SOLS - EPFL

Ressources naturelles du territoire
Plan du cours
1.
Principales ressources naturelles du territoire
2.
Ressources en eau
3.
Ressources en sol
4.
Ressources de l'atmosphère
SOLS
Couche superficielle, meuble, de la croûte
terrestre d'épaisseur variable, qui résulte
de l'altération des roches sous-jacentes
(roche - mère) et de la dégradation des
matières
organiques, sous
d'agents
biologiques*,
l'influence
chimiques
et
physiques**.
Formation lente: 103 à 106 années
Milieux fragiles et vulnérables
Dégradation rapide (activités anthropiques)
Î
Ressource non renouvelable
* végétation, faune du sol, microorganismes, activité humaine, …
** précipitations, variations de température, gel, dégel, dissolution, …
SOL = milieu poreux complexe constitué
de 3 phases :
•
Phase solide: éléments minéraux et
organiques
•
Phase liquide: eau du sol
•
Phase gazeuse: air du sol
SOL = milieu vivant :
Le sol abrite une multitude d'organismes qui jouent un
rôle très important pour l'environnement.
Phase solide (matrice du sol)
Eléments minéraux : particules de taille et de forme diverses
•
•
éléments grossiers (> 2 mm)
terre fine (< 2 mm): sable, silt, argile (< 2 μm)
Eléments organiques : débris végétaux ou animaux en état de décomposition
plus ou moins avancée.
Les particules de dimension > à 2 μm sont
généralement cimentées par un mélange
d’argile
et
d’humus (complexe
argilo-
humique).
Î
agrégats:
ensemble cohérent de
particules élémentaires
Agrégats élémentaires et ensemble
d'agrégats constituant un assemblage*
* http://www.agrocampus-rennes.fr (Photo: C. Walter)
Phase liquide du sol
Constituée d’eau et de substances dissoutes issues du sol luimême ou apportées de l’extérieur (fertilisants, pesticides, etc.)
•
principaux anions : NO3-, HCO3-, CO3--, PO4--, Cl- et SO4–
•
principaux cations : Ca++, Mg++, K+, Na+, NH4+
•
gaz dissous
•
herbicides, pesticides, etc.
•
etc.
Phase gazeuse du sol
Air atm osphérique
Air
du sol
Azote
78 %
78-80 %
Oxygène
21 %
< 21 %
Autres gaz
1%
1%
Gaz carbonique
0.03 %
0.2 à quelques %
Vapeur d'eau
Variable
Proche de la
saturation
Composition comparée de l'air du sol et de l'air atmosphérique
Dans le sol: CO2 + O2 ≈ 20 %
Production journalière moyenne de CO2 : 3 – 5 g / m2
SOL = milieu vivant
30 premiers cm de 1 ha de sol = 5 à 25 tonnes d'organismes vivants
Micro-organismes (dimension < 0.1 mm) :
bactéries, champignons, levures, nématodes protozoaires, etc.
Meso-organismes (dimension 0.1 – 2 mm) :
collemboles, acariens, etc.
Macro-organismes (dimension > 2 mm) :
vers de terre, fourmis, termites, etc.
Rôle capital des organismes vivants du sol :
• Amélioration de la structure du sol
• Transformation de la MO
• Dégradation des polluants
• Fixation du carbone
http://balades.naturalistes.free.fr/images/Collembole-2-03.jpg
Principales propriétés physiques des sols
• Texture
• Structure
volume des pores du sol
volume total de sol
• Porosité n
n=
• Conductivité hydraulique :
capacité qu'a le sol à laisser
circuler de l'eau
Texture du sol :
proportion des particules minérales de différentes tailles
qui composent le sol
Limites granulométriques fréquemment admises :
• Argile
:
• Silt (limon) :
• Sable
:
• Gravier
:
< 0.002 mm
0.002 - 0.05 mm
0.05 - 2 mm
> 2 mm
Exemples de triangle textural
Structure du sol : mode d'assemblage des particules de sol
STRUCTURE COMPACTE
STRUCTURE PARTICULAIRE
STRUCTURE EN AGREGATS
Eléments sableux noyés dans
une masse d'argile
Eléments sableux de taille
variable sans liaison
Eléments sableux et silteux
liés en agrégats par un
ciment argilo-humique
Sol asphyxiant imperméables
à l'eau et à l'air
Sols filtrants: retiennent peu
d'eau et d'éléments nutritifs
Sols perméables assurant
une bonne aération
Forte résistance à la
pénétration des racines
Forment une croûte (battance) si
le sable est très fin ou
accompagné de silt
Laissent s'écouler l'eau
excédentaire, mais en
retiennent suffisamment
dans les agrégats
Difficiles à travailler
Pénétration aisée des
racines
http://www.svt.edunet.tn/Nabeul/svtna01/Sol-vivant/SOL/Constituants%20du%20sol.htm
Sol = entité multifonctionnelle vitale…
Support physique d’infrastructures diverses
Filtre et milieu épurateur
Elément vital de production de biomasse
Pourvoyeur de ressources naturelles
http://greenpack.rec.org/soil/index.shtml
Ressources naturelles du sous-sol
• Matériaux: gravier, sable, pierre, roche, argile, etc.
Construction et autres
• Minerais: Fe, Cu, Co, Ni, Ur, sel, etc.
Développement socio-économique
• Combustibles: gaz, pétrole, charbon, matières organiques, etc.
Energie
Ressources non renouvelables
Energie géothermique
• Chaleur
• Eau (nappes souterraines non fossiles)
Ressources renouvelables
Causes de la diminution de l'activité
biologiques et de la perte d'espèces :
• suppression
de
la
végétation,
incendies, feux de brousse
• sur-application de fertilisants et de
substances phytosanitaires
• acidification par les retombées
atmosphériques
Milieu biologique extrêmement riche
Pressions sur le paysage
•
Intensification de l'agriculture
•
Abandon de zones agricoles
•
Développement urbain
•
Infrastructures de transport
•
Tourisme et divertissement
•
Exploitation minière, carrières
•
Décharges
Elément vital du paysage
http://greenpack.rec.org/soil/index.shtml
http://www.cc-premierplateau.fr/ssrub.php?id=41
Menaces sur les sols
• Érosion
• Salinisation
• Pollution
• Acidification
• Compaction/tassement
• Constructions
E nouveaux
r o s i o nsols
hy
Formation de
drique du sol
Entraînement des particules de sol par l'eau de ruissellement
Quantité de sol formé annuellement : entre 2 et 10 tonnes/ha*
Î
chaque année, il se forme entre 0.1 et 0.7 mm de sol
Pertes de sol dues à l'érosion en Suisse
Entre 0 et plus de 50 t/ha an, soit jusqu'à plus de 3.5 mm/an
Î
sur les surfaces sujettes à l'érosion les pertes sont
beaucoup plus importantes que la formation de
nouveaux sols
* 1 tonne/ha ≅ 0.7 m3 de sol, soit une hauteur de sol de l’ordre de 0.07 mm
Salinisation du sol
a) Salinisation par irrigation avec
de l'eau de qualité médiocre
Exemple:
• Besoins annuels en eau: 900 mm, soit
900 l/m2 ou 9’000 m3/ha
• Concentration en sels de l’eau
d’irrigation: 1 g/l
Î
Apport annuel de sel: 9’000 kg/ha
Salinisation du sol
b) Salinisation par remontées capillaires depuis une nappe peu profonde
Lessivage des sels par sur-irrigation volontaire. Effets possibles :
contamination de la nappe et remontée de la nappe
Lorsque la nappe est à portée de remontées capillaires de la
surface : salinisation rapide du sol
Salinisation des sols dans la
Plaine du Rhône valaisanne
• faibles précipitations estivales
• forte demande évaporative
importantes remontées capillaires
• sols relativement perméables
• nappe peu profonde (1 à 2 m)
Granges
Saillon/Riddes
Charrat
• nappe relativement minéralisée
Emplacement des zones sujettes à la salinisation
Evolution temporelle des profils de concentration en sels
(Plaine du Rhône VS – Région de Charrat)
Pollution du sol
Pollution: métaux lourds (Pb, Hg, Cd, Cu, Ni,…), substances chimiques liées aux transports et aux
activités industrielles, domestiques ou agricoles (pesticides, engrais, lisiers, composts, etc.)
Pollution ponctuelle : centres industriels,
décharges,
militaires,
mines,
aéroports,
bases
transports,
fuites, chantiers, etc.
Pollution diffuse: pollution agricole,
retombées atmosphériques, etc.
10 % des sols suisses présenteraient des concentrations en Pb, Cu, Cd ou Zn supérieures aux
valeurs limites fixées par l'ordonnance sur la protection des sols (OSol)
Compaction/tassement du sol
Exemple de la « San Joaquin
Valley » (Californie)
1925
Causes:
1955
- drainage des zones marécageuse
- pompages excessifs dans la nappe pour
l’irrigation
Conséquences:
- affaissement des sols tourbeux (2 à 5 m)
- compaction des sols fins minéraux (argiles)
suite à l’augmentation de la pression
1977
http://webworld.unesco.org/water/ihp/db/glossary/glu/ZZ/GP1240.HTM
intergranulaire (plusieurs mètres)
Tassement et affaissement du sol
Palacio de Bellas Artes Mexico City
Forts tassements (t 7m) suite à des
pompages excessifs dans la nappe
Affaissement du sol affectant un bâtiment construit sur
d'anciennes galeries minières
Tassements/fissurations de bâtiments implantés sur sols argileux
http://www.argiles.fr/presentation.asp
Constructions
Parking recouvert d'asphalte
Utilisation du sol en Suisse, 1992/97
La surface construite (routes, bâtiments, etc.) augmente de 70 000 m2/j
Effets de la création de vastes zones imperméables :
•
•
•
•
destruction du sol
augmentation des débits de pointe des rivières et de la charge polluante
diminution de l'infiltration et de la réalimentation des nappes
etc.
Parking recouvert de pavés perméables
Changement dans la composition du paysage de la plaine
du Rhône valaisanne entre 1850 et 2003
Surface en ha
Occupation du sol
Forêts
Zones humides
Zones inondables
Collines
Dunes
Zones agricoles
Zones urbaines
1
1850
1900
1950
2003
2391
2081
1100
1248
(9.9%)1
(8.7)
(4.6)
(5.2)
1971
1472
354
305
(8.2)
(6.1)
(1.5)
(1.3)
2614
396
365
133
(10.9)
(1.6)
(1.5)
(0.6)
44
40
27
26
(0.2)
(0.2)
(0.1)
(0.1)
15
8
1
0
16 541
19 101
20 602
18 424
(68.8)
(79.5)
(85.7)
(76.6)
443
327
866
3320
(1.8)
(1.4)
(3.6)
(13.8)
2
Changement
depuis 1850
- 48 %
Zone du bois de Finges
- 85 %
- 95 %
- 41 %
- 100 %
+ 11 %
+ 649 %
o
% de la surface de la plaine entre Brigue et le Léman (240 km ) (Source: F. Zanini, Thèse EPFL N 3635)
Plaine à l'Est de Martigny
Exemple d'évolution du paysage dans la
plaine du Rhône durant le 20ème siècle
Sion/Champsec en 2005
Sion/Champsec vers 1930
http://www.crealp.ch/images/files/grosfichiers/8_Lateltin.pdf
1850 (Carte Dufour, 1:100 000)
500 m
1900 (Carte Siegfried, 1:50 000)
N
EPFL, TOPO
1950 (Carte nationale 1:50 000)
Médiathèque Valais
2003 (Carte nationale, 1:50 000)
Médiathèque Valais
© Swisstopo 2003
Evolution du paysage entre 1850 et 2003 dans la région d'Aproz
(F. Zanini, thèse EPFL No 3635)
1850
1900
Forest
Wetland area
Martigny
Floodplain
1950
Evolution temporelle des zones naturelles dans la région de Martigny entre 1850 et 1950
(F. Zanini, thèse EPFL No 3635)
Danger sismique
Risque = aléa* x potentiel de dégâts
Suisse : risque sismique modéré
Séisme d’amplitude 5 en moyenne une fois tous les 10 ans
Séisme d’amplitude 6 en moyenne une fois tous les 100 ans
Séisme de Bâle (1356): amplitude estimée: 6.9 (aujourd’hui
dégâts pour 90 milliards de francs)
Peu de forts séismes récents Î dangers largement sousestimés, bien que les séismes constituent le plus grand
danger naturel
Victimes surtout causées par l’écroulement des bâtiments
Î rôle capital des ingénieurs et architectes
* aléa : probabilité d'apparition d'un séisme de magnitude donnée, pour un temps de retour donné
Risques sismiques dans la vallée du Rhône valaisanne*
QUELQUES DONNÉES
• 1755: violentes secousses dans le Haut-Valais
• 1855: destructions entre Viège et St-Nicolas (6 – 6.5)
• 1946: séisme de Sierre (magnitude estimée: 5.5)
Dégâts constatés dans l'Eglise de Chippis
* zone la plus à risque de Suisse avec la région de Bâle
http://www.crealp.ch/expo/?pg=seisvs_sierre
Historique du dimensionnement parasismique en Suisse
• Avant 1970 :
risque parasismique quasiment non pris en compte
• 1970
:
premières mesures suggérées, mais insuffisantes
• 1989
:
prescriptions parasismiques introduites dans la
norme SIA 160
• 2003
:
adaptation de la norme SIA 160, qui devient la
norme 261, euro-compatible
Evolution considérable ces 30 dernières années grâce à de nouvelles
connaissances
Dégâts potentiels en Suisse
•
Plus de 90 % du bâti construit avant 1989 est exposé à des dégâts
importants
•
Prescriptions parasismiques trop peu respectées
et contrôlées
•
Î
Professionnels mal informés et trop peu formés
Potentiel de dégâts élevé
Dégâts à St.-Nicolas (VS) après
le tremblement de terre de
Viège en 1855
Construction parasismique
(respectant les normes parasismiques*)
• L'architecte et l'ingénieur civil doivent collaborer étroitement
dès le début et appliquer les principes modernes de construction parasismique (plans, calculs et dimensionnement)
• Dans ce cas, le surcoût est généralement inférieur à 1 %
• Le dimensionnement est fondé sur un séisme qui se produit
en moyenne une fois tous les 500 ans
• Le facteur de risque dépend de :
9
la zone d'aléa sismique
9
la classe du sol de fondation
9
la classe d'ouvrages
Transamerica Pyramid (San Francisco)
construction parasismique
- Roche
- Sable/gravier compacté ou cimenté
- Couche alluviale superficielle
- Sol meuble sans cohésion
* Ensemble de règles de construction à appliquer aux bâtiments pour qu'ils résistent le mieux possible à un séisme
Zone Z3a: séisme de magnitude 5.5 – 6 pour un temps de retour de 500 ans
Zone Z3b: séisme de magnitude 6 – 6.5 pour un temps de retour de 500 ans
Norme SIA 261
Carte des zones sismiques en Suisse
selon la norme SIA 261 (2003)
Zones d'aléa sismique
Carte de l’aléa sismique en Suisse représentée par la valeur de dimensionnement de
l’accélération horizontale en cm/s2, pour une période de retour de 500 ans
Source SED, 2003
Classes d'ouvrages à protéger contre un séisme majeur
CO
Caractéristiques
Exemples
I
– pas de rassemblements importants de
personnes
– pas de marchandises ou d’installations ayant
une valeur particulière
– pas de risque d’atteinte à l’environnement
–
–
–
–
II
– fréquentation possible par un grand nombre de
personnes
– marchandises ou installations ayant une valeur
particulière
– infrastructure ayant une fonction importante
– risque limité d’atteinte à l’environnement
III
– infrastructures ayant une fonction vitale
– risque considérable d’atteinte à
l'environnement
habitation, bâtiments administratifs et artisanaux
bâtiments industriels et entrepôts
parkings
ponts dont l’importance après un séisme est faible (ex.
passerelles pour piétons)
hôpitaux, s’ils n’appartiennent pas à la classe III
centres d’achats, stades, cinémas, écoles et églises
bâtiments de l’administration publique
murs de soutènement et talus bordant des voies de
communication importantes après un séisme
– ouvrages, équipements et installations destinés à
l’approvisionnement, à l’évacuation et aux télécommunications s’ils n’appartiennent pas à la classe III
– cheminées de grande hauteur
–
–
–
–
– hôpitaux d’urgence
– ouvrages, équipements et installations servant à la
protection en cas de catastrophe (p.ex. bâtiments du feu
ou garages des ambulances)
– ponts de grande importance après un séisme
– ouvrages d’une importance vitale pour
l'approvisionnement et les télécommunications
– ouvrages, équipements et installations dont la
détérioration pourrait mettre en danger l’environnement
(p.ex. citernes contenant des substances nocives)
Adaptation de la Norme SIA 261 (2003)