Les principaux essais en hydrogéologie

Pour de nombreuses opérations de génie civil, comprendre les sols et le fonctionnement des nappes est indispensable pour concevoir des ouvrages adaptés, prévenir les désordres liés à l’eau souterraine ou encore développer des solutions comme la géothermie.

Les essais en hydrogéologie, c’est un peu l’équivalent d’un diagnostic médical. Ils permettent d’examiner le sous-sol, de caractériser les écoulements souterrains et surtout de comprendre comment les terrains et les nappes vont se comporter à l’échelle de votre projet.

Dans cet article, nous allons passer en revue les principaux essais utilisés en hydrogéologie et voir à quoi ils servent concrètement.

Essais d'eau : évaluation des propriétés hydrodynamiques et compréhension du fonctionnement des aquifères

Ces essais permettent de caractériser le fonctionnement des aquifères et de déterminer des paramètres essentiels comme la perméabilité, la transmissivité ou le coefficient d’emmagasinement.

Ces données vont notamment servir à dimensionner les ouvrages de pompage, adapter leur exploitation et mieux anticiper la réaction de la nappe face aux prélèvements.

Essai de vidange (ou Lefranc)

L’essai de vidange, aussi appelé essai Lefranc, permet d’estimer la perméabilité locale des terrains autour d’un piézomètre ou d’un forage.

Il est souvent utilisé dans des terrains faiblement à moyennement perméables, notamment lorsqu’un essai de pompage longue durée n’est pas adapté ou réalisable.

Il consiste à abaisser fortement le niveau d’eau dans l’ouvrage, puis à suivre sa remontée à intervalles réguliers. L’évolution du niveau d’eau permet ensuite d’estimer la perméabilité des terrains sollicités.

Comme cette mesure reste très locale et que les terrains peuvent être hétérogènes, il est préférable de multiplier les essais à différents emplacements du site. Une seule mesure peut facilement donner une image trompeuse de la perméabilité globale du terrain.

Essai de nappe (ou essai de pompage longue durée)

L’essai de nappe permet de déterminer la transmissivité et le coefficient d’emmagasinement d’un aquifère afin d’évaluer sa capacité à transmettre et à stocker l’eau.

Il consiste à pomper de l’eau dans un puits à débit constant tout en suivant l’évolution du niveau de la nappe dans un ou plusieurs piézomètres situés à différentes distances du point de pompage.

La durée de l’essai dépend des caractéristiques de l’aquifère et des objectifs de l’étude. Elle peut aller de quelques heures à plusieurs jours. Les niveaux sont relevés régulièrement pendant le pompage puis, généralement, pendant la remontée de la nappe après l’arrêt du pompage.

L’interprétation des courbes de rabattement et de remontée permet ensuite de déterminer les principaux paramètres hydrodynamiques de l’aquifère.

Essai de puits (ou essai par palier)

L’essai de puits permet d’évaluer la performance d’un forage et sa réponse à différents débits de pompage.

Il consiste à pomper l’eau par paliers de débit croissants tout en mesurant le rabattement du niveau d’eau dans le forage.

Les résultats permettent notamment d’analyser la relation entre débit pompé et rabattement, d’identifier les pertes de charge liées à l’ouvrage et de définir des conditions d’exploitation adaptées.

Essai d'injection

L’essai d’injection permet d’évaluer la capacité d’un aquifère et d’un ouvrage à accepter l’injection d’eau. Il est notamment utilisé en géothermie, lorsque l’eau pompée doit être réinjectée dans l’aquifère.

Il consiste à injecter de l’eau dans un puits à débit contrôlé tout en suivant l’évolution de la pression ou du niveau piézométrique. Les mesures permettent d’évaluer l’injectivité du forage et la réponse hydraulique de l’aquifère.

Essai micromoulinet

L’essai au micromoulinet permet de mesurer les vitesses d’écoulement à l’intérieur d’un forage et surtout d’identifier les profondeurs où l’eau entre ou sort de l’ouvrage.

Il est particulièrement utile pour repérer les horizons les plus producteurs, les circulations verticales ou encore les zones fracturées d’un aquifère.

Le principe consiste à descendre un micromoulinet équipé d’une hélice calibrée à différentes profondeurs et à enregistrer les variations de vitesse. Ces mesures permettent ensuite de localiser les principales arrivées d’eau et de mieux comprendre quels horizons contribuent réellement aux écoulements observés.

Essais d'infiltration : estimation de la capacité d'infiltration des sols

Ces essais, qui se situent à la frontière entre hydrologie et hydrogéologie, permettent d’évaluer la capacité des sols à absorber et transmettre l’eau.

Ils servent notamment à estimer la vitesse d’infiltration et, selon la méthode utilisée, la perméabilité du sol. Ces paramètres sont essentiels pour la gestion des eaux pluviales et le dimensionnement des ouvrages d’infiltration.

Essai Matsuo

L’essai Matsuo permet d’estimer la perméabilité des sols superficiels, notamment dans le cadre des études de gestion des eaux pluviales.

Il consiste à creuser une fosse, à la remplir d’eau puis à suivre la baisse du niveau au cours du temps. Ces mesures permettent ensuite de calculer la perméabilité du terrain et d’évaluer sa capacité à infiltrer l’eau.

Essai Porchet

L’essai Porchet permet d’estimer la perméabilité locale d’un sol, notamment dans le cadre des études de gestion des eaux pluviales.

Il consiste à creuser un trou, généralement à la tarière, puis à le remplir d’eau. Après une phase de saturation du terrain, le niveau d’eau est maintenu constant et le volume d’eau nécessaire pour le maintenir est mesuré.

Ces mesures permettent ensuite d’estimer la capacité d’infiltration du sol.

Essai à double anneau

L’essai à double anneau permet de mesurer la vitesse d’infiltration verticale du sol en limitant les écoulements latéraux.

Il repose sur deux anneaux concentriques enfoncés dans le sol et remplis d’eau. L’anneau extérieur limite les écoulements latéraux autour de l’anneau intérieur, dans lequel on suit l’évolution du niveau d’eau ou le volume infiltré au cours du temps.

Ces mesures permettent ensuite d’estimer la capacité d’infiltration du sol.

Traçages hydrogéologiques : suivre les circulations d’eau

Les traçages hydrogéologiques permettent de suivre les écoulements souterrains et d’identifier les connexions hydrauliques entre différents points d’un aquifère.

Ils peuvent notamment servir à déterminer le trajet de l’eau, sa vitesse de circulation et les temps de transfert, ou encore à vérifier si deux zones sont hydrauliquement connectées.

Ces informations sont particulièrement utiles pour comprendre le fonctionnement d’un aquifère, protéger des captages ou étudier le transfert éventuel de polluants.

Traçage colorimétrique

Le traçage colorimétrique permet de suivre les écoulements souterrains et d’identifier les connexions hydrauliques entre différents points d’un aquifère.

Un traceur fluorescent, comme la fluorescéine ou la rhodamine, est injecté en un point puis recherché en aval à l’aide de prélèvements ou de capteurs.

Le suivi de son apparition et de sa concentration permet notamment d’estimer les temps de transfert et de mieux comprendre les directions d’écoulement de l’eau souterraine.

Traçage avec sel ou isotope

Le traçage salin ou isotopique permet de suivre les écoulements souterrains, d’identifier les connexions hydrauliques et d’estimer les temps de transfert de l’eau.

Dans le cas d’un traçage salin, une solution contenant du sel est injectée puis suivie en aval, généralement grâce aux variations de conductivité ou de concentration.

Les traceurs isotopiques permettent également de suivre l’origine et le déplacement de l’eau à partir de sa signature isotopique, naturelle ou introduite selon la méthode utilisée.

L’analyse des résultats permet ensuite de mieux comprendre les connexions entre les différents réservoirs et la dynamique des écoulements souterrains.

Traçage biologique

Le traçage biologique peut être utilisé pour suivre les écoulements souterrains et identifier des connexions hydrauliques, notamment dans certains milieux karstiques.

Il repose sur l’utilisation de traceurs biologiques, comme certaines spores ou bactéries, dont on surveille la réapparition en aval après leur introduction.

Leur détection permet de mettre en évidence des chemins préférentiels d’écoulement et d’estimer les temps de transfert entre les différents points suivis.

Investigations complémentaires

Ces investigations viennent compléter les essais hydrauliques en apportant des informations supplémentaires sur la structure du sous-sol, l’état des ouvrages ou le fonctionnement local des nappes.

Elles peuvent notamment servir à repérer des anomalies, à mieux implanter les ouvrages ou à diagnostiquer un problème sur un forage.

Inspection par caméra de forage

L’inspection caméra permet de contrôler l’état intérieur d’un forage et d’identifier d’éventuelles anomalies comme des fissures, des dépôts, un colmatage ou une dégradation de l’équipement.

Une caméra est descendue dans l’ouvrage afin d’observer directement les parois et les équipements. Les images permettent ensuite de localiser les défauts et d’orienter les opérations de maintenance ou de réhabilitation.

La Géophysique

La géophysique permet d’explorer la structure du sous-sol sans réaliser de forage. On peut presque la voir comme une échographie du sous-sol.

Elle peut notamment aider à repérer des variations de terrain, identifier des structures géologiques ou mettre en évidence certaines zones susceptibles d’être liées à la présence d’eau.

Elle repose sur différentes méthodes comme la résistivité électrique, la sismique ou encore l’électromagnétisme, qui permettent de cartographier les contrastes du sous-sol et d’orienter les investigations hydrogéologiques.

Pour conclure

Et voilà, vous avez maintenant une vision globale des principaux essais et investigations utilisés en hydrogéologie.

Chacun répond à un besoin précis et doit être choisi en fonction du contexte, des objectifs du projet et des caractéristiques du terrain.

L’idée n’est donc pas de multiplier les essais, mais de sélectionner ceux qui vont réellement apporter une information utile pour comprendre le fonctionnement du sous-sol et des nappes.