Caractéristiques hydrogéologiques des aquifères 

Rappels de base

Caractéristiques géométriques
Dans le dictionnaire français de l’hydrologie, Margat définit un aquifère comme un « corps (couche, massif) de roches perméables à l’eau, à substrat et parfois à couverture de roches moins perméables, comportant une zone saturée et conduisant suffisamment l’eau pour permettre l’écoulement significatif d’une nappe souterraine et le captage de quantités d’eau appréciables. L’aquifère est l’ensemble du milieu solide (contenant) et de l’eau contenue. En fonction de son taux de remplissage un aquifère peut comporter une zone non saturée. » (http://www.cig.ensmp.fr/~hubert/glu/FRDIC/DICAQUIF.HTM). Par opposition, un aquiclude (ou aquitard) est un milieu saturé en eau peu ou pas perméable et dont on ne peut extraire économiquement des quantités d’eau appréciables.

Les aquifères peuvent être classés en fonction de :
➤ Leur géologie  . On distingue alors :

♦ les aquifères continus formés par un milieu poreux et ayant un volume élémentaire représentatif (VER) relativement petit (d’ordre métrique) ;
♦ les aquifères discontinus formés soit par un milieu fissuré, soit par un réseau de cavité et conduit karstiques. Dans le cas d’aquifère discontinu fissuré, le VER est d’ordre décamétrique à hectométrique, voire plus grand. Dans le cas d’aquifère karstique, il est impossible de définir un VER.

➤ Leurs conditions hydrodynamiques (Figure 1-2). On distingue alors :
♦ les aquifères libres qui comprennent une zone non saturée située au-dessus d’une zone saturée ;
♦ les aquifères captifs qui sont surmontés par une formation peu ou pas perméable et qui ont une charge hydraulique supérieure à la cote du toit de la nappe.

En saturant l’échantillon sous vide, il possible d’accéder à sa porosité en faisant une mesure de teneur en eau comme décrit précédemment. Cependant, la porosité ainsi estimée sera la porosité des vides connectés entre eux. Pour atteindre la porosité de tous les vides, même non connectés, il faut broyer l’échantillon.

La surface spécifique peut être mesurée par la méthode BET (du nom de ses auteurs Brunauer, Emmet, Teller ; Brunauer et al., 1938). Le principe de la méthode repose sur le fait que la condensation de l’azote gazeux (après refroidissement) provoque l’adsorption de quelques molécules d’azote autour de la surface du matériel, modifiant ainsi le volume et la pression de l’azote gazeux.

La perméabilité K d’un échantillon peut se mesurer avec un perméamètre. Il existe deux types de perméamètre : les perméamètres à charge constante pour mesurer des perméabilités supérieures à 10⁻⁵ m/s et les perméamètres à charge variable  pour les perméabilités inférieures à 10⁻⁵ m/s. En général, les mesures de perméabilités effectuées en laboratoire sont assez différentes des valeurs obtenues in situ, car la perméabilité est tellement variable dans l’espace, que la mesure sur échantillon n’est pas représentative.

Essai de pompage
Un essai de pompage consiste à suivre le rabattement pendant et après un pompage afin d’évaluer les paramètres de l’aquifère . Le rabattement est mesuré dans le puits de pompage et si possible dans un ou plusieurs piézomètres à proximité  . Le débit pompé est contrôlé pendant toute la durée de l’essai.

La solution de Theis n’est valide que si les conditions suivantes sont respectées :
– le milieu poreux est homogène, isotrope et infini ;
– la transmissivité est constante, c’est-à-dire que soit la nappe est captive à épaisseur constante, soit la nappe libre est peu rabattue (rabattement / charge initiale < 25%) ;
– le puits capte toute la hauteur de l’aquifère et a un diamètre négligeable ;
– le débit est constant ;
– il n’y a aucun écoulement transitoire initial.

Si une ou plusieurs de ces conditions ne sont pas remplies des corrections peuvent être apportées. Le principe de superposition et la méthode des images permettent de prendre en compte les limites de l’aquifère (alimentée ou étanche), et les variations de débit. Lorsque le puits n’a pas un diamètre négligeable, on commence par vider le puits avant de mobiliser l’eau de la formation. On observe alors un effet de retard des rabattements en début de pompage. Cet effet s’appelle « effet de capacité ». La solution de Papadopoulos et Cooper (1967) permet de le prendre en compte. Neuman (1975) propose une solution prenant en compte le retard dans le drainage gravitaire de la zone non saturée dans le cas d’un aquifère libre. Cette solution permet aussi de corriger les effets liés à un puits incomplet (c’est-à-dire qui ne capte pas l’ensemble de la nappe), ou à un aquifère avec une anisotropie verticale-horizontale. Les différents logiciels d’interprétation d’essais de pompage (par exemple le logiciel WinIsape développé par le BRGM ou le logiciel AquiTest) permettent de faire toutes ces corrections le cas échéant.