DEUXIÈME PARTIE HYDROLOGIE SPÉCIALE

-^MÈTHODE GÉOLOGIQUE ET COURBES DE NIVEAUX PIÉZ0MÈTRIQUE8. — JALONNEMENTS DES EFFON- DREMENTS.

Nous avons vu au chapitre précédent Fimportance qu'il y a de connaître le gisement géologique qui doit fournir de leau. Suivant sa nature, son épaisseur, etc., les quantités d'eau obtenues ou qu'on peut obtenir varient énormément. D'un autre côté, quand on veut prendre une source il est utile de savoir d'où elle vient, de façon à se préserver des contaminations voisines, voire même pour prendre les mesures nécessaires afin de capter l'eau la plus pure ou la moins minéralisée d'une source s'alimentant àplusieui^ nappes.

il est alors indispensable de déterminer le périmètre d'alimentation des eaux qu'on veut capter.

Nous commencerons par les terrains perméables en petit dans lesquels on peut assimiler le niveau d'eau à une nappe unique.

Les quelques notions de géologie et les exemples de niveau d'eau donnés au chapitre VU (1'*^ partie) suffisent pour permettre de comprendre et même d'apprendre à estimer tout au moins l'étendue du gisement sur lequel

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repose le périmètre d'alimentation d'une source. En cherchant à évaluer ce dernier on ne doit pas perdre de vue la diversité de la circulation souterraine et passer en revue toutes les hypothèses possibles. C'est pourquoi nous n'avons cessé d'insister sur l'influence des failles ou des éboulis qui peuvent faire descendre les eaux d'un terrain dans un autre, ou encore les faire remonter, tous événements géologiques qui ont ici une grande importance.

On trouvera un bel exemple de la détermination d'un périmètre d'alimentation par la méthode géologique dans le travail de M. Schardt sur l'origine des sources vauclusiennes delaDoux et delà Noiraigue (1).

TerraÎDS perméables en petit — La quantité d'eau qu'une source ou un puits peut donner dépend beaucoup de l'étendue du bassin d'alimentation.

L'examen géologique d'une région permet de déterminer dans un certain nombre de cas, comme nous l'avons vu, le périmètre d'alimentation d'une couche sableuse reposant sur une couche imperméable. Toute la partie bordée par l'affleurement de la couche imperméable représente rétendue du périmètre d'alimentation des sources qui viennent y prendre naissance.

Si on ne veut pas épuiser les réserves aquifères des différentes couches, les puits qu'on sera amené à y creuser ne pourront guère être capables de fournir, d'une façon continue, que la quantité d'eau maxima tombée dans une année sur tout le périmètre d'alimentation. L'examen géologique répondra déjà à une première question, celle de savoir quelle quantité maxima d'eau on peut espérer retirer d'une couche sableuse déterminée.

La figure 45 représente un mamelon de sables de Fontainebleau reposant sur l'argile verte (cet exemple est tiré de la carte géologique, feuille de Paris). C'est sur cette butte de sable que se trouve installée la ville

(1) M. Schardt, Bulletin Société belge de géologie, 1905, p. 554 à 669, M

de Dammartin. La surface totale de cet affleurement de sables de Fontainebleau étant de 270 hectares, en admettant les chiffres de l'abbé Paramelle, cette formation est capable de donner au maximum 4 litres d'eau à la seconde et par an.

Le périmètre des fontaines qui sont à la base de ce mamelon est ici très bien délimité.

Le problème est plus délicat quand le mamelon augmente d'étendue. Dans ce cas, toutes les eaux généralement ne se dirigent pas vçrs le même versant. Elles se répartissent de chaque côté du mamelon et la position

SaMmartm

verte sables de FonfcLineèltfau

Fig. -45. — Bulte de sable de Fontainebleau, reposant sur un sol imperméable.

de la ligne de faîte, définie dans la première partie, dépendra beaucoup, comme M. Pouchet l'a montré, de l'inclinaison de la couche imperméable.

Comme le but qu'on se propose, avons-nous vu, quand on veut s'alimenter en eau, est de ne pas tarir la réserve d*eau sur laquelle on peut compter, et comme dans les nappes à deux versants, une partie seulement des eaux de l'ensemble de l'affleurement se dirige vers les points où on désire faire une prise d'eau, la quantité maxima sur laquelle on peut compter devra être calculée, par prudence, en ne tenant compte que de la limite du périmètre d'alimentation occupant le versant envisagé.

La véritable méthode, pour déterminer le périmètre d'alimentation d'un vereant et la circulation de l'eau dans

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les sables a été indiquée et surtout employée par d'Andrimont.

Supposons en effet (fig. 46) une vallée qui reçoit, de chaque côté, des eaux souterraines. Pour déterminer la surface de la nappe dans ces terrains, il suffit de construire les puits 1, 2, 3, 4, 5, etc. jusqu'au moment où on trouve de l'eau.

En réunissant ces hauteurs d'eau par une ligne hypothétique, on a l'allure de la nappe. D'autre part, sur un

Fig. 46. — Détermination, d'après d'Andriraont, de la circulation souterraine à diflférentes profondeurs.

vaste périmètre si on réunit tous les puits ayant même niveau par une ligne, on obtient une courbe de niveaux piézométriques. Si au lieu de s'arrêter en 1,2, 3, etc., on continue ces puits jusqu'à une surface /*' et que par un moyen quelconque que nous apprendrons à connaître, chaque puits ait ses parois imperméables jusqu'au niveau de h', l'eau occupera dans chacun des puits les positions 1' 2' 3' 4' 5', etc.

Si à une distance h^ la nappe est stagnante, en descendant les puits jusqu'au niveau h^ on trouvera un autre niveau, cette fois horizontal, parce que nous avons vu précédemment qu'un tel niveau n'admet aucun mouvement. Enfin l'horizontale peut se changer en une ligne inclinée en sens inverse des paraboloïdes, s, s', etc., de

telle sorte que les eaux qu'on pourra prendre à cette profondeur viendront non plus de la partie droite de notre figure, mais de la partie gauche, l'écoulement ne pouvant jamais se faire que d'un point haut vers un point bas.

C'est de cette façon que d'Andrimont a pu montrer que dans les dunes il y avait à la partie supérieure une certaine circulation d'eau, et à la partie inférieure une circulation contraire.

Quand à la base d'un massif se trouve une eau ayant

Fig. 47. — Circulation générale sous un affleurement géologique de vaste étendue.

un mouvement inverse de celui de la surface, le périmètre d'alimentation de ce massif est beaucoup plus étendu que celui auquel on se serait attendu en tenant compte seulement de la surface de l'eau dans les puits peu profonds.

Ce cas se retrouve surtout quand on a affaire à de vastes versants comme celui représenté sur la figure 47. Chacune des crêtes A, B, C de ces périmètres forme la limite du partage des eaux superficielles de chaque versant, mais en profondeur la circulation est souvent différente.

La détermination d'un périmètre d'alimentation sur un terrain sablonneux d'une certaine étendue est un problème relativement difficile et coûteux, si le gisement est puissant.

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Toutefois dans les sables, les limons, les graviers, les forages sont relativement peu coûteux. Quand on connaît l'inclinaison de la couche imperméable, il suffît de creuser trois forages alignés parallèlement à cette direction et de mesurer le niveau de l'eau quand ces forages arrivent à différentes hauteurs. En réunissant chaque fois, pour les forages de même profondeur, le niveau d'eau par une ligne, on peut dresser des courbes s, s', — s^, comme il est indiqué à la figure 46.

Supposons que le massif B (lig. 47) reçoive de l'eau enant en profondeur du massif A. Si, pour ce dernijer, on connaît le débit des sources qui y prennent naissance, dans le cas où ce débit est bien inférieur au débit calculé d'après la hauteur d'eau tombée, et le coefficient de 1 /4 ou de 4/5 de profit pour les nappes, on peut se rendre compte du volume perdu par le massif A qui passe sous le massif B. Ce débit est à ajouter à celui calculé pour le massif B seul, de façon à estimer le débit probable. Au point de vue de l'évaluation de la source S de la quantité d'eau disponible, la détermination du périmètre d'alimentation est donc essentiellement utile.

Nous trouverons, dans la détermination du périmètre dans les terrains fissurés, des moyens d'investigation qui peuvent également rendre service dans les terrains perméables en petit.

Jusqu'à présent nous n'avons envisagé qu'un terrain bien homogène ; c'est pour ainsi dire l'exception. Les sables, avons-nous vu, présentent par places des parties argileuses qui les rendent peu perméables. Pour les sables de Cuise, de l'éocène inférieur, nous avons cité l'exemple d'irreville (4). Or l'étude des courbes des niveaux piézométriques sera très utile dans ce cas.

(1) « Avec M. Guillerd, nous avons pu nous rendre compte de ces diflFérences dans la circulation des sables au moyen de pompages. A Irreville, on avait constaté qu'après les pluies le niveau de certains puits augmentait très sensiblement de hauteur. Ce fait tenait à l'arrivée, en assez grande pro-

Supposons qu'ayant un grand nombre de puits creusés dans un massif déterminé, on puisse réunir entre eux ceux dont le niveau de Teau est à la même altitude. La figure 48 représente le résultat de cette opération.

Suivant AB la nappe s'abaisse plus rapidement. Si on

Fig. 48. — Courbes de niveaux piézométriques.

fait des coupes verticales passant par AR et AC, on trouve les formes indiquées sur la figure 49. Dans la

portion, d'eau filtrant à travers |la maçonnerie non étanche des puits. Dans d'autres, le niveau variait très peu. Des expériences de pompage dans Tintérieur des puits de chacune de ces catégories ont démontré que tous les puits dont le niveau montait très sensiblement après les pluies étaient ceux qui s'asséchaient le plus vite et qui, une fois l'épuisement arrêté, se remplissaient Iç plus lentement. Au contraire, ceux qui s'épuisaient lentement, se remplissaient très vite; après les pluies, ces derniers ne variaient pas de niveau. Les puits qui, par épuisement, donnaient le plus d'eau, étaient groupés autour d'une zone facile à limiter. Ayant eu l'occasion de proposer un forage donnant beaucoup d'eau, nous avons indiqué son emplacement dans la zone que nous avions ainsi trouvée et nous avons pu constater, en effet, que ce forage une fois terminé donnait une 'grande quantité d'eau. Nous aurons l'occasion de revenir plus lard sur ce cas.

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coupe AC, rabaissement du niveau de Teau est moins rapide et il est facile de voir que tout se passe comme si, suivant AC, il y avait un obstacle à Fécoulement.

L'écoulement suivant AB est donc le plus facile, c'est celui qui rencontre le moins d'obstacle. Le périmètre d'alimentation des puits creusés vers B comprend une partie de l'espace situé au sud delà ligne CA, prolongée à gauche de la figure parce que, suivant cette ligne CA, il y a également un écoulement.

Coupes perpendiculaires suivant AB et AC.

Pour avoir un puits donnant une grande quantité d'eau dans ces terrains sableux, il faut se placer dans les environs de la ligne AB, principalement en son centre. Nous aurons l'occasion de revenir sur ce sujet par la suite.

Terrains perméables en grand. — La non homogénéité qu'on trouve déjà dans les sables se retrouve plus, accentuée encore dans les terrains fissurés. La détermination du périmètre au moyen de la géologie est loin d'indiquer la quantité d'eau dont on pourra disposer, car, malgré que l'on. ait démontré qu'il y a anastomose des différents canaux qui alimentent les sources, il y a lieu de compter avec le débit de ces fissures.

Ainsi, en pompant dans les puits d'un terrain fissuré, on arrive quelquefois à le tarir complètement en quelques minutes. Le pompage terminé, il faudra attendre un certain temps pour que le niveau revienne à son point initial. Au contraire, on n'arrive pas à tarir certains puits, même très voisins des précédents, parce que la diaclase qui les alimenta donne un débit suffîsant.

La géologie indique le gisement géologique où on trouve l'eau, son étendue et sa puissance. Elle prévoit la couche imperméable sur laquelle repose le terrain perméable aquifère ainsi que son affleurement. Ce sont les seules limites qu'elle peut déterminer, elles sont trop vastes quand il s'agit d'un gisement géologique puissant comme la craie.

Dans les terrains fissurés, le périmètre d'alimentation d'une source n'est pas toujours situé au voisinage de l'émergence. C'est quelquefois une vaste région, située à plusieurs kilomètres en amont, qui est drainée, en un certain point, par une longue et importante diaclase conduisant les eaux à la source sans, pour ainsi dire, recevoir d'autres eaux sur son long parcours. Ce dispositif ne peut être prévu par la géologie.

Les courbes de niveaux piézométriques n'indiquent que le sens général de l'écoulement des eaux souterraines. Les puits ne sont pas assez nombreux, et les forages trop chers, pour dresser de telles courbes permettant de saisir les particularités si nombreuses de l'écoulement des eaux de ces terrains.

Les puits n'intéressent que la nappe phréatique, tandis qu'il faudrait pouvoir, comme dans la figure 47, connaître également la circulation en profondeur, souvent différente de celle de la surface. De ce que la géologie et les courbes de niveaux piézométriques sont insuffisantes pour déterminer un périmètre d'alimentation, ceci ne veut pas dire que ces méthodes ne sont pas nécessaires.

Chercher à déterminer le périmètre d'alimentation au

124 HYDROLOGIE SPÉCIALE.

moyen de la géologie et au moyen des surfaces de niveaux piézométriques est une opération préliminaire primordiale qu'on ne saurait trop conseiller, à la condition cependant de ne pas donner à ces déterminations des conclusions exagérées qu'elles n'ont pas.

Le besoin s'impose ensuite de les compléter par les méthodes scientifiques dont nous allons parler.

Jalonnements des effondrements. — Nous avons parlé précédemment des gouffres et effondrements qu'on rencontre dans les terrains calcaires. Les cavernes ayant été creusées sous Faction d'un courant souterrain, les effondrements qui en résultent permettent de prévoir qu'il y a en ces points une importante diaclase.

Comme ces effondrements sont souvent très nombreux et s'échelonnent les uns les autres, on peut espérer connaître le périmètre d'alimentation de ce courant en remontant vers l'amont leur ligne de jalonnement.

Malheureusement, ces effondrements sont souvent placés sans ordre bien apparent, comme on peut s'en rendre compte aux sources de l'Avre (Voy. carte, p. 142); il y a donc impossibilité de suivre pratiquement une fissure par ce moyen, et on n'est pas toujours assuré de rencontrer un courant souterrain sous un effondrement.

Par suite des changements qui se produisent dans l'hydrologie souterraine, dont nous avons déjà parlé plus haut, une caverne a pu être en effet abandonnée par les eaux, et son toit ne s'effondrer que beaucoup plus tard.

Toutefois on connaît des exemples de tels courants rencontrés sous des effondrements ; nous citerons en Normandie le courant trouvé par M. Ferray dans la forêt d'Évreux près de Gaudreville. Nous rappellerons qu'il y a des courants non sillonnés d'effondrements, comme celui de la caverne de Trépail (Marne). Cette méthode ne peut servir que là où les effondrements sont peu nombreux et placés les uns à la suite des autres, c'est-à-dire dans des cas exceptionnels.

D'après l'abbé Paramelle, le jalonnement des efifondrements suivrait les directions des vallées, d'où la possibilité de trouver de Feau dans toutes les vallées, le courant souterrain suivant une vallée parallèle au courant superficiel. Cette opinion est très souvent exagérée.

— EMPLOI DES MATIÈRES SOLUBLES ET EN SUS- PENSION. — RÉSULTATS HYDROLOÛIQUES.

Expériences par les matières solubles. — La circulation des eaux dans le sous-sol peut être étudiée en incorporant, en un point d'un périmètre, une certaine quantité d'une substance soluble, facilement discernable et dosable au besoin. En s'unissant à l'eau, les substances incorporées individualisent les molécules, et, si ces dernières reparaissent à une ou plusieurs sources, le corps soluble employé y ressortira également. Entre le point où l'expérience est tentée et les sources intéressées, on peut trouver des puits qui reçoivent la substance employée, indiquant ainsi qu'ils sont, sinon sur la direction totale du courant, tout au moins sur une direction partielle.

L'importance de ces expériences est double : non seulement elles permettent de se rendre compte de la direction d'un courant comme nous le verrons, d'en soupçonner l'existence en certains points, ce qui est utile pour creuser d'autres puits, c'est-à-dire pour avoir de l'eau, mais encore elles ont pour but de faire connaître la qualité des eaux qu'on a à sa disposition. Dans la pratique agricole, on peut avoir à faire souvent des expériences de ce genre, et comme nulle part, si ce n'est en partie dans le gros volume de MM. Debauve et Imbeaux sur les distributions

426 HYDROLOGIE SPÉCIALE.

d'eau, on n'en trouve les détaib, nous traiterons cette partie d'une façon assez détaillée.

Prenons le schéma d'une circulation souterraine dans un massif fissuré (fig. 50) (1). Deux sources S et S' reçoivent des eaux par les diaclases que nous avons figurées en traits interrompus. En A la diaclase alimentant la source S est supposée percée par un bétoire la faisant communiquer avec la diaclase alimentant S'. Nous voulons connaître le chemin parcouru par une molécule d'eau s'infiltrant dans le sol au point B. Cette molécule

\lotnt \absorbant

Fig. 50. — Schéma d'une cii-culation souterraine dans les terrains perméables en grand.

doit être reconnue pendant son parcours, tout au moins à sa sortie du sol.

On doit donc la différencier soit en la combinant avec une substance facile à déceler, soit en l'associant à certains corps très légers et très fins qui peuvent passer, comme elle, à travers les très fines fissures du sol.

(1) M. FouRNiER a montré qu'un même canal souterrain pouvait alimenter deux sources situées dans deux bassins hydrographiques différents :

Ainsi, l'entonnoir de Nancray communique d'une part avec la source d'Arcier, d'autre part avec celle de Grand- Vaire, sur la rive gauche du Doubs.

Celui de Creux -sous-Roche communique d'une part avec la source d'Arcier au nord et avec la source du Maine, dans la vallée de la Loue, au sud. C'est le dispositif que représente la figure 50.

Dans la pratique on préfère souvent employer les substances dissoutes parce qu'on n'est jamais certain du degré de finesse des fissures du sol.

La substance employée à Fétat de dissolution doit satisfaire à un certain nombre de conditions.

La première est d'être très facilement soluble dans l'eau ;

La deuxième est de ne pas s'altérer dans le parcours souterrain ;

La troisième est d'être facilement décelable ;

La quatrième est d'être peu coûteuse ;

La cinquième est d'être inoffensive aux organismes qui peuvent l'absorber.

Ces multiples conditions éliminent tous les composés colorés sauf la fuchsine acide et la fluorescéine.

Parmi les corps minéraux solubles c'est le sel marin ou le chlorure de calcium qui sont le plus employés.

Quelle que soit la substance employée, la méthode générale suivante préside à toutes ces expériences d'hydrologie souterraine.

La substance est versée en B avec une quantité d'eau suffisante pour la faire parvenir à la diaclase qui l'acheminera vers les sources. De la quantité d'eau dont on dispose en B dépend souvent la réussite de l'expérience. On l'évalue très arbitrairement ainsi : si en B se trouve un puits dans lequel on verse l'eau renfermant en dissolution la substance qui sert à la différencier, la quantité minima d'eau à employer est représentée par une colonne d'eau ayant comme diamètre celui du puits et conlme hauteur la profondeur de la nappe comptée à partir du sol. C'est un desiderata qu'on doit s'efforcer d'atteindre. Dans les figures 51 et 52, on voit que pour chasser l'eau en question dans le courant souterrain il faut déplacer toute l'eau qui se trouve dans le puits entre le niveau AB et la diaclase. Plus la diaclase est profonde ou plus la diaclase est éloignée, plus il faudra d'eau.

HYDROLOGIE SPÉCIALE.

Ces expériences demandent donc une certaine quantité d'eau pour être effectuées, elles échouent quelquefois

JouZerraUn Fig. 51. — AlimenUlion d'un puits en terrain fissuré (!•' exemple).

parce que cette condition n'est pas toujours réalisée. Dans notre schéma de la figure 50, le bétoire A est

capable d'absorber un certain volume d'eau. Si le bétoire souterrain A est capable d'absorber, au moment de l'expérience, plus que le débit du courant souterrain et de l'eau engouffrée en B, la source S' seule recevra la substance employée.

Qu'il arrive une saison humide, le débit des diaclases augmentera, Teau absorbée en A sera

inférieure au débit de la diaclase, et une partie des eaux

ira en S.

coupe du

Coiuanf

souterrain

Fig. 52. — h. Alimentation d'un puits en terrain fissuré (2* exemple).

Une expérience tentée à l'époque de sécheresse, mais en envoyant en B un volume d'eau suffisant, pourra nous montrer que S peut, à certains moments, recevoir des eaux de B.

Une grande quantité d'eau est encore nécessaire pour éviter une trop grande dilution de la substance employée.

Supposonspar exemple qu'on dispose en B d'un débit de 1 litre d'eau à la seconde pour chasser la substance dans la nappe jusqu'à sa rencontre avec un courant souterrain dont le débit est supposé égal à 4 000 litres à la seconde. Quand la substance arrivera dans la diaclase elle se diluera dans les proportions de 1 litre pour 1 000 litres, c'est-à-dire du 1/4000.

Mais si on peut disposer d'un débit de 40 litres, la dilution

ne sera que de rr^^j soit seulement de 4 p. 400. La proportion de substance augmentera dans le second cas plus que dans le premier, et la sensibilité de l'expérience sera augmentée.

Quand on dispose d'un débit peu important, il faut alors augmenter la dose de substance employée. Avant toute expérience, on fait quelques hypothèses pour évaluer les doses à employer.

Supposons que le point B soit sur un plateau. Sur la carte, on mesure la distance à vol d'oiseau de ce point à la vallée la plus proche, soit b, ainsi que les distances BS, BS', etc., c'est-à-dire aux différentes sources susceptibles de recevoir les eaux de cet endroit. Enfin on additionne tous les débits de ces sources.

Soit / la distance du point examiné à la source la plus lointaine (en centimètres), soit A le débit de toutes ces sources (en centimètres cubes), soit a le débit à la seconde de l'eau dont on dispose au point B (débit en centimètres cubes), l'expérience apprend que la quantité de substance à employer est déterminée par la for-

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mule suivante : A=KA/; A est évalué en gramme (1).

K étant un coefficient qui varie avec la substance