Coupe géologique représentant les niveaux superficiels d'une nappe phréatique en été et en et en hiver. .
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Les questions suivantes concernent les documents 1 à 4 et illustrent quelques particularités du fonctionnement des nappes souterraines.
l . A partir des données du document 1 donnez une définition d'une nappe phréatique et expliquez son fonctionnement.
2 . Le document 2 présente un montage et le protocole associé..
2.1 - Comment appelle-t-on ce type de montage, quels en sont les intérêts et les limites ?2.2 - Donnez une définition du niveau piézométrique.
2. 3 - Expliquez ce qui se passe lorsque le robinet R2 est fermé (document 2,a) puis lorsqu'il est ouvert (document 2,b).
3 . Le document 3.a présente un autre dispositif expérimental pour mesurer la porosité d'une roche : on donne le nom de "porosité" à la capacité d'une roche à absorber de l'eau. cette grandeur peut s'exprimer en pourcentage du volume total de la roche .
3.1 - Réalisez un schéma du montage, légendez-le et figurez Vo, V1, V2.3.2 -Les volumes v1 et v2 correspondent respectivement à la "porosité totale " et à la "porosité efficace".
a) Donnez une définition de ces termes en comparant les deux schémas d'observation microscopique du document 3.a.b) Proposez une explication à l'existence de ces deux porosités.
3.3 - Évaluez les valeurs des deux porosités des roches du tableau en calculant les pourcentages de Vi et V2 Par rapport au volume de roche sèche initiale.
Que pouvez-vous conclure de ces valeurs. A quel paramètre de la roche ce classement paraît-il être lié ?
Le document 3.b présente une autre capacité d'un aquifère : la "perméabilité" d'une roche est sa capacité à laisser circuler l'eau .Cette grandeur est exprimée en m/s. On considère qu'une roche est un bon aquifère quand sa perméabilité est supérieure à 10-6 m/s.
3.4 - sur un même graphique placez les différentes roches en fonction de l'ensemble des données du tableau 3.b.
3.5 - Localisez sur votre graphique les aires correspondant aux bons et aux mauvais aquifères. Quelles sont vos conclusions ?
4 - Le document 4 concerne la pollution de la nappe souterraine d'Alsace .
4,1 - Déterminez l'origine de la pollution du Rhin par les chlorures, donnez ses caractéristiques et les conséquences prévisibles de la poursuite des rejets.4.2 - Analysez les graphiques du document 4.b concernant l'ammoniaque et les métaux lourds.
4.3 - Proposez une explication aux caractéristiques de l'impact du traitement des eaux usées.
Document 5
Pour commencer une série d'activités relative au
thème "L'eau dans la plante", un enseignant de cycle 3 a
donné aux élèves la consigne suivante : "
Dessinez et expliquez où va l'eau d'arrosage des plantes".
l - Pour quelle raison l'enseignant a-t-il proposé ce travail ?
2 - sur quelles notions scientifiques acquises le maître peut-il s'appuyer ?
3 - Listez les erreurs repérables dans ces productions.
Afin d'aborder une éducation à l'environnement, un enseignant envisage d'étudier le problème de l'eau dans la vie des hommes.
l - Proposez un inventaire des situations de départ possibles pour démarrer cette étude.
2 - .Dans quel cycle de l'école primaire ce thème doit-il être abordé ? Quels sont les grands objectifs d'éducation que l'on peut chercher à atteindre à travers ce travail ?
3 . Le maître désire utiliser les documents A, B et C
dans sa progression.
Quelles notions scientifiques chacun de ces documents permet-il de
dégager? Exprimez ces notions à l'aide de phrases
courtes et précises .
Quelles compétences transversales importantes l'étude
de chaque document permet-elle d'acquérir ou de mettre en
oeuvre ?
4 - A partir de ces documents A, B et C, établissez et justifiez une progression qui vise à répondre au problème posé :
DOCUMENT 1
Les eaux superficielles (pluies, fonte des neiges...) s'infiltrent dans le sous-sol. Elles forment une nappe phréatique qui circule dans une roche réservoir perméable appelée aquifère.
DOCUMENT 2
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On réalise le montage photographié ci-dessous: |
 doc 2a |
 doc 2b |
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protocole expérimental: 1/ Utiliser un aquarium en plastique sur sur les parois duquel on colle des puits semi-circulaires percés de trous. 2/ Remplir l'aquarium de sable grossier. 3/ Alimenter l'aquarium en continu et à débit constant (Doc 2a ,R1). 4/ Drainer l'aquifère par la partie inférieure opposée de l'aquarium ( Doc 2b ,R2). |
 R1: arrivée d'eau à débit
variable |
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DOCUMENT 3
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Document 3a B Protocole expérimental C Résultats obtenus |
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DOCUMENT 4
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Document 4a Dans la région de Mulhouse existent de nombreux terrils de chlorure de sodium, résidus de l'extraction de la potasse d'Alsace. Dans le même secteur l'industrie chimique rejette du sulfate de fer.  RÉSULTATS DES ANALYSES DE L'EAU DANS LA NAPPE
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Document 4b  in La Recherche, n° spécial; L'eau, mai 1990 |
DOCUMENT 5
Document 5b
Document 5c
Document 5d
Document 5e
Document 5f
DOCUMENT A
L'ALIMENTATION DES NAPPES SOUTERRAINES
DOCUMENT B
L'ALIMENTATION EN EAU D'UNE VILLE
DOCUMENT C
QU'EST-CE QU'UNE NAPPE SOUTERRAINE ?
VOLET 1
Première épreuve (sur un total de 8 points)
Ces 8 points seront distribués de la façon suivante lorsque les notions auront été énoncées, d'une manière ou d'une autre.
l - Une nappe phréatique se forme par
accumulation des eaux d'infiltration dans une couche de roches
perméables, l'aquifère, située au-dessus d'une
couche imperméable qui empêche l'eau de descendre
davantage. (O,5 point).
Le niveau supérieur atteint par l'eau varie au cours des
saisons ; il est plus haut en hiver qu'en été. Cette
nappe alimente des sources quand elle recoupe la topographie. (O,5
point)
2
2.1- Ce montage est une maquette (un modèle, une
modélisation) de nappe phréatique. (O,25 point)
Ses intérêts : (O,25 point par élément
cité, dans la limite de O,5 point)
- visualisation en trois dimensions d'un phénomène
invisible car il se produit sous la surface du sol ;
- compréhension des mécanismes de fonctionnement d'une
nappe phréatique ;
- réalisation des mesures du débit ;
- possibilité de faire varier les roches constitutives de
l'aquifère.
Ses limites ; impossibilité de prendre en considération la grandeur réelle. (O,25 point)
2.2 - Le niveau piézométrique d'une nappe phréatique correspond au niveau supérieur de l'eau dans cette nappe. (O,25 point)
2.3 Lorsque le robinet R2 est fermé, on établit l'alimentation de la nappe qui est alors prisonnière. On peut visualiser son allure dans l'aquifère : le niveau piézométrique est horizontal. (0,25 point) Lorsque l'on ouvre le robinet R2, qui représente une source, or effectue un drainage de la nappe qui s'écoule (vidange). On observe une modification du niveau piézométrique qui s'incline progressivement vers la sortie selon un tracé "parabolique". (O,50 point)
3
3.1 - On attend la production d'un schéma du type de celui
figuré ci dessous. Tous les termes de la légende sont
exigibles. (l point)
3.2
a) La porosité totale est la quantité d'eau contenue
dans les pores de la roche. La porosité efficace est la
quantité d'eau mobile contenue dans la roche,
c'est-à-dire celle qui peut être prélevée.
(0,25 point)
b) Les schémas montrent que l'eau remplit tous les pores de la
roche : c'est la porosité totale. Mais l'eau reste
prisonnières des pores les plus petits par adsorption. Seule
l'eau contenue dans les gros pores circule et constitue la
porosité efficace. (0,25 points)
3.3 - On appréciera que les résultats des calculs soient.exprimés sous la forme du tableau suivant : (0,5 point)
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roches |
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graviers |
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sable fin |
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sable moyen |
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L'exploitation du tableau montre que le gravier est un meilleur aquifère que le sable moyen qui est lui même meilleur que le sable fin. Cette propriété de la roche semble liée à la grosseur des grains qui 1; constituent. (0,25 point)
3.4. On attend la construction d'un graphique du type suivant: 0,5 point
3.5 - Seules les roches de perméabilité supérieure à 10-5 m/s sont de bons aquifères. On peut donc éliminer l'argile et le granite. Entre le calcaire et le sable, la porosité fait la différence : le sable qui a une plus grande porosité contient plus d'eau à volume égal. Il est donc meilleur aquifère que le calcaire. (0,25 points)
4
4.1 - La pollution du ,Rhin par les chlorures est un résidu du
fonctionnement des usines de potasse d'Alsace. Pendant les
grèves du mois de mai 1968, il y a eu une diminution
conséquente de cette pollution. La poursuite des rejets
entraînera une augmentation de la teneur en chlore de la nappe
et une augmentation de la masse polluée. (0,5 point) ...
4.2- Entre 1960 et 1975, la pollution du
Rhin #ar l'ammoniaque a été irrégulière
mais n'est jamais descendue au-dessous.de lmg/L. A partir de 1972, on
observe une diminution de la concentration en ammoniaque d'abord
très rapide jusqu'en 1975, puis plus lente entre1975 et1980. (
0,25 point)
Pour les métaux lourds, l'augmentation a été
régulière de 1900 é 1958 pour le plomb et pour
l'arsenic, et jusqu'en1970 pour le mercure. A partir de ces dates, on
observe une tendance inverse, rapide pou] l'arsenic et le
mercure, plus lente pour le plomb. (0,25 point) L'augmentation de la
pollution dans le fleuve a suivi le développement
économique. Les années 70, suite probablement aux
mesurer de traitement des eaux usées, ont permis de faire
diminue: considérablement la pollution. Toutefois la
diminution du taux de plomb est très lente et la concentration
du mercure est encore supérieure à ce qu'elle
était en 1930. Les pollutions par le plomb et l'arsenic on
commencé à baisser dés 1958. Elles ne sont donc
pas liées uniquement ami eaux usées, surtout en ce qui
concerne le plomb dont le taux de décroissance ne change pas
après 1970. (O,75 point)
4.3- Le traitement des eaux usées est une mesure efficace sur la diminution régulière de la concentration des divers polluants. Mais ~il ~ faut cependant beaucoup de temps pour que les concentrations en polluants reviennent à un niveau tolérable. (O,25 point)
Volet 1, Deuxième épreuve (sur un total de 4 points)
1- L'enseignant a proposé ce travail dans le but de faire surgir les représentations ou conceptions des élèves. Cela lui permet de déceler les notions acquises et les erreurs (obstacles) à corriger. Il pourra alors établir une succession de travaux appropriés. (1,5 point)
2 - Notions scientifiques acquises : (1,75
point)
l'eau va dans la terre et les racines (tous sauf peut-être le
5f), l'eau va dans la plante (5a, 5c), l'eau permet à la
plante de pousser (5a, 5d), l'eau s'évapore (5f).
3 - Erreurs repérables (O,75 point).
On attend la citation de trois erreurs clairement décelables
comme :
les racines sont indépendantes du tronc (5b), les racines sont
citées mais pas figurées (5c, 5d), les racines ne sont
ni citées ni figurées (5f).
VOLET 2 (sur un total de 8 points)
1- On attend du candidat qu'il avance deux
des trois propositions du type suivant ; (1 point)
- faire surgir les représentations en posant la question "
D'où vient l'eau que nous.buvons ? " et instaurer un
débat dans la classe (appel aux représentations des
élèves) ;
- présenter des articles de journaux ou un enregistrement
vidéo relatif à un problème de pollution de
l'eau (exploitation d'un événement médiatique)
;
- réaliser la visite d'une usine de traitement de l'eau
potable Ou d'une station d'épuration (contact avec le
réel).
2 (2 points)
Au cycle 3. Les grands objectifs d'éducation que l'on peut
chercher à atteindre à travers ce travail sont :
- faire prendre conscience de l'importance de l'eau dans notre vie,
de la complexité des installations d'adduction d'eau et des
traitements de l'eau potable, donc du coût de l'eau ;
- construire des comportements d'économie et de respect de l
'eau et de l'environnement ;
- développer une attitude de responsabilité chez
l'enfant dans le cadre d'une éducation à la
citoyenneté.
3 - L'analyse des trois documents doit
être réalisée afin de dégager :
- pour le document A (1,25 point) :
. comme notions scientifiques : l'eau des nappes souterraines ne représente qu'une fraction de la quantité de l'eau reçue ; l'autre fraction ruisselle, s'évapore ou sert à alimenter les plantes ;. comme compétences transversales importantes : apprendre à légender un schéma et à utiliser un code, savoir lire et interpréter un schéma ;
- pour le document B (1 point) :
, comme notions scientifiques : l'eau qui alimente une ville provient des cours d'eau ou des nappes souterraines ;, comme compétences transversales importantes : savoir lire et interpréter un schéma ;
- pour le document C (1,25 point) :
, comme notions scientifiques :l'eau d'une nappe souterraine remplit les vides entre les grains ; plus il y a d'eau dans la nappe, plus le niveau de celle-ci est élevé ;, comme compétences transversales importantes : savoir interpréter une expérience, savoir comprendre et utiliser un modèle pour expliquer la réalité.
4 (1,5 point)
Il paraît pertinent de proposer une progression en deux
points.
Point 1 : "Les sources d'approvisionnement en eau".
Il repose sur l'exploitation du document B qui montre que l'eau est
pompée dans le sol et dans les cours d'eau et qui
révèle la complexité du travail qui doit
être accompli pour assurer l'alimentation en eau des
populations.
Point 2 : "L'alimentation des sources
d'approvisionnement".
Avec le document A, on voit que l'eau de pluie alimente nos sources
d'approvisionnement. Avec le document C, on étudie plus
spécifiquement ce qui se,passe sous la surface du sol, au
niveau des nappes phréatiques.
