants dans un milieu complexe" (maquette)

Contact Communication : Alain-Hervé Le Gall

La maquette que nous avons développée est une représentation concrète et interactive de l’action d’une pollution de surface sur un aquifère poreux fracturé.

Ce projet a obtenu le label "Année Internationale de la Planète Terre 2008"

logo Planète Terre


Le projet a été co-financé par le BRGM Bretagne
logo BRGM

et le CNRS Délégation Bretagne Pays de la Loire
logo CNRS




- Voir la vidéo (2 mn) réalisée lors de la Fête de la Science 2008 (Village des sciences de Rennes)

Film Maquette Hydro



Objectifs de la maquette

Etant moins exposées aux pollutions que les eaux de surface, les eaux souterraines sont amenées àêtre de plus en plus exploitées comme sources d’eau potable. Ces eaux peuvent tout de même être atteintes par des polluants transportés par des infiltrations, d’où la nécessité de mieux comprendre le fonctionnement des nappes phréatiques et les manières dont elles peuvent être polluées.

Nous nous intéressons àl’effet d’une pollution de surface sur un aquifère , c’est-à-dire comment un polluant déposé en surface migre et se répand en profondeur dans l’aquifère. Nous étudions particulièrement cette migration dans les milieux poreux fracturés correspondant par exemple aux granites fracturés bretons. Dans ce cas, les phénomènes physiques sont fortement dépendants du milieu puisque les fractures et la roche ont des rôles différents et particuliers : le premier est une voie de passage rapide pour les écoulements et le second est une zone de stockage de fluides et de polluants. La compréhension de cette hétérogénéité de structure est indispensable pour représenter et prédire les écoulements et le devenir des polluants.

Les phénomènes physiques mis en évidence sont accessibles pour un public allant du collège àdes adultes, les explications pouvant être plus ou moins détaillées suivant les connaissances préalables du public sur le sujet.


Descriptif de la maquette et de ses expériences

La maquette est une représentation concrète et interactive de l’action d’une pollution de surface sur un aquifère poreux fracturé . Concrète car l’expérience montre directement au public la migration du polluant, son stockage et son action àlong terme sur l’aquifère et interactive car le public pourra agir sur la maquette àdifférentes étapes des expériences.

Deux formes de pollution sont mises en évidence : la migration d’un polluant de la surface vers l’aquifère avec des vitesses de migration différentes suivant les caractéristiques du milieu et la pollution d’une eau propre par un sol retenant des polluants, les deux expériences étant d’une durée de 5 à10 minutes.

- La première expérience consiste àétaler un polluant àla surface d’un sol et àobserver son infiltration par une tombée d’eau (pluie ou arrosage). Le polluant est ainsi entraîné rapidement dans les fractures et plus lentement dans la roche. On peut observer qu’en certains endroits la roche retient le polluant.
- La seconde expérience montre la pollution d’une eau par son infiltration dans un aquifère pollué . Lorsque toute la pollution de surface de la première expérience est infiltrée dans le sol, l’eau propre est polluée lors de son écoulement dans l’aquifère en délogeant le polluant des zones de stockage de la roche.


Maquette hydrogeologique 1 Maquette hydrogeologique 2



Intérêts scientifiques

Les expériences qui sont effectuées avec cette maquette permettent d’aborder les points scientifiques suivants :

- définition et représentation d’un aquifère typique de la région Bretagne (aquifère poreux fracturé)
- recharge d’un aquifère par infiltration des eaux de surface
- infiltration et transport de polluants par les eaux souterraines
- effets de la complexité du milieu :

  • sur les écoulements avec des vitesses d’écoulement différentes entre les fractures et la roche
  • sur le transport de polluant avec un passage rapide et important dans les fractures et un passage lent et faible mais portant àconséquence àlong terme dans la roche

La discussion peut être ensuite élargie aux problématiques de recherche suivantes :
- difficulté de caractérisation d’un aquifère (prise de données sur le terrain, méthode inverse en modélisation...)
- complexité de la prévision du transport de polluants de par le nombre de phénomènes entrant en jeu (infiltration, différentes vitesses de transport, retenues hétérogènes du polluant dans le milieu...)
- les différents niveaux d’hétérogénéité des milieux poreux fracturés (difficultés de représentation) :

  • coexistence de zones fortement perméables (fractures) et de zones quasi imperméables (roche)
  • diversité de taille, d’ouverture et de géométrie des fractures pouvant aller d’une échelle millimétrique (microfissures) àune échelle kilométrique (fractures)

- modélisation numérique pour palier àla difficile reproductibilité des modélisations analogiques : description de la modélisation numérique, intérêts, difficultés...


Eléments complémentaires

La maquette est accompagnée de trois posters :


- "les eaux souterraines" :

àtravers une description rapide du cycle de l’eau, la place des eaux souterraines dans ce cycle est mise en évidence de manière qualitative et quantitative. Les principales caractéristiques des aquifères sont explicités ainsi que leur importance pour les eaux potables en France.

Poster 1 maquette
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- "l’étude des aquifères" :

l’exploitation des aquifères peut être une alternative àla mauvaise qualité des eaux de surface en France mais aussi au manque d’eau dans certains pays. Ces aquifères sont particulièrement vulnérables àdes phénomènes d’origine anthropique tels qu’une mauvaise exploitation ou une pollution. Cette vulnérabilité oblige àune meilleure compréhension des aquifères et donc àune étude de ces derniers sur tous les fronts de la recherche : sur le terrain, en laboratoire et sur ordinateur.
Poster 2 maquette
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- "les écoulements dans les aquifères de socle" :

les aquifères de socle sont composés d’une roche faiblement perméable et de fractures observables àtoutes les échelles. Cette struture implique un stockage possible du polluant par la roche et une circulation rapide par les fractures. Cette particularité est mise en évidence par la maquette présentée précédemment pour des vitesses fortement accélérées par rapport àla réalité.
Poster 3 maquette
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Schéma de la maquette

schéma maquette


- les billes transparentes représentent la roche (leur taille étant représentative de la porosité de la roche)
- l’application du colorant sur la surface correspond àla présence d’un polluant ; cette application peut être faite par le public
- les pompes et l’arroseur permettent de simuler une pluie sur la surface et de réguler la circulation d’eau dans la maquette


Maquette hydrogeologique 3
Stand Fête de la Science 2008 - Village des sciences de Rennes - Année Internationale de la Planète Terre 2008




- Voir la vidéo (2 mn) réalisée lors de la Fête de la Science 2008 (Village des sciences de Rennes)

Film Maquette Hydro



En complément, nous vous proposons un film de 4 mn qui montre la chronologie d’un chantier d’un forage semi-profond dans le socle armoricain, àSt Brice en Coglès

- Lire la vidéo


Cette réalisation originale est complémentaire d’une première maquette réalisée en 2001 pour comprendre le fonctionnement des nappes phréatiques.






Poster maquette 1 - 1.1 Mo

Poster maquette 2 - 6.6 Mo

Poster maquette 3 - 5.7 Mo