EAUX SOUTERRAINES - whycos.org · lisation et le débit des sources et des puits de pompage; e)...

6.1 GÉNÉRALITÉS[SHOFM L]

On trouve des eaux souterraines sous l’essentiel de la surface terrestre. Dans de nombreuses régions, il s’agit d’une importante source d’approvisionne-ment en eau et de soutien du débit des rivières. Si l’on veut comprendre un système hydrologique dans sa totalité, il est nécessaire de comprendre le système des eaux souterraines (Fetter, 1994; Freeze et Cherry, 1979). Le but de ce chapitre est de donner une vue générale des concepts fondamentaux et des pratiques nécessaires à l’évaluation des ressources en eaux souterraines. Généralement l’évaluation des ressources en eaux souterraines comporte plusieurs composantes fondamentales:a) Détermination des types d’aquifères et de leur

répartition dans la région étudiée;b) Reconnaissance de la variabilité spatiale et

temporelle du niveau des eaux souterraines (surface piézométrique) de chaque aquifère résultant des processus naturels et anthro-piques. La mise en place de puits et la mesure des niveaux d’eau facilitent cette tâche;

c) Estimation de l’ordre de grandeur et de la distri-bution des propriétés hydrauliques, telles que la porosité et la perméabilité. C’est une nécessité pour n’importe quelle évaluation quantitative;

d) Compréhension des processus facilitant ou affectant la recharge et la vidange de chaque aquifère. Cela comprend la quantité de préci-pitations atteignant effectivement la nappe d’eau, les effets de l’évapotranspiration sur la nappe d’eau, la nature des interactions entre eaux souterraines et eaux superficielles, la loca-lisation et le débit des sources et des puits de pompage;

e) Intégration des données sur les eaux souter-raines afin de croiser l’information provenant de diverses origines, de comprendre l’impor-tance relative des différents phénomènes relatifs aux eaux souterraines, et d’apprécier la capacité ou la possibilité du système hydrogéologique à satisfaire des objectifs généraux ou particuliers (en général l’approvisionnement en eau). Cela peut être par la mise au point d’outils prédictifs utilisant divers choix analytiques allant des bilans en eau aux modèles numériques digitaux de l’écoulement des eaux souterraines.

6.2 GISEMENTDESEAUXSOUTERRAINES

6.2.1 Formationsgéologiquesaquifères

Les matériaux géologiques aquifères se composent soit de dépôts meubles soit de roches consolidées. Dans ces matériaux, l’eau se trouve dans les ouver-tures et les espaces vides. On appelle porosité la proportion d’espaces vides rapportée au volume total de matériau solide. Les interconnexions entre espaces vides déterminent comment l’eau pourra y circuler. Lorsque les espaces vides sont entièrement remplis d’eau, on parle de matériau saturé. Inversement on parlera de matériau non saturé lorsque les espaces vides ne sont pas entièrement remplis d’eau.

6.2.1.1 Dépôtsmeubles

La plupart des dépôts meubles se composent de matériaux provenant de l’émiettement de roches solides. Ces matériaux ont des tailles allant de la fraction de millimètre (argiles) à plusieurs mètres (blocs). Les dépôts meubles importants du point de vue hydrogéologique comprennent, en ordre granu-lométrique croissant, les argiles, les limons, les sables et les graviers.

6.2.1.2 Rochesconsolidées

Les roches consolidées se composent de grains miné-raux qui ont été soudés en masse solide par la chaleur et la pression ou par des réactions chimiques. On appelle substratum rocheux de telles roches. Elles comprennent des roches sédimentaires qui étaient initialement meubles, des roches ignées initialement en fusion et des roches métamorphiques qui ont été transformées par l’eau, la chaleur ou la pression. On peut trouver des eaux souterraines qui parviennent à s’écouler dans les interstices entre les grains miné-raux ou sédimentaires. De plus les fractures et les vides microscopiques ou mégascopiques résultant de la dissolution peuvent constituer, dans les roches consolidées, des vides et des conduits significatifs. Les vides apparus en même temps que la roche elle-même, tels que les vides intergranulaires, constituent la porosité primaire (figure I.6.1). Les vides formés postérieurement à la constitution de la roche, tels

EAUXSOUTERRAINES

CHAPITRE 6

GUIDE DES PRATIQUES HYDROLOGIQUESI.6-2

que les fractures ou les chenaux de dissolution, constituent la porosité secondaire ou acquise (figure I.6.1). Les roches sédimentaires consolidées importantes du point de vue hydrogéologique comprennent les calcaires, les dolomies, les schistes, les grès et les conglomérats. Les roches ignées comprennent les granits et les basaltes, alors que les roches métamorphiques comprennent les phyllites, les micaschistes et les gneiss.

6.2.1.3 Aquifèresetrochesencaissantes

Un aquifère est une formation rocheuse ou un gisement saturé qui peut fournir de l’eau en quantité suffisante pour être considérée comme une source d’approvisionnement. Une roche encaissante est une formation rocheuse ou un gisement qui limite l’écoulement de l’eau et ne peut donc fournir de l’eau en quantités utilisables aux puits ou aux sources. Une roche encaissante peut parfois être considérée comme un aquitard ou un aquiclude. Un aquitard est défini comme une formation saturée ne fournissant que des quantités d’eau négligeables comparées à un aquifère, mais à travers laquelle des quantités d’eau appréciables peuvent être drainées. Un aquiclude est une formation

saturée ne fournissant que des quantités d’eau négligeables et à travers laquelle l’écoulement de l’eau est également négligeable (Walton, 1970).

6.2.1.4 Aquifèrescaptifsetlibres

L’eau ne remplit que partiellement la formation d’un aquifère libre, et sa surface supérieure est libre de monter et de descendre. On appelle aqui-fère à surface libre ou nappe phréatique, le dernier aquifère libre selon l’échelle stratigraphique. Les aquifères captifs sont totalement saturés et peuvent recouvrir ou être recouverts par des roches encais-santes. L’impédance de l’écoulement à travers une formation de roches encaissante peut permettre au niveau de l’eau dans un puits de s’élever au-dessus du toit de l’aquifère, et même au-dessus du niveau du sol. Dans ce cas on obtient des puits où l’eau jaillit naturellement. On appelle aussi les aquifères captifs des aquifères artésiens.

6.2.2 Miseenplaced’uncadrehydrogéologique[SHOFM C67]

L’information relative aux aquifères et aux puits doit être organisée et intégrée afin de déterminer

Porosité secondaire

Porosité primaire

Sable de granulométrie régulière Sable de granulométrie irrégulière

Cavernes dans du calcaireFracturation du granite

FigureI.6.1.Exemplesderochessédimentairesaquifèresavecuneporositéprimaire(iciintergranulaire)etsecondaire(icifracturationetdissolution)(Heath, 1983)

CHAPITRE 6. EAUX SOUTERRAINES I.6-3

l’extension latérale et verticale des aquifères et des roches encaissantes. C’est sur cette base que l’on pourra par exemple déterminer le sens de l’écoule-ment souterrain ou les effets des frontières hydrologiques. On appelle généralement cadre hydrogéologique l’ensemble des informations rela-tives à l’extension latérale et verticale des aquifères et des formations de roches encaissantes. Pour être utile, ce concept de cadre hydrogéologique doit, dans la mesure du possible, s’appuyer sur des données concrètes et quantitatives concernant l’existence, l’orientation et l’étendue de chaque formation, aqui-fère ou encaissante, là où cela est possible. Lorsqu’il n’existe pas de données concrètes, on devra se contenter d’une connaissance conceptuelle des conditions du milieu souterrain.

La mise en place d’un cadre hydrogéologique demande, au sens propre, une vue précise de la nature du milieu souterrain. Cela peut être réalisé de diverses façons, directes ou indirectes. Parmi les méthodes directes, citons le recueil des matériaux provenant des formations aquifères et de roches encaissantes au cours des forages, sous la forme de tailles ou de carottes. La détection des caractéris-tiques du sous-sol à partir des trous de forage ou des propriétés géophysiques de la surface relèvent des méthodes indirectes. L’approche la plus robuste consiste à utiliser toutes les méthodes disponibles, pour finalement combiner les informations afin de produire une image détaillée de l’étendue, de l’épais-seur, de l’orientation et des propriétés des formations aquifères et encaissantes.

6.2.2.1 Diagraphiesdesforeursetdesgéologues

Des informations relatives à la nature des matériaux souterrains peuvent se trouver dans les enregistre-ments réalisés lors de la construction de puits, de puits de mines, de tunnels et de tranchées et dans les descriptions d’affleurements géologiques ou de grottes. L’enregistrement des conditions rencontrées au cours du forage d’un puits est particulièrement utile aux études hydrogéologiques. Cet enregistre-ment peut être réalisé par le foreur ou par un géologue surveillant le forage sur le site, en recueillant en surface les tailles de forage et en examinant toutes les carottes prélevées. Une diagraphie de foreur ou de géologue (selon celui qui formalise l’information) est une suite continue de descriptions narratives ou d’enregistrements concernant le type de matériaux rencontrés au cours du forage d’un puits. Ces diagra-phies peuvent de plus comporter des remarques concernant la relative facilité ou difficulté du forage, la vitesse d’avancement et les quantités d’eau rencontrées.

6.2.2.2 Méthodesgéophysiquesappliquéesauxforages

Les diagraphies géophysiques de forage sont souvent utilisées pour déterminer les caractéristiques du sous-sol. On descend une sonde dans un puits ou un forage non tubé. Un capteur situé sur la sonde mesure une ou plusieurs propriétés lorsqu’il est descendu ou remonté. Ces données sont transmises par un câble sous forme d’un signal analogique ou digital, qui est ensuite traité et enregistré par un équipement situé à la surface. Les données sont généralement présentées sous forme d’un graphique appelé diagraphie. Ces enregistrements sont plus objectifs que ceux produits par un géologue décri-vant les tailles et carottes de forage, et donnent plus de cohérence à des données provenant de diverses origines. Le tableau I.6.1 fournit une vue d’ensemble des méthodes géophysiques appliqués aux forages couramment utilisées dans les études hydrogéolo-giques: diamétrage, résistivité y compris potentiel spontané, radiations y compris la radiation gamma naturelle, température et débit du forage (Keys et MacCary, 1971).

6.2.2.3 Méthodesgéophysiquesdesurface

Les méthodes géophysiques de surface sont utilisées pour recueillir des données concernant le sous-sol à partir de la surface le long de transects. Selon l’instrument, différents types de sondes sont placées au contact ou à proximité du sol pour réaliser les mesures. Il existe fondamentalement quatre méthodes géophysiques de surface: sismique, résistivité électrique, gravimétrie et magnétisme (Zohdy et al., 1974). Elles sont récapitulées dans le tableau I.6.2. Les échantillons de carottes et la géophysique appliquée aux forages facilitent beaucoup une interprétation précise.

6.2.2.4 Corrélationhydrostratigraphique

L’intégration de l’information hydrogéologique collectée à partir d’un réseau de puits isolés, de transects géophysiques superficiels et d’affleure-ments géologiques, afin d’élaborer une compréhension détaillée à grande échelle de l’ex-tension latérale et de la nature des aquifères et des couches encaissantes selon la verticale, qui consti-tue le cadre hydrogéologique, s’appuie sur la corrélation de ces données d’origines géogra-phiques diverses. Dans ce sens la corrélation peut être définie comme la démonstration de l’équiva-lence d’objets observés en différents lieux. Le nœud du problème pour le praticien est de déter-miner si un aquifère identifié en un lieu est relié


Type de diagraphie Propriété mesurée Utilité Limites

Diamétrage Diamètre du forage ou du puits; relation entre le diamètre et la profondeur

Dans un forage non tubé, qui montre la nature des matériaux souterrains, le forage est habituellement agrandi quand le matériau peu consolidé et peu cohérent est pénétré. Dans les roches dures cela peut révéler la localisation des zones fracturées. Peut indiquer les fractures existantes si elles sont assez larges ou peut indiquer indirectement la présence d’une zone fracturée par l’accroissement du diamètre résultant de l’entraînement de matériel friable.

Les diamètreurs sont limités à un diamètre maximum d’enregistrement.

Température Température, relation entre température et profondeur

Utilisé pour rechercher la présence d’eau et la migration de l’eau entre aquifères. Souvent enregistrées en conjonction avec d’autres diagraphies, comme les diagraphies électriques, pour déterminer les facteurs de compensation de température.

Électrique Mesures de résistivité ou de conductivité électrique par électrode unique

Les mesures avec une électrode unique fournissent le potentiel spontané (PS) et des mesures de résistance. La mesure du PS est un enregistrement des potentiels naturels existants entre les matériaux souterrains et une électrode statique à la surface, qui varient selon la nature des terrains traversés. Le potentiel d’un aquifère contenant de l’eau salée ou saumâtre est habituellement négatif par rapport aux argiles et schistes associés, alors que le potentiel des aquifères d’eau douce peut être positif ou négatif, mais de plus faible amplitude que pour l’eau salée.

Les mesures de résistance sont un enregistrement des variations de la résistance entre une sonde soumise à un courant alternatif de 60 Hz et une électrode statique en surface. La résistance varie d’un matériau à un autre, et elle peut donc être utilisée pour déterminer les limites des formations, quelques unes de leurs caractéristiques, et quelquefois une évaluation qualitative de l’eau porale.

La diagraphie à électrode unique requiert un équipement beaucoup plus simple que les autres méthodes. Les données peuvent habituellement être facilement interprétées pour situer correctement les limites de l’aquifère ainsi que l’épaisseur de la formation si elle est supérieure à un tiers de mètre (un pied). Il n’est pas possible d’obtenir la résistivité elle-même, mais seulement sa valeur relativement aux autres formations. Avec suffisamment de données d’une région homogène, ces valeurs relatives peuvent parfois être interprétées qualitativement concernant la qualité de l’eau des diverses formations.

Les diagraphies électriques ne peuvent pas être pratiquées dans les puits tubés. Elles peuvent ne pas donner de résultats satisfaisants au voisinage des centrales électriques, des postes d’interconnexions électriques et installations similaires. La sonde doit être au contact de la paroi du puits, ce qui peut être difficilement réalisable dans les puits de grand diamètre.

Mesures de résistivité ou de conductivité électrique par électrodes multiples

La méthode à électrodes multiples consiste à mesurer le PS ainsi que deux ou plusieurs résistivités. Le PS est identique à celui de la diagraphie à électrode unique. Les mesures de résistivité montrent les variations de potentiel avec la profondeur d’un courant alternatif de 60 Hz imposé entre des électrodes espacées à diverses distances de la sonde. Les espacements entre électrodes habituellement utilisés sont «normal-court», 0,4064 à 0,4572 m (16 à 18 pouces), «normal-long», 1,6256 m (64 pouces) et «latéral-long», 5,6896 m (18 pieds, 8 pouces). Le rayon d’investigation autour du puits varie avec l’espacement. L’instrument de diagraphie se compose d’une sonde avec deux ou trois électrodes espacées à diverses distances, supportées par un câble à conducteurs multiples relié à l’enregistreur, d’un générateur de courant alternatif et d’une électrode reliée à l’enregistreur et fichée dans le sol, pour fermer le circuit de résistivité du PS, et de câbles, d’enrouleurs, de treuils et de tout équipement nécessaire similaire.

TableauI.6.1.Résumédesméthodesgéophysiquesdeforageutiliséesfréquemmentdanslesrecherchessurleseauxsouterraines


Type de diagraphie Propriété mesurée Utilité Limites

Radiation Radiation des matériaux naturels, habituellement rayonnement gamma

Pratiquement toutes les roches contiennent certains éléments radioactifs. Les argiles et les schistes sont habituellement plusieurs fois plus radioactifs que les grès, calcaires et dolomies. La diagraphie de rayons gamma est une courbe reliant la profondeur à l’intensité du rayonnement naturel et est particulièrement précieuse pour détecter les argiles et autres matériaux rayonnant fortement. Le rayonnement peut être mesuré à travers le tubage du puits, ce qui permet de localiser les limites des formations dans un puis tubé. Elle peut être également pratiquée dans un puits sec, tubé ou non.

Radiation transmise à travers, depuis, ou induite dans la formation par une source contenue dans la sonde, comme une source neutronique

L’équipement pour une diagraphie par sonde à neutron, comprend une source de rayonnement neutronique ainsi qu’un compteur, et peut être utilisé pour détecter la présence d’eau et d’une porosité saturée.

Le plus grand soin doit être apporté au transport, à l’utilisation et au stockage de la sonde contenant la source radioactive. Une autorisation gouvernementale peut être nécessaire.

Écoulement Vitesse de l’écoulement, vitesse instantanée ou cumulée selon la profondeur

Un débitmètre mécanique ou électronique mesure les variations de la vitesse d’un fluide dans le forage. Lorsque l’eau est pompée hors du puits pendant la diagraphie, on peut déterminer la variation des apports de débit avec la profondeur. Cela peut indiquer les sources principales (zones de fractures, lits de sable etc.) d’alimentation en eau du puits. Les débitmètres basés sur les méthodes de chaleur pulsée donnent les meilleurs résultats pour les vitesses faibles.

Ne peut être pratiqué que dans des forages ou puits remplis de liquide.

ou similaire à un autre identifié ailleurs. Lorsqu’ils entreprennent cette tâche, les géologues s’intéres-sent particulièrement à la similarité des âges géologiques des formations et des roches. L’hydrogéologue toutefois doit se préoccuper de la similarité d’un point de vue hydraulique, qui peut dépasser le type de roches ou l’âge géologique. La fiabilité et la précision du cadre hydrogéologique résultant sont directement fonction de la densité de l’information fournie par les puits et les transects. Dans les zones dont la géologie et la topographie sont complexes, la densité de données requise est relativement plus importante que dans les zones de configuration plus simple.

L’approche consiste à identifier de préférence une particularité lithologique ou hydraulique unique qui soit caractéristique en un site d’un aquifère ou d’une formation encaissante. Cette particularité peut être, par exemple, la présence d’un niveau ayant une composition ou une couleur particulière à l’intérieur ou à proximité de l’aquifère ou de la formation de roches encaissantes étudiée. On parle alors de marqueur. Une signature particulière d’une certaine strate dans une diagraphie peut être utilisée. Une fois identifié dans les données rela-tives à un certain puits, on recherche l’existence

de ce même marqueur dans celles des puits voisins. En raison des variations géologiques et topogra-phiques, la profondeur à laquelle on trouve le marqueur peut être différente. Si le marqueur est alors identifié, on peut supposer que l’aquifère ou la formation de roches encaissantes situé dans la même position relative que celui ou celle repéré dans le premier puits sont corrélés, et cela peut indiquer que l’aquifère ou la formation de roches encaissantes est continu entre les deux points d’observation. Si un marqueur particulier n’est pas identifiable dans les points d’observation voisins, les données disponibles doivent être réexaminées et de nouvelles tentatives de corrélation entre-prises. L’impossibilité d’établir une corrélation et de définir une continuité peut indiquer la présence d’une faille, d’un plissement ou d’une quelconque terminaison stratigraphique de la formation. La connaissance de la géologie de la région et de comment elle est susceptible d’affecter la conti-nuité et la variabilité spatiale de l’aquifère ou des roches encaissantes est essentielle. Pour l’acquérir, il peut être nécessaire de consulter des géologues spécialistes de la région. On ne soulignera jamais assez que la complexité de la géologie et la non-unicité d’un marqueur peuvent conduire à des conclusions erronées.


Méthodes Propriétés Approche Utilité et limites

Sismique On mesure la vitesse des ondes sonores. La propagation et la vitesse des ondes sismiques dépendent de la densité et de l’élasticité des matériaux souterrains et augmentent avec leur degré de consolidation ou de cémentation.

Les ondes sonores sont générées artificiellement et mécaniquement par des coups de marteau ou par de petites explosions. Les ondes sismiques rayonnent depuis la source, et sont soit transmises à travers les couches, soit réfléchies par la surface de couches de propriétés différentes, soit réfractées lorsqu’elles traversent les différentes couches. On utilise différentes approches pour interpréter les données de la réflexion et de la réfraction.

Peut fournir une définition précise des contacts lithologiques si les roches présentent des propriétés sismiques contrastées. Couramment utilisé dans les études sur les eaux souterraines pour déterminer la profondeur du substratum rocheux et les horizons sédimentaires non consolidés. Le traitement informatique des données collectées selon une approche par maillage peut fournir une représentation très détaillée en 3D.

Résistivité électrique

Les matériaux terrestres peuvent se différencier par leur résistivité électrique. La résistivité électrique est également étroitement liée au contenu en eau et aux caractéristiques chimiques, en particulier la salinité. Des graviers ou sables secs ont une résistivité plus élevée que des graviers ou sables saturés en eau. Les argiles et les schistes ont une résistivité très faible.

Un courant continu ou alternatif de faible fréquence est établi à travers le sol entre deux électrodes métalliques. On mesure le courant et le potentiel de différentes autres électrodes. Pour explorer en profondeur on éloigne de plus en plus les électrodes l’une de l’autre. Lors de cet éloignement progressif, le courant pénètre de plus en plus profondément. On mesure la résistivité d’un volume croissant de terrains, et l’on obtient une courbe de la résistivité en fonction de l’éloignement des électrodes.

Applicable à de grandes ou petites surfaces, et très utilisé dans les études sur les eaux souterraines en raison de sa sensibilité aux conditions hydriques. L’équipement est facilement transportable et la méthode habituellement beaucoup plus acceptable que les explosions nécessaires pour les méthodes sismiques. Cette méthode ne peut toutefois pas être utilisée au voisinage de lignes électriques ou de structures métalliques.

Gravimétrie Les variations de la gravité résultent des différences de densité entre les différents types de matériaux souterrains.

L’intensité de la gravité est mesurée à des stations selon un transect ou aux nœuds d’un maillage.

L’équipement est léger et transportable, et le travail sur le terrain relativement rapide. Il faut faire des corrections d’altitude. Les études gravimétriques sont précieuses pour la recherche de caractéristiques importantes telles que la profondeur jusqu’au substratum rocheux ou les traces d’érosion ancienne sur ce dernier, ou d’autres caractéristiques telles que la présence d’éléments intrusifs enterrés. Cette méthode est applicable à des zones de toutes tailles, mais ses résultats sont moins précis que ceux des méthodes sismiques ou électriques.

Magnétisme Les propriétés magnétiques des roches influencent le champ magnétique terrestre. De nombreux basaltes par exemple sont plus magnétiques que les roches sédimentaires ou que les roches ignées acides.

On mesure et trace l’intensité de la composante verticale du champ magnétique terrestre. L’analyse des résultats peut indiquer qualitativement la profondeur du substratum rocheux et la présence de digues, de filons et autres phénomènes similaires.

Les méthodes magnétiques sont rapides et économiques pour établir des informations limitées sur le sous-sol. Les résultats de ces méthodes sont moins précis que ceux des méthodes sismiques ou électriques. Elles conviennent mieux à la détermination des grandes lignes de la structure d’un bassin souterrain.

TableauI.6.2.Résumédesméthodesdegéophysiquesuperficiellesutiliséescourammentdanslesrecherchessurleseauxsouterraines


6.3 PUITSD’OBSERVATION

6.3.1 Installationdespuitsd’observation

Depuis les temps les plus anciens des puits ont été creusés dans les formations aquifères. Les puits existants peuvent être utilisés comme puits d’obser-vation de la surface statique d’une nappe, pourvu que la profondeur du puits dépasse largement les fluctuations saisonnières du niveau d’eau, et que la séquence géologique soit connue. Il faut procéder à un recensement des puits existants afin de s’assurer si, le cas échéant, certains peuvent convenir comme puits d’observation. Les puits de pompage en exploi-tation peuvent également être incorporés au réseau si l’espace annulaire entre le tubage externe du puits et la colonne de pompage permet le passage d’un ruban gradué ou d’un câble pour mesurer la profon-deur du niveau de l’eau. Si des puits creusés ou forés existants sont utilisés comme puits d’observation, le niveau d’eau dans ces puits devrait être mesuré après que le pompage a été interrompu depuis un temps suffisant pour permettre au niveau de revenir à sa position normale. De même, les prélèvements à proximité d’un puits d’observation devront avoir cessé depuis assez longtemps pour que le cône de dépression causé par le pompage voisin ait eu le temps de remonter. Si le forage de nouveaux puits est nécessaire, les dépenses qui devront être enga-gées nécessitent une planification rigoureuse du réseau.

Dans les parties d’aquifères ayant seulement quelques puits de pompage ou de recharge qui ne s’influencent pas l’un l’autre, il est généralement préférable de forer spécialement des puits d’obser-vation assez éloignés des puits en activité pour ne pas subir leur incidence. Le principal avantage des puits creusés est qu’ils peuvent être aménagés par une main-d’œuvre locale qualifiée. Des profondeurs de 3 à 15 m sont courantes, mais de tels puits peuvent atteindre 50 m de profondeur ou davan-tage. Les puits creusés peuvent être construits en pierres, briques ou blocs de béton. Afin d’assurer le passage de l’eau de l’aquifère dans le puits, quelques jointures ne sont pas bouchées et des coins de blocs ou de briques sont brisés.

Lorsque l’excavation atteint le niveau de la nappe, il faut pomper l’eau pour qu’elle n’empêche pas de continuer à creuser. Si la quantité d’eau entrant dans le puits est supérieure à la capacité de la pompe, il est possible d’approfondir le puits par forage. La technique de creusement de puits jusqu’au niveau de la nappe, puis d’approfondisse-ment par forage, est une pratique courante dans de nombreuses régions du monde. Le puits terminé

devra être protégé de la pluie, des inondations ou infiltrations à partir des eaux de surface qui pour-raient polluer l’eau du puits et, de là, l’aquifère. La maçonnerie devra s’élever à au moins 0,5 m au-dessus du niveau du sol. Le sommet du puits devra être muni d’un couvercle étanche avec un système de fermeture pour des raisons de sécurité. Un repère de nivellement pour mesurer la profon-deur du niveau d’eau (repéré par rapport à un zéro commun) devra apparaître clairement à proximité du bord supérieur du puits.

Lorsque l’on atteint les eaux souterraines à des profondeurs de 5 à 15 m, le creusement à la main peut être une méthode pratique pour la construc-tion de puits d’observation. On peut utiliser des tarières à main pour creuser un trou de 50 à 200 mm de diamètre dans les argiles et certains limons sableux qui ne s’effondreront pas s’ils ne sont pas étayés. Pour contourner la difficulté de creuser sous la nappe aquifère dans du sable friable, un tube est descendu jusqu’au fond du trou et le creusement se poursuit avec une tarière de plus petit diamètre à l’intérieur du tube. Les déblais peuvent aussi être enlevés au moyen d’une cuillère pour approfondir le puits.

Là où les formations géologiques sont connues à l’avance et consistent en sables non consolidés, limons ou argiles, des puits d’observation de faible diamètre, ayant jusqu’à 10 m de profondeur peuvent être construits par la méthode du fonçage. Cette méthode consiste à enfoncer dans le sol une pointe perforante fixée à l’extrémité d’un train de tubes en acier. Un des tronçons est une crépine (filtre) faite d’un tube perforé enveloppé d’un treillis métallique protégé par une tôle perforée en laiton. Les puits foncés, de 35 à 50 mm de diamètre, conviennent aux observations.

La pénétration dans les aquifères profonds se fait au moyen de forages réalisés par des engins à rotation ou à percussion. Le forage d’un puits de petit diamètre étant plus économique, les diamètres inté-rieurs des puits d’observation construits de cette façon sont le plus souvent compris entre 50 et 150 mm. Le forage hydraulique rotatif est souvent utilisé, à l’aide de mèches dont le diamètre varie de 115 à 165 mm. La méthode par rotation est plus rapide que celle par percussion dans les formations sédimentaires, sauf lorsqu’il s’agit de formations contenant du silex, des conglomérats ou des galets. Les débris produits par le forage étant évacués en injectant un liquide qui est ensuite refoulé, des échantillons des formations traversées peuvent être obtenus à intervalles réguliers. Ceci est réalisé en forant jusqu’à la profondeur à échantillonner, en


expulsant tous les débris hors du système par circu-lation du fluide de forage, et en forant à travers la zone à échantillonner et en extrayant des débris correspondants. Une surveillance attentive de la vitesse de progression et de l’efficacité du forage exercée par un hydrogéologue ou un foreur expéri-menté peut fréquemment révéler des modifications des caractéristiques des formations rencontrées et indiquer ainsi la nécessité de prélever des échan-tillons supplémentaires.

La méthode par percussion est préférable lorsqu’il s’agit de formations rocheuses fissurées ou de matériaux à très haute perméabilité. Le diamètre normal d’un puits foré par percussion est compris entre 100 et 200 mm pour permettre l’installation d’un tubage de 50 à 150 mm de diamètre en vue d’observations éventuelles. La méthode par percus-sion permet de recueillir des échantillons des matériaux extraits qui donneront une description des formations géologiques rencontrées.

Dans de nombreux cas, l’aquifère étudié est un aquifère captif séparé d’autres aquifères par une couche beaucoup moins perméable. Tous les aqui-fères supérieurs traversés lors du forage doivent être

Bouchon de 50 mm

Point de référence

Manchon de 50 mm

Scellement d’argile

Scellement de béton

Jointement d’argile

Surface piézométrique

Forage

Formation rocheuse

200

m0,

500,

501

m

FigureI.6.2.Puitsd’observationdansuneformationrocheuse

isolés de l’aquifère étudié, par un procédé de colma-tage ou d’obturation. Le mortier utilisé peut être de l’argile ou un mélange fluide de ciment et d’eau, d’une consistance permettant de l’injecter sous pression par des tubes de colmatage, là où c’est nécessaire. L’obturation et le colmatage d’un tubage dans un puits d’observation peuvent être effectués pour les raisons suivantes:a) Éviter l’infiltration d’eau de surface polluée

dans l’aquifère par la partie externe du tubage;b) Isoler l’eau des formations aquifères situées

au-dessus de l’aquifère étudié;c) Bien serrer le tubage dans un trou foré plus

grand que le tubage utilisé.

Les trois mètres supérieurs du puits doivent être colmatés avec un matériau imperméable. Afin d’isoler un aquifère superficiel, le joint de matériau imperméable doit avoir une profondeur d’au moins trois mètres au-dessus de la couche imperméable séparant les aquifères.

Les puits d’observation peuvent être forés et ache-vés sans utiliser de tubage s’ils se trouvent dans des formations rocheuses solides. La figure I.6.3 montre un puits achevé dans une formation rocheuse. Le trou de forage doit être débarrassé des particules fines et autant que possible de la boue de forage. Ce nettoyage est réalisé par pompage ou puisage de l’eau du puits jusqu’à ce qu’elle soit claire.

Par contre, dans des alluvions non consolidées, il faudra tuber. Les caractéristiques principales d’une telle installation sont données sur la figure I.6.3. Il convient de noter que: a) Le diamètre normal du tubage, dans les puits

d’observation, est de 50 mm;b) Une longueur «morte» de tubage (bouchée à

l’extrémité inférieure) est montée au fond du trou. Ce tubage «mort» doit avoir au moins trois mètres de longueur et sert à collecter les sédi-ments provenant de la partie perforée du tubage. C’est ce qu’on appelle le puisard à sédiments;

c) La crépine (ou filtre) constituée par la perfora-tion du tubage sur une certaine longueur, par des fentes ou des trous, doit être placée à l’abri des débris; elle assure le libre échange de l’eau entre l’aquifère et le puits d’observation. Elle mesure environ deux mètres;

d) Le tubage «mort» au-dessus de la crépine doit être suffisamment long pour dépasser la surface du sol d’environ un mètre. L’extrémité supérieure de ce tubage constitue un repère de niveau pour l’observateur;

e) Une armature centrale assure un positionne-ment correct de la colonne filtrante dans le trou de forage;


f) Dans les aquifères de sable fins ou limoneux, le treillis et le tubage perforés doivent être protégés contre le colmatage dû aux éléments fins. Du matériau brut calibré doit être placé autour du filtre afin de remplir l’espace annu-laire entre celui-ci et le mur de forage. Dans le cas d’un trou de 150 mm de diamètre, équipé d’un tube de 50 mm, l’épaisseur normale du filtre à gravier doit être approximativement de 45 mm, sans être inférieure à 30 mm. Le matériau brut utilisé peut être du gravier avec des éléments de 1 à 4 mm de diamètre. Le gravier devrait être placé à l’aide d’un tube-guide de faible diamètre introduit dans l’espace compris entre le tubage et le mur du trou. La quantité de gravier employée doit être suffisante pour remplir l’espace annulaire et le fond du forage sur toute la longueur du puisard à sédiments et de la crépine, et au moins sur 500 mm du tubage au-dessus de la perforation;

g) Au niveau du sol, une excavation doit être aménagée autour du tubage. Les dimensions recommandées pour cette excavation, qui doit avoir la forme d’un tronc de pyramide renversé, sont 800 x 800 mm au niveau du sol et environ 400 x 400 mm à 1 m de profon-deur. De l’argile de colmatage doit être dispo-sée autour du tubage jusqu’à une profondeur d’au moins 2 m pour bien serrer le tubage et empêcher les infiltrations vers l’aquifère d’eau polluée provenant des alentours du tubage. L’excavation elle-même doit être comblée en partie par un joint d’argile et, dans sa partie supérieure, de béton. Ce béton doit être coulé autour du tubage de telle façon qu’il forme un cône à la surface du sol évacuant ainsi les eaux de pluie et de drainage en dehors du puits;

h) La partie supérieure du tubage, sortant du sol au-dessus du cône en béton, doit être fermée pour des raisons de sécurité. La figure I.6.3 montre des détails de l’installation du puits. Le

Tubage de 50 mm

Manchon de 50 mm

Grillage ou treillis d’acier

Enroulement par fils de 3 mm

Tubage perforé

Second manchon

Tubage «mort»

Bouchon de ferBouchon de 50 mm

Tuyau de 50 mm

Évent d’aération de Ø 4 mm


Centreur

Détail de l’extrémité supérieure

Détail de la crépine et du puisard

Point de référence Point de référenceVoir détail

Manchon de50 mm

Scellement de béton

Scellement d’argile

Jointoiment d’argile

Formation sableuse

Filtre à graviers

Puisard à sédiments

Bouchon de bois ou de fer

Crépine (voir détail)

1,00

0,50

0,50

0,50

2,00

m3,

00 m

2,00

m3,

00 m

FigureI.6.3.Puitsd’observationdansuneformationsableuse


Profondeur en m

Sables

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

120

130

140

150

160

170

Argiles

Marnes

Grès calcaire

Grès calcaire

Argiles

Argiles

Argiles et limons

Argiles

Calcaires sableux et

limoneuxSilex et

coquilles

Sables et grès calcaire



Argiles

559 1 2 3 6 4 5

Bouchonimperméable

Bouchonimperméable

Bouchonimperméable

Bouchonimperméable

Bouchonimperméable

Bouchonimperméable

25,00

31,00

39,05

55,00

96,00

103,50

117,50

128,00

142,00

152,00

167,00

1 2

3

45

6

Distance de la mer: 375 m

FigureI.6.4.Sectiontransversaleverticaleschématiqued’unpuitsd’observationdansunsystèmeaquifèremulticouche


bouchon externe de 50 mm est vissé au tubage à l’aide d’un outil spécial, et le bouchon supplé-mentaire en fer, placé à l’intérieur du tubage, peut en être extrait par l’observateur au moyen d’un puissant aimant.

La partie du tubage située au-dessus du niveau du sol doit être peinte en couleur vive pour faciliter son repérage à distance. La profondeur du niveau piézométrique est mesurée depuis le rebord du tubage après ouverture de celui-ci. Ce rebord tient lieu de point de référence et doit être rattaché au nivellement général de la zone d’étude.

Les puits d’observation doivent être entretenus par l’agence responsable du suivi ou des recherches. La zone autour du puits doit rester libre de toute végétation ou détritus. Un disque en laiton peut être encastré dans le joint de béton au niveau du sol, portant la mention «puits d’observation» et le nom de l’agence ou de l’organisation. Ce disque en laiton peut également servir de borne de nivellement pour des besoins topographiques.

Si, à la suite de dommages, la partie aérienne du tubage doit être remplacée, le nouveau nivellement est simplifié par la proximité de cette borne de nivellement. Les puits préexistants, mais qui servent de puits d’observation doivent être entretenus et identifiés de la même façon que ceux forés spécifiquement pour effectuer des mesures.

Dans la zone d’études, plusieurs aquifères peuvent exister à différentes profondeurs et être séparés par des couches imperméables d’épaisseur variable. On peut recommander, dans de tels cas, la procédure suivante (figure I.6.4):a) Un puits de grand diamètre est foré en premier

lieu par la méthode de percussion jusqu’à rencontrer l’aquifère le plus profond;

b) On installe dans l’aquifère le plus profond un tube d’observation de petit diamètre, muni d’un filtre;

c) On relève le tubage externe jusqu’à ce qu’il atteigne la base de la couche imperméable placée au-dessus de cet aquifère. Un filtre à gravier est alors placé autour de la crépine du tube d’observation, et la partie supérieure de l’aqui-fère le plus profond est alors jointoyée et scellée avec du ciment ou tout autre mortier approprié;

d) On enfonce ensuite un tube d’observation de petit diamètre muni d’un filtre jusqu’à l’aquifère situé immédiatement au-dessus du précédent. Cet aquifère est à son tour muni d’un filtre à gravier et isolé par obturation de l’aquifère moins profond qui est placé au-dessus de lui;

e) Les phases c) et d) seront répétées pour tous les aquifères suivants qui seront traversés.

Dans le cas présent, le jointoiement de chacun des aquifères doit être fait avec beaucoup de soin afin d’éviter toute altération des formations aquifères par mélange d’eaux aux propriétés chimiques différentes ou perte de pression artésienne. Si la géologie de la zone d’étude est bien connue et que la profondeur de chaque aquifère peut être évaluée avec précision, il est recommandé de forer et de construire un puits distinct pour chaque aquifère.

Les différents forages sont alors séparés de quelques mètres seulement, et une telle procédure peut s’avérer être plus économique. Si des puits de pompage privés sont incorporés dans le réseau d’observation, des accords doivent être établis pour que ces puits soient entretenus par les propriétaires.

6.3.2 Essaidespuitsd’observation

La réaction d’un puits d’observation aux change-ments du niveau de l’eau dans l’aquifère doit être testée immédiatement après l’achèvement de la construction du puits. On procède à un seul test, pour les puits d’observation de petit diamètre, en étudiant la recharge correspondant à un volume d’eau connu. Celui-ci est injecté dans le puits et l’on mesure la baisse consécutive du niveau de l’eau. Pour les puits de production, l’élévation initiale de niveau doit avoir disparu dans les trois heures qui suivent, le niveau étant revenu à sa posi-tion originale à cinq millimètres près. Si la baisse du niveau de l’eau est trop lente, le puits doit être conditionné pour décolmater le filtre et enlever le maximum de matériaux fins qui se trouvant dans le terrain ou le filtre à gravier autour du puits. Ce conditionnement est facile à faire: il suffit de créer un mouvement de va-et-vient des eaux souterraines vers l’intérieur et vers l’extérieur du puits.

Après avoir nettoyé le puits, on mesure la distance comprise entre le repère de nivellement et le fond du puits. La comparaison entre cette mesure et la longueur totale de tubage donne la quantité de sédiments dans le puisard. Ce test devra être répété occasionnellement dans les puits d’observation pour contrôler les performances du filtre. Si la mesure du fond du puits montre que des sédiments remplissent toute la colonne du puisard et le filtre, le niveau d’eau dans le puits peut ne plus représen-ter alors le niveau de la nappe dans l’aquifère. Si la fiabilité d’un puits d’observation doit est discutable, il existe de nombreuses procédures permettant de rétablir un fonctionnement normal.


6.3.3 Rebouchageetfermeturedespuitsabandonnés

Les puits d’observation et de pompage peuvent être abandonnés pour les raisons suivantes:a) Défectuosité du puits en ce qui concerne la

quantité ou la qualité de l’eau;b) Forage d’un nouveau puits plus profond pour

remplacer le puits existant;c) Le puits d’observation n’est plus nécessaire aux

recherches ou études en cours.

Dans tous les cas, ces puits doivent être fermés ou détruits afin qu’ils ne puissent pas servir de voie d’échange d’eau entre les différents aquifères, lorsqu’un tel échange implique une détérioration significative de la qualité de l’eau des aquifères concernés.

Le remplissage et la fermeture des puits abandonnés peuvent être réalisés de la façon suivante:a) Mise en place de sable ou d’un autre matériau

non organique au niveau des terrains où un matériau d’obturation imperméable n’est pas nécessaire;

b) Mise en place d’un matériau non organique imperméable au niveau des couches perméables afin d’éviter l’échange d’eau entre les différents aquifères ou la perte de pression artésienne. Ce matériau imperméable doit couvrir une profon-deur d’au moins 3 m au-dessus et au-dessous de la ligne de contact entre l’aquifère et l’aquiclude;

c) Mise en place de couches alternées de matériau perméable et imperméable dans le puits lorsque les limites des différentes formations ne sont pas connues;

d) Ne pas utiliser de matériau à texture fine comme matériau de remplissage de formations rocheuses crevassées ou fracturées. Du ciment ou du béton devra être employé pour boucher un puits atte-nant à ces strates. Si ces formations ont une exten-sion considérable en profondeur, des couches alternées de remplissage grossier et de béton devront être utilisées pour combler le puits;

e) Dans tous les cas, bouchage des cinq mètres supérieurs du puits avec un matériau imper-méable non organique.

6.4 MESUREDUNIVEAUDESEAUXSOUTERRAINESETRÉSEAUXDEPUITSD’OBSERVATION[SHOFM C65, E65, G10]

6.4.1 Instrumentsetméthodesd’observation

La mesure directe du niveau des eaux souterraines dans les puits d’observation peut être effectuée soit

manuellement, soit par des appareils automatiques enregistreurs. Les descriptions d’instruments qui suivent sont relatives aux principes de mesure du niveau des nappes souterraines. Les références bibliographiques comportent la description de certains types d’appareils.

6.4.1.1 Appareilsàfonctionnementmanuel

La méthode de mesure manuelle la plus courante consiste à suspendre une ligne de mesure lestée (par exemple, un ruban d’acier souple, un ruban plasti-fié ou un câble) depuis un point bien défini à la surface du sol, généralement la margelle du puits, jusqu’à un point situé en dessous du niveau de la nappe. Après avoir retiré la ligne, on définit le niveau de la nappe en enlevant la longueur de ruban qui a été submergée de la longueur totale de ruban que l’on a fait descendre dans le puits. Cette partie du ruban qui a été trempée dans l’eau peut être plus nettement définie si l’extrémité inférieure du ruban a été recouverte de craie avant chaque mesure. Certaines pâtes ayant la capacité de chan-ger de couleur ont été utilisées pour indiquer la partie du câble submergée, bien qu’on devrait éviter l’emploi de substances contenant des produits chimiques toxiques. Plusieurs essais de mesure peuvent être faits, à moins que l’on ne connaisse à l’avance la profondeur approximative de l’eau. Si la profondeur augmente, la longueur de ruban métal-lique à utiliser doit aussi augmenter, et le poids et l’encombrement de l’appareil peuvent devenir diffi-cilement gérables. Des profondeurs ne dépassant pas 50 m peuvent être mesurées facilement; jusqu’à 100 m ou au-delà, les difficultés deviennent plus grandes. Pour ces grandes profondeurs, des rubans d’acier de faible largeur ou des rubans plastifiés de faible poids peuvent être utilisés. Les profondeurs de la nappe peuvent être mesurées ainsi à quelques millimètres près, mais l’exactitude de la mesure suivant les différentes méthodes est généralement fonction de la profondeur.

Des appareils à inertie ont été réalisés comme suit: un poids attaché à l’extrémité d’un câble tombe à une vitesse constante sous l’effet de la gravité depuis un appareil portatif placé à la surface du sol. Dès qu’il atteint la surface de l’eau, un mécanisme de freinage arrête automatiquement la chute. La longueur de câble déroulé, équivalente à la profondeur jusqu’à la nappe, est enregistrée sur un compte-tours. L’appareil peut mesurer la profondeur avec une précision de 1 cm, bien que pour un opérateur expérimenté cet écart puisse être réduit à 0,5 cm.

Le dispositif à deux électrodes utilise donc deux élec-trodes placées l’une à côté de l’autre, incorporées


généralement dans un seul élément de 10 à 20 cm de long, fixé à l’extrémité du câble. Le système comporte une batterie et un ampèremètre. Le courant passe à travers le système quand les élec-trodes sont immergées dans l’eau. Les câbles électriques doivent avoir un étirement négligeable, les câbles recouverts de matière plastique étant préférés aux câbles recouverts de caoutchouc. Le câble est gradué avec des rubans adhésifs ou des marques spéciales à intervalles fixes, par exemple tous les 1 ou 2 m. La profondeur exacte de la nappe est mesurée au moyen d’une règle d’acier depuis la marque la plus proche sur le câble. Les mesures du niveau de la nappe peuvent être effectuées sans difficulté jusqu’à une profondeur de 150 m; elles sont encore possibles, avec quelques difficultés, jusqu’à 300 m et plus. Les limites à la profondeur de mesure correspondent essentiellement à la longueur du câble électrique, à la conception du circuit élec-trique, au poids de l’équipement (spécialement celui du câble porteur) et à l’importance de l’effort nécessaire pour enrouler et dérouler le câble. L’exactitude de la mesure dépend de l’adresse de l’opérateur et du soin avec lequel les marques ont été fixées sur le câble. Celles-ci devraient être véri-fiées et le circuit électrique contrôlé à intervalles réguliers, de préférence avant et après chaque série d’observations. Les dispositifs de mesure électrique s’avèrent très utiles lorsque des mesures de profon-deur de la nappe doivent être effectuées à brefs intervalles, pendant les essais de pompage.

Dans les puits très profonds où la longueur de câble nécessaire est de l’ordre de 500 m, la précision de la mesure est de l’ordre de ±15 cm. Toutefois, les mesures de variations de niveau de l’eau avec un câble laissé à demeure dans le puits et muni d’une sonde, sont données au millimètre près.

Les effets électrochimiques d’un ensemble de deux métaux différents plongés dans l’eau peuvent être utilisés pour la mesure manuelle de la profondeur de l’eau, aucune batterie n’étant alors nécessaire pour fournir le courant. Un courant d’intensité mesurable peut être produit par immersion, dans la plupart des eaux souterraines, soit de deux élec-trodes (par exemple l’une en magnésium, l’autre en laiton) groupées dans un seul ensemble, soit d’une seule électrode (en magnésium) avec, à la surface, une aiguille d’acier de mise à la terre. Étant donné la faible intensité du courant ainsi produit, un micro-ampèremètre est généralement néces-saire pour produire le signal. Le dispositif à électrode unique peut être incorporé à un ruban d’acier gradué, ou à un ruban plastifié dans lequel on a incorporé un câble à un seul conducteur. La précision de la mesure dépend de la façon dont le

câble a été gradué, mais on peut obtenir des lectures à 5 mm près.

Un flotteur à l’extrémité d’un câble passant sur une poulie, avec un contrepoids à l’autre extrémité, peut être installé en permanence dans un puits d’observation, les variations du niveau de l’eau étant indiquées par le changement de niveau du contrepoids, ou d’une marque fixée sur le câble. Une échelle à lecture directe peut être fixée à la poulie. L’emploi de la méthode est généralement limité aux cas où les variations de niveau s’avèrent faibles.

Lorsque l’eau souterraine jaillit à la surface, on doit boucher le sommet du puits avant d’entreprendre la mesure. La pression à la surface (ou la hauteur d’eau équivalente) peut être mesurée par un indica-teur de pression (à simple observation visuelle ou appareil combiné à un dispositif d’enregistrement continu) ou, lorsque c’est possible, en observant le niveau de l’eau dans un tube de petit diamètre prolongeant le forage; ce tube en verre ou en matière plastique passe à travers le bouchon au sommet du puits. S’il y a risque de gel, de l’huile ou une solu-tion antigel non miscible devra être versée à la surface de l’eau.

Tous les dispositifs de mesure nécessitent d’être mis en œuvre avec beaucoup de soin et entretenus à intervalles fréquents, sinon leur efficacité peut être sérieusement réduite. La mesure du niveau de l’eau souterraine par des méthodes manuelles exige l’habileté d’un opérateur bien entraîné.

6.4.1.2 Enregistreursautomatiques

De nombreux types différents d’appareils à enre-gistrement automatique continu du niveau de l’eau sont actuellement en service. Bien qu’un enregistreur puisse être prévu pour être installé à une station bien déterminée, on devrait insister sur l’intérêt de la souplesse quant à ce choix. Les appareils devraient être transportables, facilement mis en place et susceptibles d’enregistrer les niveaux pour des climats très différents, de fonc-tionner sans visite de contrôle pendant des intervalles de temps variables et de permettre de mesurer diverses amplitudes de variations de niveau à des vitesses d’enregistrement différentes, au moyen de jeux de pignons interchangeables pour faire varier l’échelle des hauteurs. Ainsi, le même appareil de base peut être utilisé avec le minimum d’équipement auxiliaire pour diverses périodes d’observation et avec une large gamme de marnage de la nappe à un bon nombre de puits d’observation.


L’expérience a montré que, parmi les appareils enregistreurs analogiques en service actuellement, l’appareil à flotteur est le mieux adapté. L’hydrogramme est enregistré sur un diagramme fixé sur un tambour à axe horizontal ou vertical, ou sur un diagramme sur bande à déroulement continu. Pour obtenir les meilleurs résultats avec la sensibilité maximale le diamètre du flotteur doit être aussi grand que possible, avec un ensemble câble-contrepoids aussi léger que possible. En géné-ral, le diamètre ne devrait pas être inférieur à 12 cm; cependant, des modifications apportées à certains types d’enregistreurs permettent l’emploi de flot-teurs de plus faible diamètre. Le tambour enregistreur ou le stylet peuvent être entraînés par un ressort ou un mouvement d’horlogerie élec-trique. L’enregistrement peut être effectué par une plume ou un stylet lesté et s’appuyant sur un papier spécial. Au moyen de jeux de pignons interchan-geables, le rapport entre le déplacement du tambour et la variation de niveau de l’eau correspondante peut être modifié, et ce coefficient de réduction varie en général entre 1:1 et 1:20. La vitesse d’enre-gistrement varie suivant les différentes réalisations des appareils, mais les rapports de démultiplication sont choisis de telle façon que la largeur complète du diagramme corresponde à des intervalles de 1, 2, 4, 8, 16 ou 32 jours. Certains appareils à bandes déroulantes peuvent fonctionner sans recharge de bande pendant plus de 6 mois.

Lorsque les enregistreurs à flotteurs comportent une longueur de ruban étalonnée, une lecture directe de la profondeur (ou de la profondeur rela-tive) de la nappe devrait être faite et le résultat noté au commencement et à la fin de l’enregistrement à chaque changement de diagramme. La valeur indi-quée sur l’enregistrement devrait être contrôlée par des observations manuelles à intervalles réguliers. L’exactitude de la lecture des niveaux d’eau sur le diagramme dépend essentiellement du rapport entre le mouvement du tambour et la variation du niveau des eaux souterraines, et donc des rapports de démultiplication. La mesure en continu de la profondeur jusqu’à la nappe souterraine dans les puits de petit diamètre est délicate, car plus le diamètre du flotteur décroît, plus la sensibilité du système diminue sévèrement. Des flotteurs minia-tures ou des sondes électriques de petit diamètre ont été mis au point pour suivre les changements de niveau de l’eau. La force motrice est communé-ment fournie par un servomécanisme, un ressort ou une commande électrique situé dans l’appareillage de surface. Le petit flotteur est suspendu dans le puits au bout d’un câble enroulé sur une bobine reliée à un enregistreur à poulie. En position d’équi-libre, le servomoteur est coupé. Lorsque le niveau

de l’eau dans le puits baisse, le flotteur reste dans la même position et l’augmentation du poids du câble induit un léger mouvement de la bobine, provo-quant alors un contact électrique qui met en route le petit moteur. La bobine actionnée par ce moteur dévide du câble jusqu’à la nouvelle position d’équi-libre qui coupera le moteur. Quand le niveau monte dans le puits, le câble est réenroulé sur la bobine jusqu’à l’obtention d’un nouvel équilibre. L’enroulement ou le déroulement du câble fait bouger le stylet de l’enregistreur qui consigne ainsi les variations de niveau.

Le servomoteur qui fait tourner la bobine du câble peut être activé par une sonde électrique au niveau de l’eau dans le puits. Cet appareillage consiste en une sonde lestée suspendue dans le puits par un câble électrique s’enroulant sur la bobine de l’enre-gistreur. Les fluctuations du niveau d’eau dans le puits se traduisent par un changement de pression qui est transmis par une membrane au manocon-tact contenu dans la sonde. Ce dernier actionne le moteur de la bobine et la sonde est relevée ou abais-sée, selon le cas, jusqu’à ce qu’elle atteigne une position d’équilibre au nouveau niveau atteint par l’eau. Le frottement du flotteur et de son câble contre le tubage du puits affecte sérieusement l’exactitude des enregistreurs, spécialement dans les puits profonds.

L’erreur la plus importante est due au frottement du flotteur contre le tubage. Un flotteur de petit diamètre peut être muni de galets de guidage fixés à ses deux extrémités afin de réduire le frottement contre les parois. Des rondelles munies de petits galets et attachées au câble tous les dix mètres main-tiennent le câble loin de la paroi et réduisent le frottement de façon significative. La figure I.6.5 montre des détails de ce dispositif. La sensibilité des enregistreurs à flotteur de petit diamètre peut être de 6 mm de variation du niveau de l’eau, mais la sensi-bilité du mécanisme d’interruption du mouvement du flotteur peut être moindre. L’exactitude du système est affectée par des batteries trop faibles; afin d’éviter cet inconvénient, les batteries doivent être changées au minimum après 60 à 90 jours d’utilisation normale.

Une approche alternative consiste en une électrode suspendue dans un puits d’observation à une distance fixe au-dessus du niveau de la nappe. À intervalles de temps donnés, la sonde détecte élec-triquement le niveau de l’eau, le mouvement étant actionné par un servomécanisme en surface. La profondeur jusqu’au niveau de l’eau est alors enre-gistrée. Ce système peut être adapté à des modes d’enregistrement variés.


Quoique ces appareils soient spécialement destinés aux puits de petit diamètre, ils peuvent être instal-lés dans des puits de n’importe quel diamètre supérieur à celui de la sonde.

Les limnigraphes réalisant une conversion anolo-gique-numérique utilisés pour les mesures de débit de rivières peuvent facilement être adaptés à la mesure du niveau des eaux souterraines.

Les enregistreurs automatiques nécessitent un entre-tien approprié et des interventions rapides, sous peine de perdre les données. On peut faire sur place des réparations simples, mais, pour toute panne sérieuse, on est obligé de remplacer les appareils et d’effectuer les réparations au laboratoire ou à l’ate-lier. Ces appareils doivent être protégés des conditions climatiques extrêmes, des dommages accidentels et du vandalisme. Les mouvements d’horlogerie sont particulièrement sensibles aux fortes teneurs en

humidité, ce qui rend essentielle une ventilation suffisante et l’emploi de déshydratants peut s’avérer souhaitable sous certaines conditions.

Dans certains projets de recherche, des appareils de mesure des fluctuations du niveau des eaux souter-raines font appel à des techniques plus sophistiquées que celles décrites ci-dessus: sondes à capacitance, transducteurs de pression, jauges de contrainte, techniques de réflexion des ondes sonores et à haute fréquence. Actuellement, ces appareils sont coûteux comparés aux enregistreurs à flotteur, ils ont des applications limitées, particulièrement en ce qui concerne l’amplitude des fluctuations du niveau des eaux souterraines, et ils demandent des services d’entretien très perfectionnés. On consi-dère que les systèmes à flotteur sont plus fiables et plus souples d’emploi que n’importe quelle autre méthode, bien que les développements futurs des techniques instrumentales dans le domaine des

Centreurs

Galets

Assemblage du flotteur et du centreur

Coupe horizontale

Coupe verticale du puits au niveau de la surface piézométrique

Niveau de l’eau

Flotteur

10,00

10,00

Galets deguidage

Niveau de l’eau

Flotteur de petit diamètre (45 mm)

Puits d’observationde 50 mm

Galets de guidageTubage (50 mm)

Centreur à galets

Câble

Treuil du flotteur enregistreurdu niveau de l’eau

Suspension du câble

FigureI.6.5.Flotteurdepetitdiamètreàgaletsglissantsdansunpuitsd’observation


capteurs, des transducteurs et des enregistreurs fourniront vraisemblablement d’autres appareils aux performances comparables ou meilleures, et à des coûts compétitifs.

6.4.1.3 Réseauxdepuitsd’observation

La compréhension de la situation des eaux souter-raines repose sur l’information hydrogéologique disponible; Plus cette information sera importante, mieux on comprendra les aquifères, à travers en particulier les niveaux d’eau, les gradients hydrau-liques, la direction et la vitesse des écoulements, la qualité de l’eau. Les données sur le potentiel hydraulique (piézométrie) et la qualité de l’eau sont obtenues par des mesures aux puits d’observation et par l’analyse d’échantillons d’eaux souterraines. La densité du réseau de puits d’observation est généra-lement planifiée selon le besoin de données, mais sera en réalité fonction des ressources disponible pour la construction des puits. Le forage des puits d’observation est le plus important poste de dépenses des études sur les eaux souterraines. L’utilisation des puits existants constitue une possi-bilité efficace et économique. Lors de la mise en place d’un réseau d’observation, il faudra donc soigneusement choisir des puits existants dans la zone d’étude et leur adjoindre de nouveaux puits spécialement forés pour les besoins de l’étude.

6.4.1.4 Fluctuationsduniveaudel’eau

Les fluctuations du niveau des eaux souterraines reflètent les changements de volume des réserves en eau des formations aquifères. Deux groupes principaux de fluctuations peuvent être identifiés: les fluctuations à long terme, comme celles qui sont dues au changement saisonnier de la recharge natu-relle et au pompage permanent, et les fluctuations à court terme, comme celles qui sont dues à l’effet de pompages intermittents sur de brèves périodes, à l’effet de la marée ou aux variations de la pression atmosphérique. Du fait que le niveau des eaux souterraines réagit ordinairement de façon plutôt lente aux changements externes, des mesures conti-nues ne sont en général pas nécessaires. Des observations systématiques à intervalles de temps déterminés suffisent souvent, compte tenu des objectifs de la plupart des réseaux nationaux. Là où les fluctuations sont rapides, des relevés continus sont souhaitables, au moins jusqu’à ce que la nature de telles fluctuations ait bien été éclaircie.

6.4.1.5 Cartesduniveaudeseaux

Pour organiser et ordonner les mesures de niveau des eaux obtenues à partir d’un réseau de puits

d’observation, il est intéressant de réaliser une carte précise de la localisation des puits puis de tracer des courbes d’égales valeurs des données disponibles pour chaque puits. Deux types de cartes peuvent être réalisés, en se basant soit sur la profondeur de la surface de la nappe mesurée dans un puits à partir de la surface du sol, soit sur l’altitude de la surface de l’eau dans un puits, mesurée par rapport à un repère donné tel que le niveau de la mer. Généralement ces cartes sont réalisées pour un aquifère particulier en utilisant, dans la mesure du possible, les données synoptiques d’une période de temps donnée. Les fluctuations saisonnières des niveaux d’eau, l’évolution des niveaux d’eau à l’échelle de quelques années résultant du pompage et d’autres causes analogues peuvent être la source de variations disparates si l’on utilise un mélange de données hétérogènes.

6.4.1.5.1 Cartesdesisobathes

La façon la plus simple de les réaliser se base sur la mesure de la profondeur du niveau de l’eau dans un puits mesurée par rapport à la surface du sol. On parle alors de cartes isobathes. Les cartes de ce type fournissent une indication relative à la profondeur de forage nécessaire pour atteindre l’eau, ce qui peut être utile pour la planification de projets d’aménagement des ressources. Une carte de la différence de la profondeur de l’eau entre deux campagnes de mesures pourrait être utilisée pour montrer, par exemple, la variation dans l’espace des fluctuations saisonnières. Les cartes d’isobathes ne peuvent cependant pas être utilisées pour établir les directions de l’écoulement en raison de l’indépen-dance des variations de la topographie.

6.4.1.5.2 Cartespiézométriques–cartesdelasurfacelibre,sectionstransversalespiézométriques

On appelle carte piézométrique une carte des niveaux de l’eau basée sur l’altitude du niveau de l’eau dans les puits mesurée par rapport à un repère commun tel que le niveau de la mer (figure I.6.6). Si elle est réalisée pour la surface de l’aquifère phréatique on parle de carte de la surface libre. Ce type de carte est plus difficile à réaliser qu’une carte isobathe car il nécessite une donnée d’altitude précise au point de mesure pour chaque puits d’observation. Pour produire les données recher-chées, chaque mesure de profondeur recueillie doit être soustraite de l’altitude par rapport au repère choisi du point de mesure. Le principal intérêt de ce type de carte est de pouvoir, dans de nombreux cas, être utilisé pour déterminer la direction de l’écoulement souterrain.


La précision de la carte dépend de la précision de l’altitude des points de mesure. Les cartes les plus précises sont celles qui ont été établies sur la base d’une reconnaissance topographique soignée et rigoureuse, ce qui peut entraîner des coûts et des efforts importants. Il existe diverses possibilités alternatives. On peut utiliser des altitudes détermi-nées à partir des cartes topographiques, si elles existent pour la zone étudiée, ou utiliser un

altimètre ou un GPS pour produire directement l’information altimétrique. Tout rapport compor-tant une carte piézométrique doit aussi indiquer l’origine et la précision des données altimétriques.

Les cartes présentent l’information en deux dimen-sions. Comme les eaux souterraines s’écoulent en trois dimensions, une représentation supplémen-taire est nécessaire pour interpréter les données

219

Figure 5.6.—Example of a potentiometric surface map (Lacombe and Carleton, 2002). FigureI.6.6.Exempledecartedesurfacepiézométrique (Lacombe et Carleton, 2002)

D’après une carte numérique de l’USGS au 1:100 000, 1983. Projection Mercator transverse, zone 18.

0 1 2 3 4 Miles

0 1 2 3 4 Kilomètres

Légende

10 Courbes piézométriques – Montrent l’altitude à laquelle s’élèverait le niveau de l’eau dans des puits correctement tubés, avril 1991. Les lignes pointillées indiquent des approximations. Intervalles entre courbes variables. Le zéro est le niveau de la mer.

5 Puits d’alimentation – Le nombre indique l’altitude du niveau de l’eau.

–12

9–150Puits d’observation doté d’un hydrogramme de niveau – Le nombre supérieur indique l’altitude du niveau de l’eau, le nombre inférieur le numéro du puits.

39°

15’

39°

07’

30”

39°

75˚ 74˚45’75˚52’30” 74˚37’30”


piézométriques dans toutes les directions. Avec les surfaces piézométriques de plusieurs aquifères ou les profondeurs de l’eau pour plusieurs ou chacun des sites d’un réseau de puits d’observation, il est possible de réaliser des sections transversales piézo-métriques (figure I.6.7). Les sections piézométriques sont des graphiques soigneusement mis à l’échelle de la localisation des puits selon un transect donné où les profondeurs sont portées sur l’axe vertical et les distances latérales sur l’axe horizontal. Le niveau de l’eau dans un puits donné est reporté sur l’axe vertical. Habituellement, on reporte aussi l’exten-sion des puits sur le diagramme. Ces sections transversales permettent de repérer les différences de niveau entre les aquifères, et peuvent être très utiles pour déterminer la direction de l’écoulement des eaux souterraines selon la verticale.

6.4.1.6 Mesuredudébitdespuits

Les puits de pompage ont un impact significatif sur le niveau et l’écoulement des eaux souterraines. Il est important de mesurer le débit des puits pour faciliter la comparaison des rabattements et pour les analyses quantitatives. Les méthodes de mesure courantes utilisent le temps de remplissage d’un volume étalonné, des débitmètres et la mesure de l’écoulement à travers un orifice (ASTM D5737-95, 2000). Le débit d’un puits de pompage varie selon la profondeur de l’eau. Des mesures répétées peuvent donc être nécessaires pour garder la trace

de cette évolution. Lorsqu’une pompe est mise en marche, le niveau de l’eau dans le puits descend en conséquence, causant ainsi une variation de débit. La stabilisation du débit est généralement atteinte au bout de quelques minutes ou quelques heures. Les variations de niveau de l’eau qui affectent le débit de pompage peuvent aussi être causées par la recharge provenant des précipitations ou les modi-fications de prélèvement de puits voisins. Les modifications de la configuration des canalisations, la longueur ou le diamètre d’un tuyau d’évacuation à l’air libre par exemple, peuvent aussi avoir une influence et devraient être évitées. Les procédures de mesure peuvent aussi s’appliquer à la mesure du débit d’un puits jaillissant naturellement.

6.4.1.6.1 Volumeétalonné

La méthode la plus simple pour déterminer le débit d’un puits de pompage consiste à mesurer le temps nécessaire au remplissage d’un volume étalonné. La division de ce volume par le temps de remplissage donne le débit de pompage. La préci-sion de la mesure dépend de celle du temps et du mode de remplissage du volume étalonné. Pour des débits relativement modestes, la mesure peut facilement être menée avec un seau ou un réci-pient cylindrique gradué. Toutefois, pour des débits plus importants, ce type de mesure peut nécessiter un dispositif particulier pour diriger le débit vers un récipient approprié à la prise de

–2 250

–2 000

–1 750

–1 500

–1 250

–1 000

–750

–500

–250

Niveau de la mer

Nord

250

A

Pieds

Détroit de Long Island

Surface piézométrique Aquifère glaciaire supérieur

Océan Atlantique

A’Sud

Légende

Aquifère Magothy

Aquifère Lloyd

Substratum rocheux

Argiles de Gardiners

Zone d’eaux souterraines salées

Courbes d’égales charges hydrauliques – L’intervalle entre deuxcourbes est de 20 pieds. Le zéro est le niveau de ma mer.

Lignes de courant (lignes d’égale valeur de la fonction de courant) – L’intervalle entre les lignes est variable. Les flèches indiquentle sens de l’écoulement.

Interface eau douce – Eau salée

0

0 1 2 3 4 Kilomètres

1 2 3 4 Miles

20

.62

.63

20 40

60

.65

.60

.55

80

80

60

40

.50

.45

.62

.80.85

.75

.70

.40

20

le Raritan

FigureI.6.7.Exempledesectiontransversalepiézométriqueindiquantlesrelationsdechargeverticaleentredifférentsaquifères(Buxton et Smolensky, 1999)


FigureI.6.8.Diagrammedumontaged’unorificed’écoulementlibrepourlamesuredudébitd’unpuitspompé(Département de l’intérieur des États-Unis d’Amérique, 1977)

Refoulementde la pompeou bride de la vanne

10D

D

h

Tube manométrique

Robinet dumanomètre Supports du tuyau.

Doivent être solidementdressés et maintenus à niveau.

Orifice3D

D/2

D/2d

Biseau d’anglequelconque

Largeur inférieure à 1/16 pouce

d

Règle graduée – doitêtre montée et fixée avec son zéro exactementdans le plan horizontal de la ligne centrale durobinet du manomètre.

Surface du sol

mesure. La force de l’écoulement ou la présence d’air entraîné peuvent compliquer le processus.

6.4.1.6.2 Débitmètres

De nombreux appareils mécaniques, électriques et électroniques ont été réalisés pour la mesure de l’écoulement dans une canalisation. Nombre d’entre eux peuvent facilement être utilisés pour mesurer le débit d’un puits de pompage. Certains appareils fournissent une lecture du débit instan-tané alors que d’autres totalisent les lectures du débit, l’un comme l’autre peuvent être utilisés. Certains peuvent être reliés en interface avec des enregistreurs électroniques de données. Les instruc-tions du constructeur devraient être suivies pour s’assurer une mesure précise. Les résultats des débit-mètres peuvent être sensibles à la nature turbulente de l’écoulement. Les instructions d’utilisation peuvent exiger qu’une certaine longueur rectiligne de canalisation précède l’appareil afin de minimiser les effets de la turbulence. De plus, la plupart des débitmètres doivent fonctionner avec des canalisa-tions sous pression. Lorsqu’une canalisation de

diamètre relativement important véhicule un débit relativement modeste, il se peut qu’elle ne soit pas entièrement remplie d’eau. Pour maintenir un écoulement sous pression, on peut partiellement obturer une vanne située à l’aval de l’appareil de mesure. Les sédiments ou l’air entraîné dans l’écou-lement sont susceptibles d’affecter la précision des mesures et, dans le cas des sédiments, d’endomma-ger l’appareillage de détection.

6.4.1.6.3 Écoulementàtraversunorifice

Une autre méthode courante de mesure du débit d’un puits de pompage est l’utilisation d’un orifice à l’air libre à l’extrémité d’un tuyau. Un orifice est un trou de diamètre donné, aux bords biseautés, percé à travers une plaque fixée ordinairement par une bride à l’extrémité d’un tuyau d’évacuation horizontal (figure I.6.8). Le diamètre de l’orifice doit être inférieur à celui du tuyau. L’eau circulant dans le tuyau d’évacuation s’écoule librement à travers l’orifice. Comme l’orifice restreint quelque peu l’écoulement, il s’établit une contre-pression proportionnelle à l’écoulement. Cette pression est


mesurée, habituellement par un manomètre, situé à environ trois diamètres du tuyau en amont de l’orifice, et au centre du tuyau. La valeur de la pres-sion mesurée, le diamètre du tuyau et celui de l’orifice permettent, grâce à une «table d’orifice», de déterminer le débit. On peut trouver ces tables et les exigences particulières concernant le tuyau d’évacuation et l’orifice dans la norme ISO 5176-2 (OIN, 2003b).

6.4.1.6.4 Débitspécifique

Le débit spécifique est un indicateur utile pour faciliter la comparaison entre puits des rabattements et des débits de pompages. Ce paramètre est défini comme le rapport du débit de pompage en régime permanent au rabattement observé entre l’état sans pompage et l’état de pompage en régime permanent (m3 s–1m–1).

6.4.1.7 Rabattementdansunpuitsdepompage;cônededépression

Le mouvement de l’eau d’un aquifère vers un puits de pompage est freiné par le frottement contre la matrice de l’aquifère. Cette résistance provoque un abaissement du niveau de l’eau dans un puits de pompage et dans les parties voisines de l’aquifère. On appelle rabattement cet abaissement. Il est défini comme la différence entre le niveau statique avant pompage et le nouveau niveau atteint avec pompage. L’abaissement du niveau de l’eau résul-tant d’un pompage décroît non linéairement avec la distance au puits de pompage. On appelle cône

de dépression la forme résultante. Le rabattement et le cône de dépression dans un aquifère libre procè-dent du drainage gravitaire et de la désaturation d’une partie de l’aquifère au voisinage du puits (figure I.6.9 – à gauche). Dans un aquifère captif, le cône de dépression se manifeste par un abaissement de la surface piézométrique, mais ne correspond pas à une désaturation de l’aquifère (figure I.6.9 – à droite). La relation entre débit de pompage, abaisse-ment du niveau de l’eau et distance au puits est fonction de la perméabilité du matériau constituant l’aquifère et d’éventuelles sources de recharge.

6.5 PROPRIÉTÉSDEL’AQUIFÈREETDESROCHESENCAISSANTES

L’étude quantitative des écoulements souterrains implique de connaître l’ordre de grandeur et la variabilité des principaux paramètres hydrauliques. De nombreux réseaux et campagnes de collecte de données sont réalisés dans le but de déterminer les propriétés des aquifères et des roches encaissantes.

6.5.1 Paramètreshydrauliques

Le mouvement des eaux souterraines dépend de certaines propriétés hydrauliques dont la plus impor-tante est la perméabilité. Pour l’étude de l’écoulement de l’eau dans les terrains géologiques, le coefficient de Darcy est le paramètre exprimant la perméabilité.Il est calculé en admettant un certain nombre de propriétés physiques de l’eau (viscosité, etc.) et on le

Roches encaissantes

libre Aquifère Aquifère captif

Roches encaissantes

Lignes decourant

Cône de dépression

Surface du sol

Surface libre

Q

Limites du cône de

dépression

Roches encaissantes

Cône de dépression

Rabattement

Surface du sol


Q

FigureI.6.9.Rabattementd’unpuitspompédansunaquifèrelibre(àgauche)etdansunaquifèrecaptif(àdroite)(Heath, 1983)


nomme conductivité hydraulique. Le coefficient de perméabilité est défini comme le volume d’eau traversant en une unité de temps, sous l’effet d’une unité de gradient hydraulique, une unité de surface. Il s’exprime en unités de vitesse (longueur par temps). On trouvera sur la figure I.6.10 les gammes de valeurs courantes du coefficient de perméabilité pour les roches et sédiments courants. La transmissi-vité est une grandeur apparentée, définie comme le produit du coefficient de perméabilité par l’épaisseur de l’aquifère. La différence tient au fait que le coeffi-cient de perméabilité est une propriété ponctuelle alors que la transmissivité caractérise l’aquifère dans son ensemble.

Le coefficient d’emmagasinement est défini comme le volume d’eau libéré ou emmagasiné par unité de surface d’un aquifère pour une variation de charge hydraulique unitaire. Le coefficient d’emmagasi-nement est sans dimension. Pour un aquifère libre, l’emmagasinement est essentiellement lié à l’eau de drainage gravitaire d’une unité de volume de l’aquifère, et sa valeur se situe généralement entre 0,1 et 0,3. Pour un aquifère captif demeurant saturé, l’emmagasinement est dû à la dilatation de l’eau et à la compression de l’aquifère. Le coeffi-cient d’emmagasinement d’un aquifère captif est par conséquent habituellement inférieur à celui d’un aquifère libre de plusieurs ordres de grandeur, et sa valeur peut aller de 0,00001 à 0,001.

Le coefficient de perméabilité et le coefficient d’emmagasinement peuvent être déterminés aussi bien pour les couches encaissantes que pour les

aquifères. La différence entre une couche encais-sante et un aquifère est relative. Dans une région donnée, on considère que les aquifères ont un coef-ficient de perméabilité supérieur de plusieurs ordres de grandeur à celui des couches encaissantes.

6.5.2 Vued’ensemblesurlesméthodesdeterraincourantesdansladéterminationdesparamètreshydrauliques

La détermination du coefficient de perméabilité et du coefficient d’emmagasinement d’un aquifère ou d’une couche encaissante en particulier est généra-lement réalisée grâce à des tests menés sur le terrain, désignés sous le nom d’essais de nappe ou de pompages d’essai. Ces essais de nappe sont conçus pour mesurer le rabattement relatif à un pompage ou à une contrainte hydrogéologique similaire et à en déduire les paramètres hydrauliques. L’amplitude et l’évolution au cours du temps du rabattement relatif à un essai particulier renseignent respective-ment sur le coefficient de perméabilité et sur le coefficient d’emmagasinement.

6.5.2.1 Essaidenappeetpompagesd’essai

Le but d’un essai de nappe est de déterminer les paramètres hydrauliques alors que l’on impose un pompage généralement maintenu constant et que le niveau de l’eau dans le puits de pompage et les puits voisins sont suivis. La figure I.6.11 montre un diagramme schématique d’un essai typique sur un aquifère captif d’épaisseur b. Trois puits

m d–1

10–8 10–7 10–6 10–5 10–4 10–3 10–2 10–1 1 102101 103 104

Argiles à blocaux

Sables propres

Sables limoneux

Argiles Limons, Lœss

Roches carbonatées

Schistes

Grès

Roches ignées et métamorphiques

Basaltes

Fins

Compacts

Compactes

Compactes

Fracturés

Fracturés Semi-consolidés

Fracturées

Fracturées Coulées de lave

Fracturées Caverneuses

Grossiers

Graviers

FigureI.6.10.Coefficientdeperméabilitédestypesderochesetsédimentscourants(Heath, 1983)


d’observation A, B et C, sont situés à différentes distances (r pour le puits B) du puits de pompage. Le pompage, de débit connu, provoque la formation d’un cône de dépression dans la surface piézomé-trique, et un rabattement, s, est mesuré dans le puits B, qui est la différence entre la charge initiale h0 et la charge avec pompage h. La collecte des données de niveau de l’eau dans chaque puits, y compris le puits de pompage, débute dès avant le début du pompage pour connaître les niveaux statiques, puis est pour-suivie tout au long de l’essai. On surveille également le débit de pompage.

Les essais de nappe sont généralement menés pendant des périodes allant de 8 heures à un mois ou plus, selon le temps nécessaire pour atteindre un niveau d’eau stable. Lorsque la pompe est mise en marche, les niveaux d’eau baisseront. Le plus grand rabattement sera observé dans le puits de pompage. Il décroît non linéairement lorsqu’on s’éloigne du puits de pompage et augmente non linéairement au cours du temps. Les valeurs observées sont les rabat-tements évoluant au cours du temps. On parle d’essai transitoire en raison de l’évolution du rabat-tement au cours du temps. Les données sont généralement représentées sur un diagramme log-log ou semi logarithmique, et en portant soit distance et rabattement, soit temps et rabattement. Le diagramme du rabattement en fonction de la distance représente tous les puits à un instant donné, alors que le diagramme rabattement en

fonction du temps s’applique à toutes les données collectées pour un puits. En général, les données de l’essai sont analysées soit manuellement en utili-sant une méthode graphique, soit en utilisant un logiciel l’analyse d’essai de nappe. La méthode d’analyse graphique manuelle s’appuie sur un ajus-tement des points de mesure à des «courbes types» pour calculer le coefficient de perméabilité et le coefficient d’emmagasinement. Les points multiples sont analysés individuellement, et on détermine pour le test une valeur moyenne ou de consensus.

La description détaillée de la collecte et de l’analyse des données n’entre pas dans le cadre de ce Guide, car il en existe de nombreuses variantes. Ces variantes sont dues aux nombreux facteurs qui peuvent significativement affecter le déroulement de l’essai et l’analyse des données, tels que la nature transitoire ou permanente de l’essai, le nombre de puits d’observation, la prise en compte d’éven-tuelles drainances (fuites) à partir des aquifères ou des roches encaissantes voisines, de la nature libre ou captive de l’aquifère. On conseillera au praticien de se reporter à Walton (1996), Kruseman et al. (1974, 1994) et Reed (1980) aussi bien pour une vue d’ensemble des nombreuses méthodes courantes que pour une description précise des techniques d’analyse. L’Organisation internationale de norma-lisation et l’American Society for Testing and Materials International ont également établi des normes (ISO 14686) pour la conduite et l’analyse des essais de

FigureI.6.11.Schémad’unessaidedébitd’aquifèrecaractéristiquemontrantlesdifférentesmesures(Heath, 1983)

r

h

s

bh0

BC A

Puits d’observation

Puits de pompage

Roches encaissantes

Roches encaissantes

Niveau de référence

Niveau d’eau en pompage

Aquifère captif

Profondeur jusqu’à l’eau

Niveau d’eau statique


nappe (OIN, 2003a; ASTM D4106-96, 2002). Halford et Kuniansky (2002) présentent un exemple d’analyse d’essai de nappe sous forme de tableur.

6.6 RECHARGEETDÉCHARGE,ALIMENTATIONSETPERTESDANSUNSYSTÈMEHYDROGÉOLOGIQUE

La recharge et la décharge sont les voies par lesquelles l’eau pénètre ou quitte un système hydro-géologique. La compréhension et la quantification de ces phénomènes sont fondamentales pour comprendre la nature de l’ensemble du système des eaux souterraines et être en mesure de prévoir d’éventuels changements. La recharge provient essentiellement des précipitations et de l’infiltra-tion des masses d’eaux superficielles, telles que ruisseaux, rivières, étangs et lacs. Les principales voies de décharge se trouvent dans le drainage par les masses d’eaux superficielles telles que ruisseaux, rivières, étangs, lacs et océans, dans le pompage des puits et dans l’évapotranspiration.

6.6.1 Rechargeparlesprécipitations

Les précipitations qui percolent à travers le sol peuvent finir par alimenter les systèmes hydrogéolo-giques. Cela arrive couramment dans les zones d’altitude relativement importante et dépend de la perméabilité des sols. Les évènements individuels de recharge peuvent être repérés par une élévation de la surface libre de l’aquifère. Si la porosité du matériau de l’aquifère, généralement comprise entre 5 et 40 %, est connue on peut estimer le volume de recharge par unité de surface de l’aquifère comme le produit de l’élévation du niveau de l’eau par la porosité (exprimée en fraction) et par la surface.

6.6.2 Relationsentreeauxsouterraineseteauxsuperficielles

Dans de nombreuses régions, il existe des liaisons directes entre le système hydrogéologique et le réseau hydrographique, de telle sorte que des volumes d’eau parfois importants peuvent passer de l’un à l’autre. Il est important de comprendre cette relation.

6.6.2.1 Coursd’eaudrainantsetinfiltrants

L’altitude du niveau de l’eau dans un cours d’eau, par rapport à celle d’une masse d’eau superficielle ou d’un aquifère à surface libre voisin, va détermi-ner la direction de l’écoulement entre ces deux éléments du système hydrologique. Dans le cas où

le niveau du cours d’eau est inférieur à celui de la surface libre de l’aquifère sous-jacent, un écoule-ment aura lieu vers le cours d’eau et celui-ci sera dit drainant (figure I.6.12, en haut). Dans le cas contraire, lorsque le niveau du cours d’eau est supérieur à celui de la surface libre de l’aquifère sous-jacent, un écoulement aura lieu vers l’aquifère et le cours d’eau sera dit infiltrant ou émissif (figure I.6.12, au centre). Dans certains cas, particu-lièrement dans des environnements arides, il peut ne plus y avoir de liaison hydraulique directe entre l’aquifère et le cours d’eau. Il s’agit là encore d’un cours d’eau infiltrant (figure I.6.12, en bas).

Sens de l’écoulement

Zone saturée

Zone non saturée

Surface libre

Cours d’eau drainant

Cours d’eau infiltrant

Cours d’eau infiltrant déconnectéde l’aquifère


Surface libre


Surface libre

Zone non saturée

Zone non saturée

FigureI.6.12.Positionsrelativesduniveaudel’eausouterraineetduniveaudelarivièrepour

lescoursd’eaudrainantsetlescoursd’eauinfiltrants(Winter et al., 1998)


Il existe plusieurs façons de quantifier la recharge des eaux souterraines par un cours d’eau infiltrant, ou la décharge des eaux souterraines par un cours d’eau drainant:a) Pour un cours d’eau drainant, l’étude de

l’hydrogramme sur un longue période permet de trouver l’écoulement de base. Il est probable que l’écoulement de base de l’hydrogramme d’un cours d’eau comprenne la décharge des eaux souterraines (volume II, section 6.3.2.2.2). D’autres écoulements constants provenant par exemple de réservoirs ou de stations d’épuration peuvent aussi contribuer à l’écoulement de base;

b) Pour un cours d’eau infiltrant ou un cours d’eau drainant, la différence des débits mesurés à l’amont et à l’aval d’un bief mettra en évidence la perte ou le gain aux incertitudes de mesure près (chapitre 5). Le bief choisi ne devrait com-porter d’autres apports ou pertes, tels qu’affluent, station d’épuration, prises d’eau ou colature;

c) Une mesure directe du débit vers ou à partir d’un cours d’eau peut être réalisée grâce à des perco-lamètres. Il s’agit d’instruments placés dans le lit des cours d’eau qui retiennent l’eau percolant à travers le lit, eau dont le volume est mesuré ultérieurement (Carr et Winter, 1980). Certains de ces instruments ne fonctionnent que pour les cours d’eau drainants. Il n’est pas possible d’utiliser ces instruments dans des cours d’eau à écoulement relativement rapide, du fait de l’af-fouillement inhérent auxquels ils sont sensibles.

6.6.2.2 Sourcesetsuintements

L’écoulement des sources et des surfaces de suinte-ment, qui constituent une décharge localisée des eaux souterraines, peut être mesuré en utilisant les procédures classiques de mesure de débit des cours d’eau (chapitre 5).

6.6.2.3 Effetsdel’évapotranspirationsurlessystèmeshydrogéologiques

Les plantes profondément enracinées, et toutes les plantes en général dans les régions où la nappe phréatique est peu profonde, peuvent prélever de l’eau dans les systèmes hydrogéologiques. Les méthodes habituelles d’évaluation de l’évapotrans-piration potentielle peuvent être utilisées pour les régions où les eaux souterraines sont susceptibles d’être impliquées dans le processus (chapitre 4).

6.6.3 Pompagedespuits

Le pompage à partir de puits particuliers et les effets cumulatifs des pompages de nombreux puits dans une région peuvent avoir un impact significatif sur le

niveau des eaux souterraines et sur le système hydro-géologique en général. Il est courant que le rabattement dû à un puits de pompage transforme un cours d’eau drainant voisin en cours d’eau infiltrant, ce qui montre bien l’importance de surveiller les consé-quences du pompage des puits et de localiser ceux le pratiquant. En particulier, les puits pour l’alimenta-tion domestique, les usages industriels et commerciaux et pour l’irrigation, prélèvent les plus importantes quantités d’eau. La quantification des quantités pompées passe par une synthèse des rapports des propriétaires de puits ou, en l’absence de tels rapports, par un effort de mesure chez les principaux utilisa-teurs. Les procédures exposées dans la section 6.4 peuvent être utilisées pour réaliser ces mesures. Comme le pompage peut évoluer avec la demande des utilisateurs des puits, suivre ces changements peut demander un gros travail. Il est possible d’établir une relation entre le débit de la pompe et sa consomma-tion de carburant ou d’électricité. Si ces dernières données sont disponibles, l’effort concernant la collecte des données de pompage de nombreux puits peut être sensiblement allégé.

6.7 UTILISATIONDESDONNÉESDANSLESMODÈLESHYDROGÉOLOGIQUES

Un des rôles essentiels d’un modèle est d’intégrer l’information sur le cadre hydrogéologique (niveaux d’eau, pompage, recharge, décharge) afin de comprendre l’importance relative des différents processus du système hydrogéologique, et d’appré-cier la capacité ou l’aptitude d’un système hydrogéologique à satisfaire des objectifs généraux ou particuliers (en général d’approvisionnement en eau). Les modélisations généralement pratiquées vont du simple établissement d’un bilan en eau à l’élaboration d’un modèle numérique complexe de l’écoulement souterrain. L’exposé détaillé du contexte de l’établissement, du calage et de l’utilisa-tion des modèles hydrogéologiques dépasse le cadre de ce Guide, mais les méthodes et approches concernant la collecte des données abordées dans ce chapitre et dans le tableau I.6.3 fournissent les bases nécessaires à l’élaboration des modèles. On trouvera dans le volume II, section 6.3.5.2, d’autres développements relatifs à la modélisation hydro-géologique ainsi que des références à ce sujet.

6.8 TÉLÉDÉTECTION[SHOFM D]

Il n’y a pas à l’heure actuelle de techniques directes de télédétection pour cartographier les zones d’eaux


souterraines. Une information indirecte peut cependant être obtenue à partir de la télédétection.

Les techniques de télédétection utilisées pour carto-graphier les zones d’eaux souterraines comprennent l’imagerie aérienne et satellitaire dans les régions visible, infrarouge, ultraviolette et hyperfréquence du SEM. L’imagerie satellitaire en particulier permet de visionner de très vastes étendues de territoire, et parvient à fournir un point de vue que ni les campagnes au sol ni même la photo aérienne à grande échelle ne peuvent atteindre. Quoique la télédétection ne soit que l’un des éléments d’une étude hydrogéologique, c’est une approche très économique pour la prospection et les études préli-minaires. En raison de la présence de la zone non saturée, la plupart des données issues de la télédé-tection ne peuvent pas être utilisées directement mais demandent une solide interprétation. C’est ainsi que l’on déduit la localisation des aquifères à partir de caractéristiques superficielles. Parmi celles-ci on compte la topographie, la morphologie et le couvert végétal. L’information hydrogéologique peut être déduite des modelés, des réseaux hydro-graphiques, des caractéristiques de la végétation, des types d’utilisation des sols, des caractéristiques linéaires ou curvilignes, et de la couleur et de la texture des images. Les caractéristiques structurales

telles que les failles, les traces de fracture ou autres traits linéaires peuvent suggérer la présence d’eaux souterraines, comme peuvent le faire d’autres carac-téristiques telles que les couches sédimentaires ou certains affleurements rocheux. La présence d’aqui-fères peu profonds peut être déduite de mesures de l’humidité des sols, de modifications des types et structures de la végétation ou de modifications de température. Les zones de recharge et de décharge dans un bassin peuvent être indiquées par des sols, de la végétation et des nappes peu profondes ou perchées (Engman et Gurney, 1991).

L’exploration aéroportée des eaux souterraines a récemment été conduite en utilisant les capteurs électromagnétiques de prospection conçus pour l’industrie minérale (Engman et Gurney, 1991). Ce type d’équipement a été utilisé pour cartographier des aquifères à des profondeurs supérieures à 200 m (Paterson et Bosschart, 1987).

Les photos aériennes fournies par les satellites Landsat ou SPOT sont abondamment utilisées pour l’inventaire des eaux souterraines, et tout d’abord pour localiser leurs sources potentielles. Cette tech-nique permet de déduire des informations reçues le type des roches, la structure et la stratigraphie. Les images infrarouges sont intéressantes pour cartogra-phier les caractéristiques pédologiques et végétatives utilisées pour l’exploration hydrogéologique. Des sources peuvent être détectées au mieux en utilisant l’imagerie infrarouge ou thermique. Des sources sous-marines peuvent être détectées ainsi (Guglielminetti et al., 1982). L’imagerie infrarouge, grâce à la mise en évidence de différences de tem-pératures, permet de collecter l’information sur l’humidité du sous-sol et les nappes perchées peu profondes (Heiman et Moore, 1981a et 1981b; Salomonson, 1983; van de Griend et al., 1985).

La radiométrie en hyperfréquence passive peut être utilisée pour reconnaître la surface libre des aqui-fères peu profonds. Un radiomètre à double fréquence aéroporté a permis de situer des surfaces libres à 2 m de profondeur dans des régions humides et à 4 m dans des régions arides (Shutko, 1982; 1985; 1987).

Le radar est capable de fonctionner par tout temps et peut être utilisé pour détecter de subtiles caracté-ristiques géomorphologiques, même sous couvert forestier (Parry et Piper, 1981). Il est également capable de pénétrer à travers des couches de sable sec pour révéler d’anciens réseaux hydrographi-ques abandonnés (McCauley et al., 1982; 1986) et peut aussi fournir des informations concernant l’humidité des sols (Harris et al., 1984).

TableauI.6.3.Besoinsendonnéesdesmodèlesd’eauxsouterraines

Cadre hydrogéologique Extension et épaisseur de chaque aquifère

Extension et épaisseur de chaque couche de roches encaissantes

Frontières et contraintes hydrologiques

Quantités et localisations de la recharge (précipitations nettes, pertes des cours d’eau)

Quantités et localisations de la décharge (puits de pompage, pertes vers les cours d’eau, débit des sources, évapotranspiration)

Distribution des paramètres hydrauliques

Coefficients de perméabilité ou de transmissivité des aquifères

Coefficients d’emmagasinement des aquifères

Propriétés des roches encaissantes

Données de calage Piézométrie et données correspondantes sur les débits des cours d’eau, les pompages de puits, la recharge, etc.


L’imagerie radar permet de détecter la présence d’eau, à plusieurs décimètres au-dessous de la surface du sol dans les régions arides, en raison de l’accroissement de l’humidité du sol au voisinage de la surface. Des radars à faible rayon d’action et à impulsions courtes, montés sur des plateformes au sol mobiles ou aéroportées fournissent une infor-mation sur la profondeur de la surface libre jusqu’à 5-50 m (Finkelstein et al., 1987). L’imagerie radar est susceptible de pénétrer à travers la dense forêt tropi-cale humide et à travers la pluie, et fournit une information utilisable pour la cartographie géolo-gique employée dans la prospection hydrogéologique (Engman et Gurney, 1991). Cette technique a été utilisée avec succès pour révéler la présence de vallées et de chenaux enfouis dans les sables du désert et non cartographiés antérieurement (McCauley et al.,1986).

On trouvera dans la liste bibliographique ci-dessous une revue à jour et complète en matière d’applica-tions de la télédétection aux eaux souterraines (Meijerink in Schultz et Engmann, 2000) ainsi que les références à un certain nombre d’applications particulières.

Bibliographie et lectures complémentaires

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