Utile à bien des égards, l’étude hydrogéologique joue un rôle central en permettant d’analyser les mouvements de l’eau à travers les différentes couches géologiques. Techniquement, elle aide à identifier les nappes phréatiques, évaluer leur qualité et leur disponibilité et anticiper les risques comme la pollution ou la surexploitation.
En parallèle et grâce à une combinaison de techniques spécifiques, il est possible de recueillir des données fiables sur le sous-sol. Le forage, la géophysique, les mesures piézométriques et la modélisation sont entre autres des méthodes permettant aux hydrogéologues de dresser un tableau précis des aquifères. Plus de détails dans ce guide sur ces outils et techniques les plus utilisés lors d’une étude hydrogéologique.
1. Forage et sondages hydrogéologiques
Le forage et le sondage hydrogéologiques constituent les premières étapes essentielles d’une étude hydrogéologique. Ces techniques permettent d’explorer les profondeurs du sous-sol, de prélever des échantillons et de recueillir des données précieuses sur la nature des terrains, la présence d’eau souterraine et ses caractéristiques.
Le forage géotechnique
Il consiste à percer le sol à différentes profondeurs pour obtenir des informations sur les couches géologiques et la nappe phréatique. Cette technique permet d’évaluer la composition du sol, sa capacité à stocker et transmettre l’eau, ainsi que sa structure interne.
Le forage utilise par ailleurs des équipements spécialisés comme des foreuses rotatives ou percussives, adaptées à divers types de terrains. En extrayant des échantillons précis, les experts peuvent analyser la porosité et la perméabilité des couches souterraines. Ces données sont davantage fondamentales pour évaluer la capacité du sol à supporter des constructions, mais elles sont également précieuses pour localiser la nappe phréatique et caractériser ses propriétés.
Les sondages hydrogéologiques
Ils servent à identifier la profondeur exacte de la nappe phréatique et à déterminer la perméabilité des différentes strates géologiques. Ces sondages permettent également de cartographier la répartition des eaux souterraines. Ils sont souvent combinés avec des tests de perméabilité comme les essais de pompage afin de mesurer la vitesse d’écoulement de l’eau dans le sol.
L’une des techniques de sondage les plus sollicitées est sans doute le carottage utilisé pour collecter des échantillons représentatifs des couches géologiques. Ce processus consiste à extraire des cylindres de sol ou de roche à différentes profondeurs, permettant une analyse détaillée de la structure et de la composition des strates géologiques. En laboratoire, les échantillons de sols sont analysés pour déterminer des paramètres comme :
- la porosité ;
- la texture ;
- la perméabilité ;
- la composition minéralogique ;
- la capacité du sol à retenir l’eau.
Ces informations sont essentielles pour comprendre le comportement des aquifères et prévoir d’éventuels risques de contamination ou de dégradation.
2. Mesure des niveaux piézométriques
La mesure des niveaux piézométriques consiste en une technique fondamentale pour suivre l’état des nappes phréatiques. Elle repose sur l’utilisation de piézomètres, qui sont des tubes ou des puits spécialement conçus pour accéder aux eaux souterraines et mesurer leur niveau. Les piézomètres sont installés à différentes profondeurs en fonction des objectifs de l’étude. Ils permettent d’obtenir des informations précises sur le niveau de la nappe et ses variations saisonnières ou dues à des activités humaines comme le pompage.
Bien évidemment, en enregistrant régulièrement les niveaux d’eau, il est possible de détecter des tendances à long terme, telles que le déclin d’une nappe ou sa recharge naturelle. Ces observations permettent d’anticiper les risques de pénurie ou d’inondation et de mettre en place des stratégies de gestion adaptées.
En complément, la mesure de la vitesse d’écoulement de l’eau dans les aquifères est réalisée à l’aide de piézomètres équipés de dispositifs de mesure du débit. Cette analyse est déterminante pour comprendre comment l’eau se déplace à travers les différentes couches géologiques. Elle permet également de modéliser le transport potentiel des contaminants et d’évaluer l’impact des prélèvements sur l’équilibre des nappes.
3. Les méthodes géophysiques (GPR, résistivité)
Les méthodes géophysiques offrent des outils non invasifs pour explorer le sous-sol et identifier la présence d’eau souterraine. Ces techniques sont utilisées dans diverses applications telles que :
- La recherche de nouvelles sources d’eau potable ;
- L’évaluation de la perméabilité du sol ;
- La détection de zones de contamination ou de fuites dans les aquifères.
Dans le lot des méthodes géophysiques, le radar de pénétration du sol (GPR) aide à cartographier les structures souterraines, identifier les zones saturées en eau et à délimiter les aquifères. Le GPR est particulièrement utile dans les terrains peu profonds et les environnements urbains où les méthodes de forage peuvent être limitées.
Quant à la méthode de résistivité électrique, elle repose sur la mesure de la résistance du sol au passage d’un courant électrique. Les matériaux saturés en eau ont généralement une faible résistivité, tandis que les roches sèches présentent une résistivité élevée. En plaçant des électrodes à la surface du sol et en injectant un courant électrique, il est possible de créer des profils de résistivité qui révèlent la présence d’eau souterraine et les caractéristiques des couches géologiques.
4. Modélisation hydrogéologique
Pour appréhender pleinement la complexité des écoulements souterrains et simuler leur évolution dans le temps, les hydrogéologues utilisent des modèles numériques. Ces modèles, à l’instar de MODFLOW, permettent de représenter les écoulements d’eau en fonction de divers paramètres :
- la géologie ;
- les niveaux piézométriques ;
- les taux de recharge et d’extraction.
Ces simulations offrent une vision dynamique des systèmes aquifères et aident à comprendre leur fonctionnement complexe. Entre autres, il faut préciser que les modèles numériques sont essentiels pour faire des prévisions et gérer durablement les ressources en eau. Par exemple, ils peuvent simuler l’impact d’une augmentation des prélèvements sur le niveau d’une nappe ou prédire la propagation d’un contaminant.
5. Cartographie hydrogéologique
La cartographie hydrogéologique représente la distribution spatiale de la surface piézométrique, c’est-à-dire la surface supérieure de la zone saturée en eau. Cette carte permet d’identifier les zones où la nappe est la plus proche de la surface et donc les zones où l’eau souterraine est la plus facilement accessible. Elle permet également de délimiter les différents aquifères et de déterminer leurs caractéristiques hydrodynamiques (épaisseur, perméabilité).
En complément de la carte des nappes phréatiques, les hydrogéologues réalisent des cartes géologiques qui représentent la distribution des différentes couches géologiques. Ces cartes permettent d’identifier les formations géologiques susceptibles de contenir de l’eau (aquifères) et celles qui jouent un rôle de confinement (aquicludes).
6. Télé-détection
La télé-détection est une méthode moderne et efficace pour l’étude hydrogéologique, permettant d’obtenir des informations sur les nappes phréatiques sans intervention directe sur le terrain. Elle repose sur l’utilisation de capteurs embarqués à bord de satellites ou de drones pour capturer des données sur de vastes zones géographiques. Ces capteurs mesurent différentes caractéristiques du sol, comme l’humidité, les variations de température ou les changements de relief, qui peuvent indiquer la présence et le comportement des eaux souterraines.
Les principales techniques de télé-détection incluent :
- L’imagerie satellitaire multispectrale : permet de détecter les variations d’humidité du sol, essentielles pour identifier les zones de recharge des nappes phréatiques.
- Le radar à synthèse d’ouverture (SAR) : utile pour surveiller les zones sujettes au retrait-gonflement des argiles ou à l’affaissement dû au pompage excessif.
À celles-ci s’ajoute l’utilisation de drones qui permet de collecter des données détaillées sur des sites difficiles d’accès ou nécessitant une couverture rapide après des événements comme des inondations ou des sécheresses.
7. Analyse et traitement des données
Les données recueillies via les forages, les piézomètres, les capteurs et les modèles numériques sont souvent nombreuses et hétérogènes. Le traitement statistique permet d’organiser, de résumer et d’analyser ces données afin d’en extraire des informations pertinentes.
Les méthodes statistiques utilisées en hydrogéologie sont variées et dépendent des objectifs de l’étude. On peut citer :
- La statistique descriptive : permet de calculer des indicateurs statistiques (moyenne, écart-type, etc.) pour caractériser les données et identifier les valeurs extrêmes.
- L’analyse de séries temporelles : permet d’étudier l’évolution des variables hydrologiques dans le temps (niveau des nappes, débits de rivières) et d’identifier des tendances ou des cycles.
- La corrélation : permet de mettre en évidence des relations entre différentes variables (par exemple, la relation entre les précipitations et le niveau de la nappe).
En complément, nous avons la régression quipermet de modéliser les relations entre des variables et de faire des prévisions.