Memoire Online - Les eaux souterraines: captage, exploitation et gestion

Depuis des milliers d'années, l'eau douce a toujours posé problème dans le monde ; vu sa répartition inégale à la surface de la terre et son utilisation qui semble être abusivepar les consommateurs, entre autres l'homme dans ses activitéstant domestiques, agricoles qu'industrielles.

Les activités humaines influent donc sur la quantité et la qualité des ressources en eau et de l'eau souterraine en particulier.

Les statistiques nous font croire tout d'abord que, sur l'ensemble des eaux de la surface terrestre, seulement 3% sont constitués d'eaux douces et 97% d'eaux salées. D'autre part, l'eau souterraine représente 30% de ses réserves en eau douce, la plus grande partie étant représentée par les glaciers.

L'eau souterraine constitue donc la plus grande réserve en eau douce liquide de la planète ; c'est l'une des matières premières les plus vitales pour l'homme et pour l'ensemble de l'économie.

L'eau souterraine est beaucoup plus précieuse car elle est meilleure que les eaux de surface. Elle est souvent là, invisible, inaudible...à couler lentement à 5, 10, 100...mètres sous nos pieds et pourtant elle fait, dans beaucoup des cas, partie intégrante de notre vie de tous les jours, directement quand on ouvre le robinet, ou encore indirectement, quand on déguste un fruit qui lui doit en partie sa saveur et son éclat, voire sa survie, pour avoir été arrosé à bon escient durant sa maturation.

Dans plusieurs parties du monde, en effet, les populations exploitent l'eau souterraine comme elles exploiteraient une mine, c'est-à-dire jusqu'à l'épuisement de la ressource. Dans ces cas-là, lorsque l'eau souterraine ne suffit plus, la solution consiste souvent à recourir à des transferts coûteux de gros volumes d'eaux sur des distances qui peuvent parfois atteindre plusieurs centaines de kilomètres, entrainant des gaspillages d'eau et des surcoûts importants.

L'eau douce sous terre en quantité consistante coule à des profondeurs variables et devrait satisfaire à des besoins humains accrus. A cet effet, il est nécessaire de capter cette eau, de l'extraire dans le sous-sol pour alimenter les populations et satisfaire à tel ou tel autre besoin humain. Ceci étant fait, ce patrimoine précieux et commun ne pourra être véritablement préservéque lorsque chacun aura vraiment pris conscience, à tous les niveaux, des enjeux et, notamment, de la fragilité de ce capital et de la portée des conséquences des actions quotidiennes de tous à son égard. La préservation des ressources en eau est l'affaire de tous. Il convient de changer à la fois les mentalités et comportements, collectifs et individuels. C'est la condition d''un développement durable, soutenable et largement partagé.

0.2. CHOIX ET INTERET DU SUJET

Le but de notre travail est d'exposer des concepts de base de l'hydrogéologie, l'acquisition de connaissances scientifiques et techniques de base indispensables à la pratique de l'hydrogéologie sur terrain, de décrire les mécanismes aboutissant au stockage de l'eau dans le sous-sol, de connaître les moyens de capter et d'extraire cette eau dans le sous-sol ainsi que de préconiser les moyens de gestion de ce patrimoine pour mieux garantir sa qualité et sa quantité.

0.3. SUBDIVISION DU TRAVAIL

Outre l'introduction et la conclusion générale, notre travail s'articule autour de trois chapitres dont le premier aborde les généralités, le deuxième traite du captage et de l'exploitation des eaux souterraines et enfin le troisième se consacre à la gestion de l'eau souterraine en montrant les différents types de pollution et les moyens de dépollution des nappes d'eau souterraine.

Chapitre 1 : GENERALITES

I.1.CYCLE DE L'EAU

La question de la disponibilité et d'accès à l'eau est sans aucun doute un des problèmes majeurs auquel devra faire face l'humanité durant le siècle à venir. Aujourd'hui on estime en effet qu'un habitant sur cinq de la planète n'a pas accès à l'eau en suffisance et un sur trois à une eau de qualité. Dans ce contexte, il semble peut-être utile de rappeler que "la mesure quantitative et qualitative des éléments du cycle hydrologique et la mesure des autres caractéristiques de l'environnement qui influent sur l'eau constituent une base essentielle pour une gestion efficace de l'eau"^1(*). De fait, la compréhension et l'analyse du cycle de l'eau est la base de toute étude et réflexion au sujet de la gestion des eaux.

L' eau est la source principale et originelle de toute vie. Elle se présente, dans la nature, sous trois états :

Le changement de phase de l'eau dépend essentiellement de la température et de la pression mais aussi du degré de pollution de l'atmosphère. La figure suivante donne les différentes conditions de pression et de température pour les trois états de l'eau, ainsi que les transformations de phase.

L'eau se retrouve sous ses trois formes dans l'atmosphère terrestre. Elle est en constante circulation sur la terre et subit des changements d'état. L'importance de ces modifications fait de l'eau le principal agent de transport d'éléments physiques, chimiques et biologiques. L'ensemble des processus de transformation et de transfert de l'eau forme le cycle hydrologique.

Le cycle hydrologique est un concept qui englobe les phénomènes du mouvement et du renouvellement des eaux sur la terre^3(*). Cette définition implique que les mécanismes régissant le cycle hydrologique ne surviennent pas seulement les uns à la suite des autres, mais sont aussi concomitants. Le cycle hydrologique n'a donc ni commencement ni fin.

Sous l'effet du rayonnement solaire, l'eau évaporée à partir du sol, des océans et des autres surfaces d'eau, entre dans l'atmosphère. L'élévation d'une masse d'air humide permet le refroidissement général nécessaire pour l'amener à saturation et provoquer la condensation de la vapeur d'eau sous forme de gouttelettes constituant les nuages. Puis la vapeur d'eau, transportée et temporairement emmagasinée dans les nuages, est restituée par le biais des précipitations aux océans et aux continents. Une partie de la pluie qui tombe peut être interceptée par les végétaux puis être partiellement restituée sous forme de vapeur à l'atmosphère.

La pluie non interceptée atteint le sol. Suivant les conditions données, elle peut alors s'évaporer directement du sol, s'écouler en surface jusqu'aux cours d'eau (ruissellement de surface) ou encore s'infiltrer dans le sol. Il peut aussi y avoir emmagasinement temporaire de l'eau infiltrée sous forme d'humidité dans le sol, que peuvent utiliser les plantes. Il peut y avoir percolation vers les zones plus profondes pour contribuer au renouvellement des réserves de la nappe souterraine. Un écoulement à partir de cette dernière peut rejoindre la surface au niveau des sources ou des cours d'eau. L'évaporation à partir du sol, des cours d'eau, et la transpiration des plantes complètent ainsi le cycle.

Le cycle de l'eau est donc sujet à des processus complexes et variés parmi lesquels nous citerons les précipitations, l'évaporation, la transpiration (des végétaux), l'interception, le ruissellement, l'infiltration, la percolation, l'emmagasinement et les écoulements souterrains qui constituent les principaux chapitres de l'hydrologie. Ces divers mécanismes sont rendus possibles par un élément moteur, le soleil, organe vital du cycle hydrologique.

I.2. COMPOSANTES DU CYCLE

I.2.1. Les précipitations

Sont dénommées précipitations toutes les eaux météoriques qui tombent sur la surface de la terre, tant sous forme liquide (bruine, pluie, averse) que sous forme solide (neige, grésil, grêle) et les précipitations déposées ou occultes (rosée, gelée blanche, givre,...)^4(*).Elles sont provoquées par un changement de température ou de pression.

La vapeur d'eau de l'atmosphère se transforme en liquide lorsqu'elle atteint le point de rosée par refroidissement ou augmentation de pression. Pour produire la condensation, il faut également la présence de certains noyaux microscopiques, autour desquels se forment des gouttes d'eau condensées. La source de ces noyaux peut être océanique (chlorures, en particulier NaCl produit par l'évaporation de la mer), continentale (poussière, fumée et autres particules entraînées par des courants d'air ascendants) ou cosmiques (poussières météoriques).

Le déclenchement des précipitations est favorisé par la coalescence des gouttes d'eau. L'accroissement de poids leur confère une force de gravité suffisante pour vaincre les courants ascendants et la turbulence de l'air, et atteindre le sol. Enfin, le parcours des gouttes d'eau ou des flocons de neige doit être assez court pour éviter l'évaporation totale de la masse. Les précipitations sont exprimées en intensité (mm/h) ou en lame d'eau précipitée (mm) (rapport de la quantité d'eau précipitée uniformément répartie sur une surface).

I.2.2. L'évaporation/l'évapotranspiration

L'évaporationse définit comme étant le passage de la phase liquide à la phase vapeur, il s'agit de l'évaporation physique. Les plans d'eau et la couverture végétale sont les principales sources de vapeur d'eau. On parle de sublimation lors du passage direct de l'eau sous forme solide (glace) en vapeur. Le principal facteur régissant l'évaporation est la radiation solaire.

L'évaporation est une des composantes fondamentales du cycle hydrologique et son étude est essentielle pour connaître le potentiel hydrique d'une région ou d'un bassin versant. En général, des analyses spécifiques d'évaporation devront être faites pour des études de bilan et de gestion de l'eau par les plantes. Cependant, ces analyses approfondies sont moins nécessaires pour les études de projets d'aménagement où l'eau est plutôt considérée sous un aspect d'agent dynamique.

I.2.3. L'interception et le stockage dans les dépressions

La pluie (ou dans certains cas la neige) peut être retenue par la végétation, puis redistribuée en une partie qui parvient au sol et une autre qui s'évapore. La partie n'atteignant jamais le sol forme l'interception. Son importance est difficile à évaluer et souvent marginale sous nos climats, donc souvent négligée dans la pratique.

Le stockage dans les dépressionsest, tout comme l'interception, souvent associé aux pertes. On définit l'eau de stockage comme l'eau retenue dans les creux et les dépressions du sol pendant et après une averse^5(*).

La quantité d'eau susceptible d'être interceptée varie considérablement. Si la végétation offre une grande surface basale ou foliaire, donc un important degré de couverture, la rétention d'eau peut atteindre jusqu'à 30% de la précipitation totale pour une forêt mixte, 25% pour les prairies et 15% pour les cultures. L'effet respectif de l'interception et du stockage dans les dépressions est très variable et diminue au cours de l'averse. Il provoque en générale un retard dans le démarrage et la réaction hydrologique qui peut être perçue à l'exutoire du bassin.

I.2.4. L'infiltration et la percolation

L'infiltrationdésigne le mouvement de l'eau pénétrant dans les couches superficielles du sol et l'écoulement de cette eau dans le sol et le sous-sol, sous l'action de la gravité et des effets de pression.

La percolation représente plutôt l'infiltration profonde dans le sol, en direction de la nappe phréatique. Le taux d'infiltration est donné par la tranche ou le volume d'eau qui s'infiltre par unité de temps (mm/h ou m³/s). La capacité d'infiltration ou l'infiltrabilité est la tranche d'eau maximale qui peut s'infiltrer par unité de temps dans le sol et dans des conditions données. L'infiltration est nécessaire pour renouveler le stock d'eau du sol, alimenter les eaux souterraines et reconstituer les réserves aquifères. De plus, en absorbant une partie des eaux de précipitation, l'infiltration peut réduire les débits de ruissellement.

I.2.5. Les écoulements

De par la diversité de ses formes, on ne peut plus aujourd'hui parler d'un seul type d'écoulement mais bien des écoulements. On peut distinguer en premier lieu les écoulements rapides des écoulements souterrains plus lents. Les écoulements qui gagnent rapidement les exutoires pour constituer les crues se subdivisent en écoulement de surface (mouvement de l'eau sur la surface du sol) et écoulement de subsurface(mouvement de l'eau dans les premiers horizons du sol). L'écoulement souterrain désigne le mouvement de l'eau dans le sol. On peut encore ajouter à cette distinction les écoulements en canaux ou rivières qui font appel à des notions plus hydrauliques qu'hydrologiques.

Le cycle hydrologique peut être influencé à des degrés divers par les activités humaines. En effet, l'homme agit directement sur le processus de transformation de l'eau, et cela de plusieurs façons : la construction de réservoirs, le transport de l'eau pour des besoins industriels, le captage des eaux phréatiques, l'irrigation, le drainage, la correction des cours d'eau, l'utilisation agricole des sols, l'urbanisation, les pluies provoquées, etc., sont des exemples de l'intervention humaine.

I.3. L'EAU DE SURFACE ET DU SOUS-SOL

I.3.1. Propriétés de l'eau

L'eau a une molécule rigide à liaison hydrogène de masse volumique de 999,8 à 0° C et 958,4 à 100° C (maximale à 3,98° ; 999,972 kg/m³)^6(*). L'eau pure est inodore et sans goût. Elle a une teinte bleuâtre, qui peut être perçue uniquement lorsqu'elle forme une couche épaisse. Sous une pression atmosphérique normale (760 mm de mercure ou 760 torr), le point de congélation de l'eau est de 0 °C et son point d'ébullition est de 100 °C. L'eau atteint sa densité maximale à une température de 4 °C et se dilate en se congelant. Comme la plupart des autres liquides, l'eau peut se trouver dans un état surfondu, c'est-à-dire qu'elle peut rester à l'état liquide à une température inférieure à son point de congélation : elle peut facilement être refroidie à - 25 °C sans se congeler. L'eau surfondue se congèle lorsque sa température est abaissée ou lorsqu'un cristal de glace ou une autre particule lui est ajouté.

Ses propriétés physiques ont fait de l'eau un étalon pour les échelles de température et pour la définition originale de l'unité de masse dans le système métrique, le gramme.

L'eau est l'un des agents ionisants les plus connus. Comme la plupart des substances sont solubles dans l'eau, on l'appelle fréquemment le solvant universel. L'eau s'allie avec certains sels pour former des hydrates et réagit avec des oxydes de métaux pour former des acides. Elle est utilisée comme catalyseur dans de nombreuses réactions chimiques importantes.

I.3.2. Les différents types d'eau souterraine

Sous l'aspect hydrogéologique, une roche contient de l'eau sous différentes formes :^7(*)

· Eau de constitution entrant dans la structure cristalline des minéraux (le gypse par exemple a pour formule CaSO₄.2H₂O) ;

· Eau adsorbée à la surface des minéraux par des interactions électrostatiques ;

I.3.3. Systèmes et temps de résidence

Un sous-système est une partie discrète d'un système plus grand. Par exemple un océan est un sous-système du cycle hydrologique global. On parle généralement du temps de résidence de l'eau dans un sous-système particulier. Si ce sous système est très grand et la vitesse d'échange de l'eau avec les autres sous-systèmes est lente, le temps de résidence d'une molécule sera élevé. A l'inverse, si la vitesse d'échange est grande et le sous-système petit ; le temps de résidence sera faible. On définit ainsi :

Le volume total des océans est d'environ 1,35.10⁹ km³. La vitesse d'échange avec l'atmosphère et les rivières est d'environ 3,7.10⁴ km³ par an. Le temps de résidence est donc de l'ordre de 36500 ans. Le volume de l'atmosphère est d'environ 3,7.10⁴ km³. Le flux moyen annuel d'évaporation est de 4,2.10⁵ km³, cela donne un temps moyen de résidence de 0,031 an soit 11 jours^8(*).

Ce concept est important en hydrogéologie car un aquifère est souvent de grande taille et le flux vers d'autres aquifères ou vers la surface est relativement faible. Cela signifie que les eaux souterraines ont des temps de résidence variant entre quelques jours et plusieurs milliers d'années. En comparaison, les rivières et l'atmosphère ont des temps de résidence de quelques jours à quelques semaines. Ainsi, il est beaucoup plus facile et rapide de dépolluer une rivière qu'un aquifère où il faudra plusieurs années pour chasser les polluants.

I.3.4. Les réservoirs d'eau à la surface du globe

Ainsi, la fonte de l'antarctique correspondrait à une montée des océans de 65m. Cette hauteur serait de 6m pour la fonte des glaces du Groenland et de 2m pour la fonte de tous les autres glaciers^9(*).

I.3.5. Nappes d'eau souterraines

a. Origines des eaux souterraines

La plupart des eaux souterraines ont une origine météorique, c'est-à-dire proviennent des précipitations (pluies, neige) et de leur infiltration dans le sous-sol. Dans les aquifères de grande taille, l'eau peut provenir de périodes où le climat était différent et peut donc servir d'indicateur de paléoclimats.

Les eaux connées : les eaux que l'on trouve en profondeur dans la croûte terrestre (à partir de 1 à 2 km) sont dérivées des réservoirs d'eaux météoriques qui ont réagi avec les roches environnantes. Souvent ces eaux sont relativement salées. Les eaux connées peuvent contribuer à l'hydrologie de formations géologiques qui se sont enfouies très récemment (Gulf Coast aux USA) ou bien rester piégées dans des roches dont la perméabilité est très faible et dont toute l'eau n'a pas été expulsée. Souvent cette eau est présente depuis la formation de la roche.

Les eaux juvéniles : Ces eaux sont libérées directement par des processus magmatiques en profondeur. Elles sont difficilement distinguables des eaux situées en profondeur, par exemple l'eau remplissant le forage profond (11 km) dans la péninsule de Kola en Russie. Les processus magmatiques peuvent relâcher en plus de l'eau, des composés gazeux (CO₂ par exemple).

b. Constituants des eaux souterraines10(*)

Les eaux souterraines contiennent des molécules d'eau autour desquelles sont dissous des ions (majeurs, mineurs, et traces), des gaz dissous (oxygène, gaz carbonique) et parfois de la matière organique dissoute. Les origines de ces composants sont diverses et proviennent de sources naturelles ou anthropiques (déchets, activités industrielles, agriculture, mines...). Si certains de ces composants présentent un danger pour la santé humaine et pour l'environnement, ils sont considérés comme des polluants. On classe les eaux selon le degré de pureté et les polluants qu'elles contiennent.

	GRILLE DE QUALITE MULTI-USAGES
Classe 1A	Elle caractérise les eaux exemptes de pollution
Classe 1B	D'une qualité légèrement moindre, ces eaux peuvent néanmoins satisfaire tous les usages.
Classe 2	La qualité est passable : suffisante pour l'irrigation, les usages industriels, la production d'eau potable après un traitement poussé. L'abreuvage des animaux est généralementtoléré. Le poisson y vit normalement mais sa reproduction peut être aléatoire. Les loisirs liés à l'eau y sont possibles lorsqu'ils nécessitent que des contacts exceptionnels avec elle.
Classe 3	La qualité est médiocre : juste après l'irrigation, au refroidissement et à la navigation. La vie piscicole peut subsister dans ces eaux, mais cela est aléatoire en période de faibles débits ou de fortes températures par exemple.
Hors classe	Eaux dépassant la valeur maximale tolérée en classe 3 pour un ou plusieurs paramètres. Elles sont considérées comme inaptes à la plupart des usages et peuvent constituer une menace pour la santé publique et pour l'environnement.

Les particules solidesen suspension entre 1 micron et 1 mm (bactéries, grains, floculats) sont traitées par sédimentation ou par filtration, et les colloïdes (argiles, oxydes, virus) selon la taille des particules, sont éliminés par différentes méthodes de filtration lors de la purification.

Cations majeurs : calcium (Ca²⁺), magnésium (Mg²⁺), sodium (Na⁺), potassium (K⁺).Anions majeurs: chlore (Cl^?), bicarbonate (HCO₃^-), sulfate (SO₄^2-).

Dans les saumures (eaux fortement salées), le strontium (Sr²⁺) et les ions bromures (Br^?-) peuvent aussi avoir des concentrations élevées. Dans les eaux naturelles on trouve aussi de la silice (SiO₃^-2), du fer (Fe²⁺), éventuellement des nitrates (NO₃^?).

Les concentrations de ces ions majeurs sont utilisées pour déterminer le type d'eau, par exemple une eau du type Na-HCO₃ ou Na-Cl. Il n'y a pas de définition rigoureuse de ces types d'eaux, mais on les utilise pour différencier les eaux provenant de réserves différentes telle que les aquifères, les précipitations ou l'eau océanique.

La dureté totale d'une eau est produite par les sels de calcium et de magnésium qu'elle contient. On distingue :

· Une dureté carbonatée qui correspond à la teneur en carbonates et bicarbonates de Ca et Mg.

La dureté de l'eau influe essentiellement sur l'état des canalisations et des appareils de chauffage, et sur le lavage du linge. Une eau dure donne des dépôts de tartre dans les canalisations, les bouilloires et chauffe-eau, ainsi que dans les filtres des robinets. D'autre part, ces dépôts carbonatés ont un effet bénéfique en protégeant les conduites de la corrosion. Ces eaux dures pourront être adoucies par le distributeur ou par l'utilisateur (échange d'ions sur résine).

En revanche, une eau trop douce est agressive vis-à-vis des canalisations ; en particulier la corrosion des canalisations en plomb devient dangereuse pour la santé du consommateur. Le traitement se fera ainsi par reminéralisations.

Les sulfates contenus dans les eaux souterraines proviennent de la dissolution du gypse qui est un sulfate de calcium hydraté faiblement soluble (7 g/l dans les conditions normales).

Alors que les ions majeurs se retrouvent dans la plupart des eaux souterraines, des eaux d'aquifères peuvent avoir des teneurs en ions mineurs différentes. On trouve les ions suivants : nitrates (NO₃^?), ammonium (NH₄⁺), silice (SiO₃^-2), fer (Fe²⁺), manganèse (Mn²⁺), aluminium (Al³⁺), strontium (Sr²⁺), bore (BO₄^3-), bromure (Br^{? -}).

Les espèces dissoutes à très faible concentration représentent les métaux lourds et composants organiques. Leur concentration est souvent inférieure au mg/l ou même au ug/l.

· Métaux traces (zinc, chrome, cuivre, nickel, arsenic, mercure, cadmium, plomb).

Les gaz dissous (méthane, CO₂, oxygène, hydrogène, sulfite) représentent aussi des composants fréquents des eaux souterraines. Ils apportent souvent des informations sur les processus physiques et chimiques qui se produisent dans un aquifère.

c.Notion d'aquifère

Un aquifère est au sens strict une formation géologique perméable qui contient de l'eau par opposition à un aquitard ou un aquiclude qui sont tous deux peu perméables.

Un aquitard désigne une formation géologique peu perméable par comparaison avec une formation considérée comme perméable alors qu'un aquiclude désigne une formation imperméable ; le caractère perméable d'une formation géologique étant relatif.

Un aquifère (du latinaqua=eau et ferere=porter) se définit comme étant une formation hydrogéologique perméable permettant l'écoulement significatif d'une nappe d'eau souterraine et le captage de quantités d'eau appréciables par des moyens économiques^11(*).

L'écoulement de l'eau souterraine peut être non-confiné (libre) ou confiné (captif). La base de l'aquifère (substratum) est constituée par une formation hydrogéologique imperméable. Le toit est de trois types :

· Hydrodynamique à fluctuations libres (aquifère à nappe libre) : le niveau de la surface libre de l'écoulement souterrain peut se déplacer verticalement sans limite vers le haut, jusqu'à la surface topographique.

· Géologique imperméable (aquifère à nappe captive) : la présence d'un niveau peu perméable ne permet pas l'élévation du niveau de la surface supérieure.

C'est le premier aquifère rencontré sous la surface du sol. Son niveau est à une altitude appelée niveau piézométrique ou niveau hydrostatique (NH), mesuré dans de petits ouvrages appelés piézomètres. Sa nappe est dite phréatique (du grec phreas : puits).

Il s'agit d'une nappe comprise dans un terrain recevant l'eau par toute sa surface, c'est-à-dire, que le terrain qui la renferme n'est recouvert en aucun point par une roche imperméable empêchant l'eau d'y arriver par infiltration directe à partir de la surface. Dans la nappe libre l'eau peut y prendre librement la forme qui lui convient d'où le nom de nappe libre.

L'aquifère à nappe captive est celui limité par deux formations imperméables. Il existe une pression verticale de haut en bas égale au poids des terrains sus-jacents. Cette pression est équilibrée par la pression de pore ou de couche régnant à l'intérieur de l'aquifère d'où on l'appelle aussi aquifère sous pression. Le potentiel hydraulique est supérieur ou égal à l'altitude du mur de la formation située au-dessus de l'écoulement. L'aquifère est entièrement saturé en eau.

Si un sondage perce le toit de l'aquifère, il ya chute de pression dans l'aquifère et expulsion d'eau. Le niveau se stabilise à une altitude qui représente le niveau piézométriquedéterminé par la différence de charge entre la zone d'alimentation et l'ouvrage considéré. En cas d'artésianisme, l'eau jaillit naturellement.

On rencontre parfois des aquifères qui passent de l'état libre à l'état captif.

Son toit et/ou son substratum est constitué par une formation semi-perméable. Il en résulte des échanges d'eau avec l'aquifère sus- et sous-jacent, appelés drainance. La formation est incorporée à un aquifère multicouche.

I.3.6. Cartes hydrogéologiques

Les cartes représententles formations hydrogéologiquement importantes, les contours géologiques correspondant aux contacts géologiques de différentes formations.

Les formations imperméables (argiles, éventuellement limons) sont indiquées par un remplissage continu d'une couleur choisie, les formations perméables sont indiquées en pointillé (sable), brique (souvent formations calcaires perméables) ou autre.

Les niveaux du toit et du substratum imperméable peuvent être données en cas de connaissance et d'intérêt sous forme de courbes de niveaux. On peut alors trouver jusqu'à quatre types de courbes de niveaux différentes (dans l'ordre de profondeur du bas vers le haut) :

I.4.CARACTERISTIQUESDES RESERVOIRS

I.4.1. Porosité

Tableau. Valeurs typiques de porosité de drainage pour plusieurs typesdes sols^12(*)

Matériaux	Maximum	Minimum	Moyen
Argile	5	0	2
Argile sableuse	12	3	7
Silt	19	3	18
Sable fin	28	10	21
Sable moyen	32	15	26
Sable grossier	35	20	27
Sable et gravier	35	20	25
Gravier fin	35	20	25
Gravier moyen	26	13	23
Gravier grossier	26	13	22

· Systèmes à fissures courtes (par rapport à l'échelle d'intérêt) et interconnectés, avec un nombre statistiquement important des fissures à grande ouverture : En ce cas, les systèmes sont homogènes et répondent donc, tels les aquifères fluviatiles, à la loi de Darcy.

· Fissures longues par rapport à l'échelle d'intérêt, partiellement interconnectés et/ou présence rare de grands chenaux. Ce genre de milieu fissuré est plus complexe et de moins prévisible. Les écoulements ne peuvent être prédits que très difficilement vu qu'on ne connait généralement pas les chenaux principaux où passe la majorité de l'eau. Elle peut s'écouler sur plusieurs niveaux dans des directions différentes. La recherche d'eau (puits de forage) ainsi que la réalisation de projets géotechniques impliquent des surprises difficilement prédictibles et parfois dangereuses (chutes d'eau lors du creusement de tunnels).

On rencontre ce genre de fissuration dans les massifs cristallins. Ces roches (granites, gneiss, amphibolites, micaschistes) ne forment pas de grottes souterraines par dissolution préférentielle en profondeur comme les calcaires. Les fractures résultent donc principalement des contraintes tectoniques et sismiques. Les prédictions des écoulements peuvent être facilitées par la détermination des directions privilégiées des fracturations, des fissurations, d'érosions par l'étude géologique et/ou analyse d'images satellites.

I.4.2. Perméabilité

La perméabilité est l'une des caractéristiques essentielles d'une formation hydrogéologique.

En effet, la perméabilité est l'aptitude d'un réservoir à conduire l'écoulement de l'eau, dans des conditions hydrodynamiques imposées ; ce qui permet le classement en trois catégories des formations : perméables, semi-perméables et imperméables.

La perméabilité se mesure par la quantité d'eau gravifique passant à travers l'unité de section dans l'unité de temps sous une charge déterminée. Elle se marque, en fait par la vitesse de filtration, si la porosité de la roche est connue.

a. Expérience de Darcy

En 1856 HENRY DARCY a publié une expérience de transfert d'eau à travers un milieu poreux dans un livre intitulé« les fontaines publiques de la ville de Dijon ». Dans son expérience il a mesuré le flux d'eau à travers un filtre composé de sable. Darcy a relié le flux à la section (aire) du filtre et au gradient hydraulique. Il a appelé conductivité hydraulique la constante qui relie ces paramètres.

L'équation obtenue empiriquement par Darcy, énonce que la quantité d'eau Q du sol déchargée à travers une portion donnée de l'aquifère est proportionnelle à l'aire A qui sectionne le flux, au gradient hydraulique i et à la conductivité hydraulique K.

Soit I, la hauteur d'une colonne de terrain (voir fig. ), L'altitude constante au-dessus d'un plan de référence. Le poids de la colonne d'eau de hauteur H est la charge hydraulique h exprimée en mètres de hauteur d'eau.

251670528251669504251661312251663360Fig. I.2. Expérience de Darcy. Schéma du dispositif expérimental^13(*)

4. La constante de proportionnalité(K) dépend du matériau poreux.K dépend de la taille des grains et de connectivité des pores.

b. Mesure du gradient hydraulique

Le gradient du potentiel hydraulique est la différence de niveau d'eau dans deux puits recoupant la même nappe, divisée par la distance entre les puits. Il est à l'origine du déplacement des masses d'eau allant du potentiel le plus haut vers le potentiel le plus bas.

En ramenant la section A à l'unité, le rapport entre le débit Q et le gradient hydraulique i est la conductivité hydraulique K.

Où K= Conductivité hydraulique (en m/s) ; le terme perméabilité étant réservé à l'industrie pétrolière.

c. Diffusion et dispersion dans un aquifère

La diffusion moléculaire implique un mouvement aléatoire des molécules suite à leurs vibrations thermiques. Ce phénomène est généralement négligeable tenant compte de l'échelle des aquifères et les vitesses d'écoulements.

La dispersion implique des changements de direction (et de vitesses) des molécules d'eau induit par l'obligation de ceux-ci de contourner les blocs constituant l'aquifère tels que les cailloutis.

Si l'aquifère n'est ni isotrope, ni homogène ; il se pose le problème de chenaux d'écoulements souterrains préférentiels. En effet, des anisotropies verticales vont affecter les directions d'écoulement en profondeur.

La prédiction de l'écoulement uniquement par l'observation des axes d'écoulement peut alors donner des résultats complètement erronés. Cette notion permet de prédire des zones de risques de pollution d'un aquifère basés sur les tracés des axes d'écoulements.

d. Application de la loi de Darcy

La loi de Darcy permet de résoudre plusieurs problèmes hydrogéologiques, notamment :

- Le calcul de la surface piézométrique ;

- La mesure de rabattement dans des puits en nappe libre et puits artésien en nappe captive ;

- L'évaluation des paramètres importants d'un aquifère ;

- L'analyse du réseau d'écoulement dans le cas où la ligne piézométrique n'est pas horizontale.

L'équation de Darcy permet de prédire en première approximation :

- La distribution de la charge hydraulique sur toute une nappe à partir des points isolés ;

- Les directions principales de propagation de l'eau ;

- Analyses des données concernant le pompage dans un aquifère et estimer les réserves ;

- Les chemins de circulations de fluides et les vitesses présentes et futures ;

- Les dépôts de minerais, les réservoirs d'hydrocarbures et les chemins de migration anciens ;

- Evaluation et lutte contre une pollution, gérer les ressources en eau ;leseffets d'un pompage, prédire le transport d'une pollution, trouver les stratégies de dépollution d'un aquifère.

CHAPITRE II : CAPTAGE ET EXPLOITATION DES EAUX SOUTERRAINES

II.1. Captage des sources

II.1.1. Définition

Une source est un lieu d'apparition et d'écoulement d'eau souterraine à la surface du sol, elle est toujours liée à l'existence d'une nappe et peut être située au mur ou au toit du réservoir aquifère.^14(*)

Les sources présentent généralement les qualités de l'eau souterraine, tout en permettant une exploitation aisée. Leur présence est étroitement liée à la géologie du terrain :

II.1.2. Différents types des sources

Les sources d'affleurement sont celles qui apparaissent à l'endroit où affleure le substratum imperméable. Si l'aquifère est perméable en petit, il existera le long de la ligne d'affleurement de la zone imperméable des suintements continus et, par suite, très faibles.

Si l'aquifère est perméable en grand, les ouvertures donnant l'eau seront plus rares mais de débits plus importants.

Les sources d'émergence sont celles qui apparaissent là où la surface topographique recoupe la surface piézométrique d'un aquifère. Ces sources apparaissent dans les fonds des vallées.

Autrement dites «sources de cassure», sont celles qui prennent naissance là où les cassures et les filons perméables, partant de la surface du sol, atteignent le toit d'une nappe aquifère sous pression. De telles sources sont parfois artésiennes.

Une source vauclusienne est en réalité l'affleurement d'un cours d'eau souterrain en terrains karstifiés.

Il peut arriver qu'une source soit couverte d'éboulis. L'eau qui sort de la source entre dans l'éboulis et n'apparait que plus loin au pied de l'éboulis.Elle est appelée « source d'éboulis » et la source originelle couverte par l'éboulis est alors appelée « source géologique ».

II.1.3. Aménagement d'une source

La nappe d'eau qui sort toute seule du sol constitue une source. En général, une telle eau est bonne à boire. Cependant cette eau peut être polluée à sa sortie du sol. Afin d'éviter un tel danger, on doit aménager la source.

Trois grands types d'aménagements de sources peuvent être envisagés dans un contexte nécessitant le recours à des techniques à faible coût :

· un aménagement très simple ;

· un aménagement avec un réservoir ;

· un aménagement avec un réservoir et filtre ;

a) L'aménagement simple de source

Schéma d'aménagement simple d'une source^15(*)

L'aménagement simple de source doit débuter par un nettoyage de l'endroit où l'eau sort du sol. Il faut :

· faire une tranchée horizontale sur plusieurs mètres pour rechercher l'eau un peu plus loin ;

· remplir la tranchée de gros cailloux pour que l'eau circule facilement ;

· reboucher la tranchée ;

· à l'extrémité, sceller un tuyau par lequel l'eau s'écoulera. Le tuyau doit être scellé dans un mur fait en ciment, en parpaing ou en pierre ;

· le sol, à l'endroit où le tuyau sort, doit être nivelé et recouvert de cailloux pour éviter qu'il y ait formation d'un bourbier ;

· réaliser une rigole qui évacue au loin l'eau sale.

b) Aménagement avec réservoir

Schéma d'aménagement avec réservoir^16(*)

Il est nécessaire de construire une chambre maçonnée qui permet de récupérer et de stocker l'eau de la source.

L'aménagement extérieur est identique à celui de l'aménagement simple.

c) Aménagement avec réservoir et filtre

Schéma d'aménagement avec réservoir^17(*)

Cet aménagement comprend une chambre maçonnée divisée en deux parties, une partie qui contient le filtre en gravier et en sable et une autre partie qui constitue le réservoir. La sortie de l'eau est identique aux aménagements précédents.

II.2.4. Entretien des sources

Il est fréquent que la productivité des ouvrages de captage présente une dégradation au cours du temps. Cette évolution dépend des conditions d'exécution du captage, de la composition chimique de l'eau souterraine et du mode d'exploitation de l'ouvrage.

Dans le cas de sources, la perte de débit résulte généralement du colmatage, dont les origines peuvent être diverses :

· physico-mécanique : lorsque c'est l'entrainement des particules fines du terrain qui diminue l'ouverture des barbacanes ou l'indice de vide du matériau drainant ;

· physico-chimique : lorsque l'obstruction est réalisée par un dépôt qui résulte de la précipitation des carbonates ou des sulfates de calcium ou de magnésium, ou encore d'hydroxydes de fer ;

· biochimique : lorsque le colmatage provient des boues gélatineuses résultant du cycle biologique de certains micro-organismes, en particulier lorsque les eaux contiennent des sels de fer (bactéries ferriques).

Des améliorations sensibles peuvent généralement être obtenues par des entretiens réguliers, lorsque les ouvrages sont visitables. S'ils sont en majeure partie constitués par des massifs drainant dépourvus de regards, les possibilités d'intervention y sont réduites. Il est donc fondamental de prévoir les possibilités de son entretien ultérieur, lors de la conception de l'ouvrage.De même convient-il de ne pas végétaliser un champ de captage et d'y enlever régulièrement la végétation arbustive ou arborée qui s'y implante naturellement, car les racines offrent une très forte capacité de pénétration jusqu'aux barbacanes et aux massifs drainants, où elles facilitent en outre la précipitation de dépôts chimiques.

II.2. Captage par puits
II.2.1. Définition

Un puits est un ouvrage de captage qui pénètre verticalement dans la nappe^18(*).Il offre généralement un diamètre (de 1 à 5-6 m) et une profondeur limitée à quelquesmètres ou quelques dizaines de mètres, mais certains peuvent atteindre la centaine de mètres en terrain rocheux.

II.2.2.Différents types de puits

On distingue trois principaux types de puits : le puits ordinaire, le puits foncé et le puits foré.

C'est un puits creusé manuellement à l'aide d'une pioche, d'une pelle et de tout autre matériel d'excavation. Il peut être de forme carrée ou circulaire.

Il existe plusieurs méthodes de fonçage de puits : fonçage par battage de tube perforé, fonçage par injection d'eau et fonçage par havage.

· Fonçage par battage : c'est une méthode qui consiste à chasser dans le sol, à l'aide d'un mouton, un tube à l'extrémité inférieure duquel est fixé un embout conique. Le fonçage s'arrête à quelques mètres au-dessous de la surface libre de la nappe. Les puits foncés par battage ont en général un diamètre de 2,5 à 100mm et ne peuvent être utilisés que dans les formations dépourvues de pierres, de roches ou d'argile compacte et là où la profondeur de la nappe est faible.

· Fonçage par injection d'eau : cette méthode permet d'atteindre très rapidement des profondeurs considérables. Elle consiste à creuser à l'emplacement prévu pour le trou de 1,5 à 2m de profondeur, sur lequel on monte un trépied portant un tourillon creux ; à ceci se fixe un tubage dont l'extrémité inférieure munie d'un couteau pénètre dans le trou. Cette méthode convient dans des sables et des alluvions et pour les puits de diamètre allant de 38 à 380 mm et de profondeurs de 50 à 100 m.

· Fonçage par havage : ce procédé permet de construire dans des sols meubles, des puits de grand diamètre mais de faible profondeur (15 à 20 m). De ce fait, on dispose sur le sol une couronne métallique triangulaire formant une trousse circulaire coupante.

Ce type de puits a un diamètre relativement réduit, il est foré à la main ou à l'aide de divers accessoires grâce auxquels on peut atteindre de grandes profondeurs et extraire de plus grandes quantités d'eau que le puits creusé à la main. Il peut donner lieu à un puits artésien.

II.2.3. Aménagement d'un puits

Il est possible de creuser un puits, si la nappe d'eau souterraine se situe à moins de 25 m de profondeur. Si par contre il faut descendre plus profondément pour trouver l'eau, c'est la technique de forage qui est recommandée. Notons que le creusement d'un puits est limité par la profondeur de la nappe. Dès qu'elle est atteinte, il devient difficile de poursuivre la fouille du sol, mais par contre, le forage peut se poursuivre même en-dessous de la nappe.

Le puits est donc une construction fixe et définitive, installée dans le sol et dont le captage, qui est la base mobile, glisse dans l'orifice du puits et s'enfonce dans le sol au fur et à mesure que l'on creuse le fond du puits.

La hauteur du puits et du captage dépend de la position de la nappe. Le puits sera donc profond, si la nappe est située en profondeur. La hauteur du captage dépend aussi de la configuration du terrain et de l'épaisseur de la nappe à exploiter pour avoir un débit suffisant. Cette hauteur peut varier avec le temps puisqu'il est possible, en cas de nécessité, de surcreuser le puits et d'ajouter un ou plusieurs buses perforées au sommet du captage, qui le fera descendre au fur et à mesure du surcreusement sous l'effet de son propre poids.

II.2.4. Entretien des puits

L'aménagement d'un ouvrage de captage est un investissement coûteux et des plus importants. Il faut donc prendre les précautions nécessaires pour assurer la salubrité et le bon fonctionnement d'un système individuel d'approvisionnement en eau potable. Le propriétaire d'un tel captage doit donc être vigilant quant à la qualité de l'eau (apparence, goût, odeur) qui provient du puits et procéder à une observation des lieux et ultimement à une analyse dès qu'un changement suspect se manifeste.

Afin de maintenir l'intégrité de l'eau captée, le puits et ses abords devraient être inspectés régulièrement. Les points suivants devraient faire l'objet d'une vérification systématique :

3) le drainage des eaux de surface avoisinantes se fait dans la direction opposée au puits;

6) l'absence de fissures dans le tubage ou entre les joints d'étanchéité des tubages de puits de surface qui laisserait de l'eau de surface ou des débris entrer dans le puits;

II.3. Captage par forage

II.3.1. Définition

Le forage est une technique ou opération permettant le creusement de trous généralement verticaux^19(*).

L'eau du forage est purifiée par un long parcours à travers le sol, les possibilités de pollution sont donc réduites, et surtout si l'extraction de l'eau se fait au moyen de pompe. Raison pour laquelle l'eau de forage est en général la meilleure pour la consommation humaine.

II.3.2. Principales techniques de forage

Il consiste à un ensemble d'allonges en acier qui est tourné par une poignée. Différents types de tarières peuvent être fixés à l'extrémité des allonges. Les tarières sont tournées dans le sol jusqu'à ce qu'elles se remplissent et sont ensuite sorties du trou pour être vidées. Le modèle des tarières varie en fonction du type de formation (type de sol) à forer. Généralement au-dessus du niveau statique, le trou du forage reste ouvert sans avoir besoin d'être soutenu. Une fois dans la nappe, un pré-tubage temporaire peut être utilisé pour empêcher l'effondrement des parois du trou de forage. Le fonçage se poursuit à l'intérieur de ce pré-tubage à l'aide d'une tarière de mise en eau jusqu'à ce que la profondeur désirée soit atteinte. Puis, le tubage permanent est installé et le pré-tubage temporaire remonté à la surface. Le forage à la tarière peut être utilisé jusqu'à une profondeur d'environ 15 à 25 mètres, cela dépend de la géologie.

· Avantage : facile à utiliser au-dessus du niveau de la nappe. Equipements bon marché.

· Inconvénient : il est parfois très difficile d'enlever le pré-tubage temporaire.

Le forage à la boue (ou forage rotatif à boue lorsqu'unmouvement de rotation de l'outil de fonçage est actionné) utilisela circulation de l'eau pour faire remonter à la surface du sol lesmatériaux forés. Le train de tiges de forage est actionné de haut enbas. Pendant la descente des tiges, le choc créé par le trépan fixéau bout du train de tiges fragmente les matériaux du sol et,pendant le mouvement de remontée, l'extrémité du train de tiges estobturée avec la main (effet de soupape), créant ainsi une aspirationde l'eau et des débris qu'elle contient jusqu'à la surface. Au cours dumouvement de descente suivant, la main est retirée du train de tigeset l'eau gicle dans le bassin préalablement creusé à coté du forage.Dans ce bassin de décantation, les débris se séparent de l'eau pourse déposer au fond du bassin alors que l'excédent d'eau redescendà nouveau dans le trou. La pression de l'eau sur les parois du forage évite l'effondrement de ces dernières. Le forage à boue (avec ousans rotation) peut être utilisé jusqu'à une profondeur d'environ 35mètres.

· Inconvénient : le niveau d'eau dans le trou doit être maintenu toutau long de l'opération de fonçage. Le niveau de lanappe n'est pas connu avec précision pendantle forage.

· Application géologique : sables, limons, argiles, argiles dures et desformations légèrement consolidées (latérite altérée).

Il est également basé sur la circulation et la pression de l'eau. A la différence du forage à boue, l'eau est désormais injectée à l'intérieur du train de tiges et la boue (eau et débris) remonte le long des parois du forage. Afin d'obtenir une pression d'eau suffisante, on utilise une motopompe. On peut laisser l'extrémité inférieure du tuyau de forage simplement ouverte, ou on peut y rajouter un outil de fonçage (trépan). On peut également faire tourner totalement ou partiellement le train de tiges. Un fluide de forage (additif) peut être mélangé à l'eau pour éviter l'effondrement des parois du trou et la perte incontrôlée de l'eau par infiltration. La technique du lançage à l'eau (avec rotation) peut être utilisée jusqu'à une profondeur d'environ 35-45 mètres.

· Inconvénient : nécessite beaucoup d'eau à la fois. Le niveau de la nappe d'eau n'est pas connu avec précision pendant le forage.

· Application géologique : limitée aux sables et fines couches d'argile tendre.

Le forage à percussion utilise un lourd trépan (ou cuiller) attaché à une corde ou un câble, lequel est descendu dans le trou duforage ou à l'intérieur d'un pré-tubage. Un trépied (ou chèvre) est engénéral utilisé pour suspendre l'équipement. En actionnant la cordeou le câble de haut en bas, le trépan ameublie et fragmente le solou la roche consolidée dans le trou de forage, dont les débris sontensuite extraits grâce à la cuillère.

Comme pour le forage à la tarière, un pré-tubage en métal ou PVCpeut être utilisé pour éviter l'effondrement du trou. Une fois le tubagedéfinitif (tuyaux et crépines en PVC) installé, le pré-tubage doit êtreenlevé. Le forage à percussion est généralement utilisé jusqu'à uneprofondeur de 25 mètres.

· Inconvénient : l'équipement peut être très lourd et relativementcher. Cette méthode est lente en comparaison desautres méthodes.

· Application géologique : sables, limons, argiles dures, calcaire tendre,latérite, les couches contenant des graviers et de petits cailloux.

II.3.3. Conception du forage

· La première et la plus importante étape pour la conception d'un bon forage est de réaliser la coupe de forage (détermination de la localisation exacte (profondeur) des couches perméables (aquifères), et la localisation de toute couche imperméable dans le forage).

A partir de la coupe de forage, on peut déterminer précisément la profondeur et la longueur de la crépine ainsi que la profondeur et l'épaisseur du massif filtrant et du joint d'étanchéité sanitaire.

· Détermination du diamètre du trou de forage : le diamètre interne du tuyau d'équipement en PVC est choisi de manière à pouvoir contenir le diamètre externe de la pompe quel'on va installer à l'intérieur. Le diamètre du trou de forage est à son tour choisi en fonction du diamètre externe du tubage en PVC.

Pour le diamètre du trou de forage, il est important qu'il soit au moins 2 pouces (50 mm) plus grand que le diamètre extérieur du tubage en PVC, demanière à pouvoir installer le massif filtrant et le joint d'étanchéité sanitaire.

Si cette règle n'est pas appliquée, et que l'espace annulaire entre le tuyau en PVC et les parois du trou est trop étroit, il serapresque impossible de placer le massif filtrant et le joint d'étanchéité sanitaire à la bonne profondeur. De plus, le remblai peutrester « coincé » à une certaine hauteur (on appelle cela un `pontage') et finir au mauvais endroit.

· La profondeur du forage : quandla profondeur finale du bas de la crépine du forage dans l'aquifère est atteinte, il faut encore forer deux mètressupplémentaires. Cela permettra aux fines particulesde sol en suspension dans le forage (mélangées dans l'eau)de décanter avant et pendant l'installation de la crépine et du tuyau d'équipement (en faisant cela, on peut être sûre que la crépinesera installée à la profondeur déterminée grâce à la coupe de forage), et d'installer un décanteur.

· La finalisation du forage : enfin, avant de remonter les outils de fonçage à la surface, un forage réalisé avec un fluide doit être rincé avec de l'eau propre afin d'enlever toutes les particules fines qui sont en suspension dans le trou. Si cela n'est pas fait, ces particules vont se décanter aufond du trou de forage (et donc influencer la profondeur d'installation finale) ou entrer dans la crépine pendant l'équipement duforage, commençant ainsi déjà à remplir le décanteur.

II.4. Le développement du forage par pompes et essais de débit

II.4.1. Les pompes pour développement d'un forage

Plusieurs types de pompes peuvent être utilisés pour développer un forage. Les meilleures options pour le développement sont les pompes immergées électriques et les compresseurs. Mais ces pompes sont chères. Il est recommandé d'utiliser ces pompes pour des forages d'eau communautaires, nécessitant des débits importants. Pour des forages familiaux, qui doivent souvent être faits à moindre coût pour être abordables, on peut utiliser des pompes manuelles pour le développement.Une bonne option est d'utiliser une pompe immergée. On peut ainsi obtenir des débits importants. Il est cependant nécessaire d'avoir de l'électricité (probablement un groupe électrogène/générateur), et la pompe et le générateur sont chers.

Il en va de même pour les compresseurs. Les compresseurs sont des outils de développement très appropriés, avec lesquels on peut obtenir des débits très importants et des ondes de choc. Il faut néanmoins un gros compresseur, ce qui coûte cher.

Une option moins chère pour le développement, avec des débits relativement importants, est d'utiliser une motopompe centrifuge ou une pompe à boue. Cependant, ces pompes aspirantes de surface ne peuvent fonctionner que si le niveau dynamique de l'eau souterraine (le niveau de l'eau quand on pompe) est à moins de 7 mètres sous le niveau du sol.

On peut également utiliser, pour les forages familiaux, des pompes manuelles (qui sont moins chères), bien qu'elles soient beaucoup moins efficaces pour le développement du forage. Quand on utilise des pompes manuelles pour le développement des forages et qu'elles sont utilisées à leur débit maximal pendant une certaine période, jusqu'à ce que l'eau soit claire, elles peuvent être suffisantes.

II.4.2.Les essais de débit

Une fois qu'un forage a été développé et ne contient plus de particules fines, le débit du foragedoit être testé. Les essais de débitdonnent des informations utiles à la fois sur le forage et sur l'aquifère. Ils permettent notamment de savoir si la productivité du forage sera suffisante pour son usage.

Cependant, des essais de débit fiables ne peuvent être faits que quand le niveau del'eau est retourné à la normale après le développement du forage. Le forage doit êtrelaissé au repos au moins 24 heures après son développement avant de commencer lesessais de débit.

Il existe deux manières de tester la productivité du forage : on peut donc utiliser soit unepompe électrique immergée ou une motopompe, soit une pompe manuelle.Dans les deux cas, le niveau de l'eau doit être mesuré.

Pour les essais de débit mécanisés,on peut utiliser une sonde piézométriqueélectrique (relativement chère), qui produit unsignal électrique quand le niveau de l'eau est atteint.

Pour le forage à faible coût avec des pompes manuelles, on peut utiliser un simpledécamètre ou une corde de mesure.

La différence entre le niveaustatique de l'eau (avant le pompage), et le niveau dynamique de l'eau (tout au long du pompage) est appelé rabattement.

Le niveau de l'eau ne doit jamais descendre en-dessous du niveau de la crépine. Si le niveau de l'eau s'est stabilisé justeau-dessus du niveau de la crépine, le débit ne doit pas être à nouveau augmenté.

Quand seulement un faible débit (plus bas que le débit estimé de la pompe devant être installée) peut être maintenu, le forage n'est pas assez productif.

Soit un morceau de tuyau galvanisé de ¾ de pouce de 6 cm de long que l'on bouche en une extrémité en la soudant, et on soude un anneau de fixation au-dessus. On y attache unecorde, avec un noeud tous les mètres (comme la corde de mesure utilisée pour vérifier la hauteur de remblayage). On bouge cet outil de haut en bas dans le forage. Quand letuyau galvanisé touche le niveau de l'eau, on entend un bruit de « plouf ». On compte lenombre de noeuds pour connaître la profondeur.

CHAPITRE III : GESTION DES EAUX SOUTERRAINES

III.1. Aspects quantitatifs et qualitatifs de l'eau souterraine

III.1.1. Aspects quantitatifs

Les réserves mondiales d'eau souterraine sont dix fois plus importantes que les réserves d'eau de surface^20(*). En raison de son abondance, de sa qualité et de sa proximité avec le lieu de consommation, l'eau souterraine constitue la source d'approvisionnement en eau de consommation la plus abordable. Cependant, Les eaux souterraines sont menacées au plan quantitatif, lorsque la capacité d'emmagasinement des aquifères et/ou leur section d'écoulement vient à être réduite et lorsque les niveaux piézométriques des nappes d'eaux souterraines sont rabattus de manière durable. De plus, l'augmentation de l'imperméabilisation des sols réduit l'alimentation des nappes d'eaux souterraines.

L'apport d'eaux souterraines provenant des aquifères dépend des caractéristiques de l'aquifère et du volume de l'alimentation qui renouvelle l'aquifère. Par exemple,

III.1.2. Aspects qualitatifs

Les processus naturels et les activités humaines peuvent avoir une incidence sur l'eau souterraine. La différence entre les deux est que les processus naturels peuvent soit augmenter la qualité de l'eau souterraine, soit détériorer ses qualités esthétiques mais la plupart des activités humaines contaminent l'eau souterraine.En voici quelques exemples :

Les polluants non ou difficilement dégradables (persistants) sont particulièrement dangereux pour les eaux souterraines, lorsqu'ils parviennent à traverser le sol et les couches de couverture.

La détérioration de la qualité de l'eau est appréciée par des mesures des paramètres physico-chimiques et bactériologiques. Dans le cas d'une détérioration jugée importante, l'eau ne sera plus considérée comme potable pour la consommation humaine. Elle pourra être utilisée pour d'autres fins (irrigation...) ou devra subir un traitement approprié pour retrouver sa potabilité. L'eau des nappes n'est donc pas à l'abri de la pollution et l'autoépuration naturelle n'est pas complète dans toutes les nappes et vis-à-vis de certaines substances.

III.2. Pollution des nappes d'eau souterraines

Signalons que la pollution des nappes d'eau souterraines est la contamination de l'eau d'une nappe par des substances indésirables qui provoquent des nuisances et qui rendent l'eau impropre pour certaines utilisations.

III.2.1. Origine de la pollution

a) Origine domestique : dans le cas d'un assainissement, collectif ou individuel, défectueux, des substances indésirables contenues dansles eaux vannées, les eaux ménagères, peuvent être transférées à la nappe. Les ordures ménagères accumulées dans des décharges sauvages libèrent également des lixiviats riches en polluants.

b) Origine industrielle : les polluants de cette origine sont très variés selon le type d'activité (substancesorganiques, hydrocarbures, métaux lourds...). Les pollutions ici sont exceptionnelles et insidieuses. Un cas particulier est celui des exploitations minières. L'extraction des granulats en plaine alluviale met en contact l'eau de la nappe avec les polluants éventuels.

c) Origine agricole : la pollution est étendue dans l'espace et dans le temps. En effet, elle est influencée par les pratiques de cultures (utilisation massive des engrais et produits chimiques de traitement des plantes, l'irrigation), de l'élevage (élevage intensif des porcs, bovins et volailles).

d) Origine urbaine et routière : les risques de pollution apparaissent à la construction des réseaux routiers puis à leur exploitation (métaux lourds libérés par les véhicules, substances dangereuses échappées par accident).

III.3. Protection des nappes contre la pollution

La protection des nappes contre les pollutions peut se faire de diverses manières, entre autres par la mise en place des périmètres de protection des captages d'eau potable.

Les périmètres de protection d'un captage sont définis après une étude hydrologique. Leur but est de protéger les abords immédiats de l'ouvrage et son voisinage. Pour un captage ou un champ captant, trois zones concentriques sont définies dans lesquelles des contraintes plus ou moins fortes sont instituées pour éviter la dégradation de l'eau.

III.3.1. Périmètre de protection immédiate

Ce premier périmètre contient le captage lui-même. Sa surface est limitée à quelques dizaines de mètres carrés (environ 30 m sur 30). La collectivité locale est propriétaire du terrain qu'elle doit clôturer, sauf en cas d'impossibilité. Toutes les activités y sont interdites, sauf celles consacrées à l'exploitation et l'entretien des équipements. Son rôle est d'empêcher la dégradation des ouvrages ou l'introduction directe des substances polluantes dans l'eau.

III.3.2. Périmètre de protection rapprochée

Il doit protéger le captage de la migration des substances polluantes. Sa surface dépend des caractéristiques locales ; elle varie entre 1 à 10 hectares. Toutes les activités, installations et dépôts susceptibles de nuire directement ou indirectement à la qualité des eaux sont interdits. Il s'agit généralement de :

III.3.3. Périmètre de protection éloignée

Ce dernier périmètre n'est pas obligatoire, il renforce le précédent. Sa surface est très variable, réglementée par les activités, dépôts ou installations qui présentent un danger de pollution pour les eaux prélevées, par la nature et la quantité des produits polluants mis en jeu ou par l'étendue des surfaces qu'ils affectent.

III.4. Moyens de traitement des nappes polluées

Les procédés de décontamination des nappes font appel à des voies physiques, chimiques et biologiques.

Les voies physiques comprennent le pompage de l'eau, l'écrémage du polluant surnageant, la ventilation par bullage dans la nappe, la filtration par membrane.

Les voies chimiques font appel aux réactions d'oxydation par O₃, H₂O₃ (avec U.V) ou réduction par le fer.

Les voies biologiques utilisent l'action des micro-organismes du sol dont l'activité est stimulée par adjonction des nutriments.

Ces différentes voies sont généralement associées. Les traitements de décontamination peuvent être réalisés :

III.5. Défenses naturelles contre les pollutions

III.5.1. Rôle protecteur des sols

Le sol constitue un puissant moyen d'épuration et de recyclage des eaux. Les argiles, les hydroxydes et la matière organique adsorbent les cations (Ca, Mg, K, Na, métaux lourds) et certaines molécules organiques. Les molécules à moins de 6 carbones sont entrainées vers la nappe mais les cycles benzéniques sont retenus.

Le contenu microbiologique du sol peut épurer le sol de ses substances indésirables : minéralisation des composés azotés, dénitrification, dégradation des micropolluants organiques (pesticides). Les germes pathogènes introduits dans le sol sont éliminés quand les conditions de survie sont défavorables : UV, compétition avec la microflore indigène du sol.

III.5.2. Rôle épurateur du couvert végétal et des organismes

Les plantes accumulent des éléments minéraux et servent donc de zone de stockage, en particulier pour les nitrates. La déforestation, le retournement des prairies libèrent une grande quantité d'azote. La végétation des zones humides et des bords de rivières ont un effet épurateur remarquable (dénitrification dans les zones hydromorphes anaérobies).

III.5.3. Rôle protecteur des berges des cours d'eau

Les dépôts vaseux situés au fond des cours d'eau et latéralement à proximité de la berge, riches en bactéries, sont le siège du processus de biodégradation des hydrocarbures et de l'accumulation des métaux lourds (Zn, Pb, Cd, As, Mn) qui se fixent sur les particules argileuses des alluvions.

III.5.4. Autoépuration biologique des eaux souterraines

Les organismes vivants et non toxiques (bactéries, petits invertébrés) sont présents dans les eaux souterraines même à grande profondeur. Ils peuvent métaboliser les polluants introduits dans la nappe. Les polluants organiques toxiques comme polychlorobiphénols (PCB) sont lentement transformés. Les nitrates sont détruits en milieu anaérobie (cas des nappes captives).

CONCLUSION GENERALE

Partout où des eaux souterraines accessibles et exploitables ont été reconnues, il a été compris qu'elles étaient des sources d'approvisionnement plus extensives et plus stables que les eaux de surface, surtout dans les régions du monde où celles-ci sont rares et irrégulières, tout particulièrement en zones arides et semi-arides, et plus à la portée de nombreux usagers. Aussi, l'exploitation et l'utilisation des eaux souterraines ont-elles une forte spécificité dans l'économie de l'eau.

Bien qu'elle soit difficile à récupérer, l'eau souterraine est cherchée pour sa qualité. Comme celle des rivières, l'eau souterraine peut contenir des microbes et poisons, mais plus souvent, elle s'en débarrasse après un long trajet dans les roches. Donc les roches poreuses (grès, sables...) filtrent l'eau et la purifie. Les eaux souterraines sont en général plus pures que les eaux de surface et sont en général potables sans qu'on ait besoin de les traiter en usine.Ce sont donc les aspects qui nous ont intéressé pour la réalisation de ce travail.

Tout au long de ce travail, nous nous sommes préoccupé à fournir des notions de base d'hydrogéologie visant le captage, l'exploitation et la gestion des eaux souterraines. La démarche a consisté à comprendre les différents processus de la mise en place des aquifères, c'est-à-dire du stockage de l'eau dans le sous-sol, en se basant sur la notion du cycle hydrologique ; de décrire les différentes méthodes de captage, donc, l'extraction de l'eau dans le sous-sol afin de s'en servir dans différentes activités humaines, mais aussi d'expliquer les différents processus de pollution pour enfin préconiser la protection et une bonne gestion de cette importante ressource.

Dans tous les cas, nous avons compris que l'eau souterraine relève d'un grand intérêt pour l'homme, vu ses réserves estimées à plus de 10 fois celle de l'eau de surface, et est indispensable pour les activités et la consommation directe ou indirecte par ce dernier.

L'acquisition de connaissances en hydrogéologie est donc importante pour répondre aux besoins en eau (potable) dans une région, surtout en milieu rural. D'où, notre souhait serait que les populations comprennent à travers des ouvragesce que c'est l'eau souterraine et comment s'en servir ; c'est alors que l'on pourra obvier à certaines maladies relatives aux pollutions et également obvier aux pénuries en eau douce, car l'eau potable est sans doute, « le plus beau cadeau que l'humain peut offrir à son semblable ».

BIBLIOGRAPHIE

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7. Jean Margat : Exploitations et utilisations des eaux souterraines dans le monde, Unesco et BRGM, 2004, Paris.

8. KATANGA K.A, Cours d'hydrologie souterraine, Ier génie Environnement, ISTA/Kinshasa, 2007.

9. LUKIDIA L.B., Cours de travaux miniers et forage, UNIKIN, inédit.

10. M. Renald McCormack : Les puits, Revue du ministère de l'environnement, Québec, 2003.

11. Ministère de l'agriculture, de l'alimentation et des affaires rurales : Les Puits, Pratiques de gestion optimale, Ontario, Canada, 1997.

12. OFEFP: Instructions pratiques pour la protection des eaux souterraines. Office fédéral de l'environnement, des forêts et du paysage, Berne. 2004.

13. Ramade F : dictionnaire encyclopédique des sciences de l'eau, Edscience, France, 1998.

TABLE DES MATIERES

* ¹¹Intiomale M.M, Cours d'hydrogéologie, 3^ème graduat géologie, Unikin, 2011. p.6.

* ¹²KATANGA K.A, Cours d'hydrologie souterraine, I^er génie Environnement, ISTA/Kinshasa,2007.

* ¹³Intiomale M.M, Cours d'hydrogéologie, 3^ème graduat géologie, Unikin, 2011. p.33.

* ¹⁴Ramade F : dictionnaire encyclopédique des sciences de l'eau, Edscience, 1998.

* ¹⁵Comité Interafricain d'Etudes hydrauliques, Utiliser une pompe manuelle -Manuel de formation des formateurs villageois - Le point d'eau au village : aménagement ; utilisation ; entretien - série hydraulique villageoise livret 2, GH Géohydraulique, CINAM - date non signalée.

* ¹⁶Comité Interafricain d'Etudes hydrauliques, Utiliser une pompe manuelle -Manuel de formation des formateurs villageois - Le point d'eau au village : aménagement ; utilisation ; entretien - série hydraulique villageoise livret 2, GH Géohydraulique, CINAM - date non signalée.

* ¹⁷Comité Interafricain d'Etudes hydrauliques, Utiliser une pompe manuelle -Manuel de formation des formateurs villageois - Le point d'eau au village : aménagement ; utilisation ; entretien - série hydraulique villageoise livret 2, GH Géohydraulique, CINAM - date non signalée.

* ¹⁸ Eric G. : Hydrogéologie (objets, méthodes et applications), Dunod, 2004, Paris.

* ²⁰M. Renald McCormack : Les puits, revue du ministère de l'environnement, Québec, 2003.

Les eaux souterraines: captage, exploitation et gestion

0. INTRODUCTION GENERALE

0.1. PROBLEMATIQUE