Concepts hydrogéologiques abordés par la carte

La lecture et l'interprétation d'une carte hydrogéologique nécessite une bonne compréhension des définitions et des principes utilisés pour leur conception. Ce document reprend brièvement les notions de base de l'hydrogéologie. Son plan est le suivant :

1. Classification hydrogéologique des formations géologiques

2. Classification des nappes aquifères
   II.1 Classification selon des critères piézométriques Notions de piézométrie Nappe libre - nappe captive
   II.2 Classification selon des critères lithologiques
   II.3 Classification selon le contexte géologique et géomorphologique

3. Paramètres d'écoulement
   III.1 Le stockage de l'eau dans le sol
   III.2 L'écoulement de l'eau dans le sol

4. Paramètres de transport

5. Gestion quantitative des nappes aquifères
   V.1 Notions de bassins hydrographique et hydrogéologique
   V.2 Le cycle de l'eau
   V.3 Le bilan hydrogéologique
   V.4 La gestion des ressources en eau souterraine
   V.5 Modélisation mathématique

6. Gestion qualitative des nappes aquifères
   VI.1 Caractérisation hydrochimique des eaux souterraines
   VI.2 Contaminations diverses

7. Protection des captages
   VII.1 Législation en matière de forage et de prise d'eau souterraine
   VII.2 Captage par puits
   VII.3 Captage gravitaire
   VII.4 Zones de protection

8. Protection des nappes
   VIII.1 La problématique des nitrates
   VIII.2 Les zones de surveillance
   VIII.3 Les cartes de vulnérabilité




9. Hydrogéologie karstique



10. Références bibliographiques

I. CLASSIFICATION HYDROGEOLOGIQUE
DES FORMATIONS GEOLOGIQUES

La productivité en eau des formations géologiques est fortement conditionnée par la nature, la cohésion et la structure de la roche dans laquelle cette eau est stockée et circule. C'est pourquoi les formations géologiques sont subdivisées en unités hydrogéologiques, chacune étant caractérisée par un comportement hydrodynamique particulier.

Trois termes sont utilisés pour qualifier le caractère plus ou moins perméable des formations rocheuses :

• Le terme d'aquifère¹ désigne une formation suffisamment perméable et poreuse permettant d'exploiter des quantités appréciables d'eaux souterraines.
  L'aquifère contient une nappe d'eau souterraine (ou nappe aquifère), cette dernière étant constituée de l'eau qui circule dans l'aquifère. Les termes d'aquifère et de nappe ne sont donc pas synonymes : le premier désigne le contenant, le second le contenu;
• Le terme d'aquitard² définit une formation semi-perméable dans laquelle l'écoulement se fait à une vitesse plus réduite que dans un aquifère; son exploitation est possible mais de capacité limitée;
• Le terme d'aquiclude¹ correspond à une formation à caractère imperméable ; elle n'est économiquement pas exploitable.

Ces définitions restent assez subjectives et sont à utiliser avec précaution. En effet, une formation géologique pourra être considérée comme exploitable par un éleveur désirant abreuver son cheptel, mais ne le sera pas pour un producteur d'eau qui doit approvisionner une ville de plusieurs milliers d'habitants. De plus, le contexte géologique régional a tendance à faire modifier la classification. Par exemple, une formation de grès argileux aura tendance à être considérée comme aquifère dans une région telle que l'Ardenne où le substratum est peu perméable (shales) ou comme aquitard si elle est située dans une région telle que le Condroz à substratum très perméable (calcaire).

Ces trois termes restent néanmoins les références internationales pour la classification des potentialités aquifères d'une formation géologique³. Ils sont utilisés ici afin de renseigner, à une échelle régionale, sur le caractère globalement perméable, semi-perméable ou imperméable d'un ensemble de couches géologiques. Ils donnent une idée du potentiel économique que représentent les différentes unités hydrogéologiques en termes d'exploitation. Cette classification se base principalement sur la description lithologique des formations géologiques disponibles grâce aux cartes géologiques⁴.

¹ Glossaire International d’hydrogéologie. UNESCO-OMM. 1992
² Elservier’s Dictionary of Environmental Hydrogeology. Elsevier, 1990.
³ Une formation géologique est définie comme un ensemble de couches formant une unité lithologique pouvant être cartographiée à l’échelle de la carte (1/25000 en ce qui concerne les cartes géologiques de la Wallonie).
⁴ http://environnement.wallonie.be/cartosig/cartegeologique/

De manière générale, dans les roches meubles, c'est la granulométrie des particules constituant la roche qui va déterminer le caractère plus ou moins aquifère de cette dernière :

• un aquifère est constitué de particules de dimension supérieure à 1 mm (graviers, sables) ;
• l'aquiclude de particules de petite taille (argiles soit une granulométrie inférieure à 4 μm) ;
• l'aquitard de particules de taille intermédiaire entre les sables fin et les argiles.

Les roches cohérentes sont, en principe, imperméables. Néanmoins, la fissuration et l'altération peuvent contribuer à les rendre aquifères sauf les roches constituées de particules fines (shales) qui, par altération vont donner à nouveau des argiles ; ces dernières, par colmatage, empêcheront toute circulation d'eau.

Les aquifères peuvent être caractérisés plus objectivement à partir de trois paramètres dits "d'écoulement". Il s'agit de la porosité, du coefficient d'emmagasinement spécifique et de la conductivité hydraulique. Les deux premiers font référence à la capacité des roches à emmagasiner de l'eau et le dernier à la facilité de circulation de l'eau dans le sol. Ces notions sont explicitées ci-après.

II. CLASSIFICATION DES NAPPES AQUIFERES

La classification des nappes aquifères peut se faire selon différents critères :

• des critères piézométriques (niveau d'eau) ;
• des critères lithologiques ;
• des critères liés au contexte géologique et géomorphologique.

II.1 Classification selon des critères piézométriques

Notions de piézométrie

Dans un forage, l'altitude du niveau d'eau à l'équilibre et sans pompage dans le puits définit le niveau piézométrique de la nappe.
Si suffisamment de données piézométriques sont disponibles dans une région donnée, il sera possible de dresser des cartes piézométriques. Ces cartes (Figure 1) sont constituées de courbes isopièzes qui, de manière identique aux courbes de niveau topographiques, indiquent les points de même altitude du niveau libre de la nappe. Ces cartes permettent de définir le sens d'écoulement des eaux souterraines. Des anomalies peuvent mettre en évidence des hétérogénéités dans l'aquifère (changement de conductivité hydraulique liée à une faille, variation de la lithologie, changement de l'épaisseur de l'aquifère, sollicitation de la nappe par un puits ou par une galerie captante, ...).

Figure 1 : carte piézométrique de la nappe aquifère de Hesbaye

Carte hydrogéologique Waremme-Momalle, ULg.
La carte piézométrique permet de définir le sens d'écoulement de la nappe (flèche bleue) ;
sur cette carte, certaines anomalies sont liées à la présence d'une faille (région de Villers St Siméon),
d'une vallée sèche (Xhendremael) ou à l'exploitation de la nappe (gradient plus élevé observé au sud).

Le suivi régulier du niveau de la nappe dans un piézomètre de référence permet de mettre en évidence l'influence des conditions climatiques sur ses fluctuations saisonnières (figure 2). Certaines nappes réagissent très rapidement aux infiltrations faisant suite aux précipitations, d'autre peuvent mettre plusieurs mois avant d'atteindre leur équilibre.

La réponse d'une nappe par rapport à l'infiltration est un indicateur quant à la perméabilité et l'épaisseur des terrains non saturés surmontant l'aquifère. Elle est de l'ordre de la semaine pour certaines nappes des calcaires carbonifères du Condroz et peut atteindre plusieurs mois pour d'autres telles que la nappe des craies de Hesbaye (figure 2).

Figure 2 : évolution piézométrique de la nappe de Hesbaye au puits de Viemme D'après Hallet V., 1999. La nappe de Hesbaye présente des fluctuations piézométriques pluriannuelles avec une cyclicité de l'ordre d'une dizaine d'année. Le suivi piézométrique montre que si la nappe réagit rapidement à l'infiltration du mois d'octobre 1974, il lui faut jusqu'à 13 mois pour qu'elle atteigne son équilibre (novembre 1975).

Nappe libre - nappe captive

Les critères piézométriques sont utilisés pour différencier les nappes libres des nappes captives.

Dans une nappe libre, la surface piézométrique peut, en fonction des conditions climatiques et de la recharge de la nappe par les précipitations, fluctuer " librement " dans la formation aquifère considérée car celle-ci s'étend au-dessus de la surface piézométrique (figure 3).

Figure 3 : coupe hydrogéologique dans la région de Dinant

Carte hydrogéologique Hastière-Dinant
Le Condroz se caractérise par la présence de nappes libres logées au sein des aquifères des calcaires dinantiens
ou des grès famenniens. Le niveau piézométrique des nappes est souvent plus rabattu dans les calcaires que dans les grès,
ces derniers ayant une plus faible perméabilité.

Dans une nappe captive, la formation aquifère est surmontée d'une couche imperméable. Son niveau piézométrique s'équilibre systématiquement au-dessus du toit de la formation aquifère (figure 4).
Parfois, le niveau piézométrique est supérieur à la cote altimétrique du sol créant, si une connexion est établie (notamment par forage), un phénomène d'artésianisme.

Le terme de nappe semi-captive est utilisé lorsque l'aquifère est surmonté d'une couche de plus faible perméabilité ou semi-perméable.

Figure 4 : coupe hydrogéologique dans la région de Meix-devant-Virton

Carte hydrogéologique Meix-devant-Virton - Virton, ULg.
En Gaume, le substratum est constitué par des formations du Secondaire où alternent des dépôts de marnes (aquicludes) avec des
formations calcaires ou gréseuses (aquifères). Dans le sud-est de la coupe, l'aquifère de Florenville est " coincé "
entre les aquicludes de Jamoigne (en dessous) et d'Arlon (au dessus); le caractère captif est observé dès que le niveau piézomé

II.2 Classification selon des critères lithologiques

Outre la nature de la formation géologique (sable, grès, calcaire, ...), la cohérence de la roche permet de distinguer, les nappes suivantes :

• Nappes de porosité de pores : elles se trouvent dans les roches meubles (constituées de sables, de graviers, de galets,....). La nappe des sables bruxelliens et la nappe des graviers d'origine alluviale de la Meuse en sont deux exemples.

• Nappes de fissures : dans les formations cohérentes, les nappes sont localisées dans les zones perméables et poreuses qui n'existent que si les roches sont fissurées et altérées. Par exemple, la fissuration puis l'altération des grès en sables entraînent la formation de nappes de fissures au sein des formations gréseuses. Les fissures sont généralement liées à la présence de phénomènes tectoniques (failles ou plis).
  Les nappes des formations calcaires, du fait de la dissolution des carbonates provoquant l'apparition de phénomènes karstiques, constituent des aquifères à grand potentiel d'exploitation. Les nappes de ces aquifères sont soumis à de hauts risques de contamination en présence de connexions directes entre la nappe et la surface et au sein même de l'aquifère. Les eaux sont dés lors peu filtrées, ce qui nuit à leur qualité.

  La productivité d'un puits foré dans les aquifères de fissures peut être très variable suivant la densité de fissures recoupées. La présence d'une forte fissuration peut-être détectée par différentes méthodes : observations géomorphologiques, prospections géophysiques, ...

• Nappes de manteau d'altération : elles sont observées dans les formations cohérentes présentant une forte fissuration et altération. Elles sont souvent localisées sur les crêtes topographiques et présentent des capacités de production moyennes. Les nappes des grès famenniens du Condroz sont des exemples de nappes de manteau d'altération. En effet, outre la présence de plis ayant engendré une bonne fracturation des grès, ces derniers sont altérés en sables ce qui augmente la porosité et la perméabilité de ces formations.

II.3 Classification liée au contexte géologique et géomorphologique

Les nappes perchées sont généralement de faible extension et situées très au-dessus des nappes régionales profondes dont elles sont isolées par des formations imperméables (figure 5). Ce sont des nappes de faible capacité présentant de fortes variations saisonnières du niveau piézométrique.

Figure 5 : coupe hydrogéologique dans la région de Meix-devant-Virton

Carte hydrogéologique Meix-devant Virton - Virton., ULg.
Dans la région de Le Ma (flèche bleue), l'aquifère d'Aubange et Messancy, localisé au droit d'un sommet topographique
et limité en profondeur par l'aquiclude d'Ethe, constitue une nappe dite " perchée ".

Les nappes alluviales sont localisées dans des aquifères situés dans le fond des vallées. Ils sont constitués de sédiments déposés par les rivières (figure 6). Ces nappes ont des perméabilités et des porosités très variables en fonction de la granulométrie des alluvions; plus la granulométrie est grossière (sables, graviers, galets, ...) et bien classée, plus l'aquifère présente une bonne capacité d'exploitation. La différence de cote piézométrique entre le niveau de la rivière et celle de la nappe aquifère détermine les échanges de flux : la rivière est drainante lorsque son niveau est inférieur à celui de la nappe et infiltrante dans le cas contraire. Le caractère drainant ou infiltrant d'une rivière peut varier selon les conditions saisonnières.

Figure 6 : nappe alluviale de la Meuse à l'aval de Liège

D'après Haerens B., 1999.
La nappe alluviale est localisée dans les graviers.
Le canal Albert peut être considéré comme infiltrant, la Meuse comme drainante.
Dans cette région, la nappe alluviale est captive sous les dépôts de terre et de limon.

III. PARAMETRES D'ECOULEMENT

III.1 Le stockage de l'eau dans le sol

La capacité d'une formation géologique à contenir de l'eau dépend de sa porosité totale (P) définie par le rapport entre le volume des vides (Vv) et le volume total (Vt) soit P = .

Dans le sol et le sous-sol, les vides peuvent être totalement remplis d'eau (milieu saturé) ou partiellement (milieu non saturé). La teneur en eau est le rapport entre le volume d'eau et le volume du milieu considéré tandis que le degré de saturation est le rapport entre le volume d'eau et le volume des vides du milieu considéré.
La porosité efficace correspond au rapport du volume d'eau contenue dans un matériau pouvant être libérée sous l'effet de la gravité, au volume total du milieu qui la contient. L'eau restée piégée par adsorption dans le matériau est appelée l'eau de rétention et définit ainsi la capacité de rétention du matériau (figure 7).

Les trois facteurs principaux de la porosité efficace sont le diamètre des grains, l'arrangement et l'hétérogénéité de la taille des grains (figure 7). La surface spécifique des grains influence également la porosité efficace. C'est le cas pour les argiles qui, par leur surface spécifique plus grande, peuvent retenir plus d'eau par adsorption capillaire ; elles ont donc une faible porosité efficace mais une forte capacité de rétention.

Figure 7 : schématisation de l'influence de la taille et
de l'agencement de grains sur la porosité

Diagramme d'Eckis dans Landry B. et Mercier M., 1992

Il existe différents types de porosité :

• La porosité de pores.
  Ce terme désigne la porosité observée dans les roches meubles (graviers, sables, ...) ou dans les roches cohérentes fortement altérées (grès altérés en sable).

• La porosité de fissure.
  La porosité de fissure est liée à la présence de fractures dans les roches cohérentes. Les fissures sont des fentes allongées d'origine mécanique (tectonique) ou chimique (dissolution). Les microfissures (diaclases, joints de stratification, ...) ont une ouverture de quelques dixièmes de mm.
  Les macrofissures peuvent atteindre plusieurs mètres (ex : karstification des calcaires). Elles constituent des zones d'écoulement préférentiel pouvant avoir de fortes conséquences sur le mode et la direction d'écoulement des nappes et jouent un rôle majeur dans la potentialité des aquifères localisés dans des roches cohérentes.

• La porosité de manteau d'altération.
  Ce type de porosité s'observe dans les aquifères logés au sein de roches cohérentes fortement fissurées et altérées. Les formations gréseuses, localisées sur des sommets topographiques (Condroz, Ardenne, ...), présentent souvent une porosité de ce type.

• La double porosité.
  Au sein d'un massif rocheux hétérogène, une partie de l'eau peut s'écouler rapidement dans un milieu où les pores et les fissures sont fortement connectés. Inversement, l'eau peut se retrouver isolée dans des zones où l'écoulement est absent ou se fait plus difficilement (figure 8). L'eau circulant dans les zones à plus forte perméabilité sera considérée comme de l'eau mobile et l'eau localisée dans les zones de moindre perméabilité comme de l'eau immobile. Une " double porosité " est ainsi définie.  Les aquifères crayeux présentent clairement cette caractéristique : ils possèdent une porosité totale pouvant atteindre 45 % avec une porosité d'" eau mobile " de l'ordre de 5% et une porosité d'" eau immobile " de l'ordre de 10 % ; les 30 % restant constituent la porosité de la matrice crayeuse. Cette eau immobile peut influencer très fortement les phénomènes de transport de polluant.

  Figure 8 : schématisation du phénomène de double porosité en milieu fissuré
  
  Hallet V., FUNDP

Le coefficient d'emmagasinement est le rapport du volume d'eau libéré ou emmagasiné, par unité de surface de l'aquifère sous l'action d'une variation unitaire de charge hydraulique (somme de la hauteur de la surface piézométrique et de la charge hydrostatique en un point). Dans une nappe, le coefficient d'emmagasinement est utilisé pour caractériser plus précisément le volume d'eau exploitable, il conditionne l'emmagasinement de l'eau souterraine mobile dans les vides du réservoir.
Dans une nappe libre, le coefficient d'emmagasinement dépend principalement de la porosité efficace (phénomène de drainage gravitaire) ; dans une nappe captive il s'agit plutôt d'un processus d'expulsion d'eau liée à une variation de pression.

III.2 L'écoulement de l'eau dans le sol.

La conductivité hydraulique (ou coefficient de perméabilité) est la capacité d'un matériau à laisser passer l'eau et donc à permettre un écoulement ; cet écoulement nécessite une continuité entre les vides. La conductivité hydraulique définit l'effet de la résistance à l'écoulement dû aux forces de frottement. Ces dernières sont fonction des caractéristiques de la matrice solide et de la viscosité du fluide. La conductivité hydraulique est déterminée par expérimentation soit au laboratoire, soit directement sur le terrain par des essais de pompage réalisés dans des puits de production ou de piézomètres.

Par exemple, le débit s'écoulant au travers de la section d'une nappe aquifère comprise entre deux couches imperméables peut être estimé à partir de la loi de Darcy (figure 9) :

avec

Q : débit en m³/s ;
K : conductivité hydraulique (m/s) dépendant du matériau poreux ;
A : section considérée de l'aquifère (m²) avec
e : épaisseur de l'aquifère (m)
w : extension latérale de l'aquifère (m) ∆h : différence de hauteur d'eau entre l'amont et l'aval (m);
L : distance entre le point amont et le point aval (m).

Figure 9 : schématisation de l'écoulement dans une nappe captive

Hallet V., FUNDP

La conductivité hydraulique des roches meubles est fortement influencée par la granulométrie et l'hétérogénéité des particules (figure 10). Dans les roches cohérentes, quasi imperméables quelque soit leur nature, c'est le degré de fissuration et d'altération qui détermine la conductivité. Dans les calcaires, les processus de corrosion peuvent également favoriser l'écoulement jusqu'à générer la formation de karsts.

Figure 10 : valeurs de conductivité hydraulique (en m/s) pour diverses formations meubles

Remarquons que, même si la loi de Darcy est très souvent utilisée dans le domaine de l'hydrogéologie, elle ne s'applique qu'à des conditions assez restreintes : milieu homogène, écoulement laminaire, composante verticale de la vitesse négligeable, ...

IV. LES PARAMETRES DE TRANSPORT

La compréhension des processus de transport de polluant dans un aquifère est primordiale pour une bonne gestion qualitative des ressources en eau. Les principaux processus de transport de substances miscibles sont repris à la figure 11.

Figure 11 : schématisation des processus de transport
de substances dissoutes en milieu souterrain

D'après Biver P., 1993.

Les processus de transport d'une substance miscible en milieu souterrain sont :

• la convection : elle correspond à l'entraînement des particules par le fluide en mouvement ;
• la dispersion mécanique (figure 12) : elle est liée aux hétérogénéités des pores ou des fractures et donc des vitesses d'écoulement, au contournement des grains, ... Elle engendre l'étalement du polluant longitudinalement et transversalement par rapport à la direction d'écoulement créant ainsi un panache de polluant;
  

  Figure 12 : schématisation du processus de dispersion mécanique
  
  D'après Fetter C., 1999.

• la diffusion moléculaire est due à un processus d'homogénéisation des concentrations ;
• l'effet d'eau immobile résulte de la double porosité de l'aquifère : une partie de la substance est momentanément piégée dans les parties moins actives à l'écoulement puis, suite à l'inversion du gradient de concentration, restituée;
• l'adsorption - désorption est due au fait que certaines substances peuvent se fixer (adsorption), de manière irréversible ou non (désorption) sur la matrice solide (par exemple des cations, tel Ca⁺⁺, Na⁺, ... peuvent être adsorbés par des argiles de charges négatives) ;
• la dégradation est la transformation d'une substance chimique en une autre plus stable dans le milieu aquifère.

Les processus de transport de substances en milieu souterrain sont étudiés à partir d' " essais de traçage ". Un essai de traçage (figure 13) consiste à injecter un traceur en un point (puits, piézomètre, perte en milieu karstique, ...) et à mesurer en un point de captage ou d'émergence (source, galerie, résurgence, ...) l'évolution de la concentration de ce traceur au cours du temps.

Figure 13 : exemple de traçage (Bovenistier : aquifère des craies de Hesbaye)

D'après Hallet V., 1999

Une courbe de restitution (figure 14) est ainsi obtenue; son interprétation permet de comprendre les mécanismes et de définir les paramètres de transport d'une substance dans une nappe aquifère.

Figure 14 : Exemples de courbe de restitution

D'après Hallet V., 1999
La courbe de restitution présente l'évolution, en fonction du temps, du traceur à un point de
prélèvement. La première arrivée et le temps modal informe sur les processus de convection,
l'étalement de la courbe sur les processus de dispersion et la décroissance de la courbe sur
les effets de retard. La courbe supérieure est caractéristique d'un système où tous les
paramètres énumérés ci-dessus sont présents, la courbe inférieure est caractéristique d'un
système principalement convectif (pic étroit, décroissance rapide). Ces deux courbes
proviennent de traçages réalisés dans les craies de Hesbaye au droit d'un même site. Elles
illustrent la forte hétérogénéité du milieu souterrain, particulièrement en ce qui concerne les
roches cohérentes.

V. GESTION QUANTITATIVE DES NAPPES AQUIFERES

La gestion des nappes aquifères consiste à quantifier les flux d'eau qui transitent dans un espace délimité. L'espace considéré est soit le bassin versant (également appelé bassin hydrographique) soit le bassin hydrogéologique.

V.1 Notions de bassins hydrographique et hydrogéologique

Le bassin versant ou hydrographique est localisé par les lignes de crêtes topographiques qui délimitent les directions d'écoulement des eaux superficielles soit vers le bassin considéré soit vers son voisin.
Un bassin hydrogéologique est une partie d'un aquifère dans lequel les eaux souterraines s'écoulent vers un même exutoire ou groupe d'exutoires; il est délimité par les crêtes de partage des eaux souterraines qui, à l'encontre de celles des bassins hydrographiques peuvent être migrantes dans le temps en fonction des saisons ou des périodes de basses eaux ou de hautes eaux (Figure 15). Si le bassin hydrogéologique est indépendant de la topographie, il reste fortement influencé par le cadre géologique et structural d'une région.

Figure 15 : Distinction entre bassins hydrographique et hydrogéologique

D'après Hallet V., 1999
La limite hydrogéologique de la partie Sud de la nappe aquifère de Hesbaye est décalée de
l'ordre de 1 km vers le sud par rapport à la limite hydrographique. La position de la limite
hydrogéologique peut également varier dans le temps en fonction des conditions de hautes ou
de basses eaux.

V.2 Le cycle de l'eau

Le cycle de l'eau (figure 16) schématise les échanges de flux d'eau sous forme de vapeur, de liquide ou de neige à la surface des océans et des continents, mais également, pour ces derniers, dans le milieu souterrain. Le cycle de l'eau peut être quantifié à partir d'un bilan hydrogéologique.

Figure 16 : exemple du cycle de l'eau au droit de la nappe aquifère de Hesbaye

V.3 Le bilan hydrogéologique

Le calcul du bilan hydrogéologique nécessite la connaissance de nombreux paramètres météorologiques tels que les précipitations, les températures, les vitesses du vent, le degré d'humidité de l'air, le débit des rivières, ...

Pour l'hydrogéologue, les potentialités en eau d'une région peuvent être estimées à partir du calcul des précipitations efficaces (PE). Elles sont égales aux précipitations (P) moins l'évapotranspiration réelle (ETR).

PE = P - ETR

L'ETR est estimée en comparant les quantités de précipitation par rapport à l'évapotranspiration potentielle (ETP) et en tenant compte de la présence, dans le sol, d'une réserve d'eau utilisable par les plantes.
L'ETP est un des paramètres importants dans le calcul du bilan. C'est la quantité maximale d'eau évapotranspirée par une surface d'eau ou par la végétation lorsqu'il y a 100 % de disponibilité en eau. Dans la réalité, dans les régions chaudes ou en été dans nos régions, la disponibilité en eau est souvent trop faible par rapport à l'ETP : les plantes doivent alors puiser dans les réserves en eau du sol et l'évapotranspiration réelle (ETR) est alors plus faible que l'ETP. Pour le calcul de l'ETP, il existe de très nombreuses formules utilisant divers paramètres (température, vitesse du vent, insolation, ...).

Les précipitations efficaces représentent la quantité d'eau qui soit ruisselle à la surface du sol, soit s'infiltre pour recharger une partie du sol puis les nappes aquifères. Dans nos régions, les précipitations efficaces sont faibles sinon nulles entre les mois de mai et d'octobre. En conséquence, la recharge des nappes aquifères se fait uniquement en automne et en hiver (figure 17). C'est pourquoi, dans notre pays, ce sont les conditions météorologiques hivernales qui conditionnent la recharge des nappes et donc les ressources en eau souterraine.

Figure 17 : exemple de calcul des précipitations efficaces pour la nappe de Hesbaye
Année 1993 (année sèche)

D'après Hallet V., 1999

Si le calcul des pluies efficaces renseigne sur les potentialités de recharge (pour autant que le ruissellement ait été estimé), la bonne gestion d'une nappe passe par le calcul d'un bilan réalisé soit à l'échelle du bassin hydrographique soit à l'échelle du bassin hydrogéologique.

A l'échelle du bassin hydrographique, le bilan, qui tient compte des différents paramètres du cycle de l'eau, s'écrit :

avec :

P : précipitation (mm)
ETR : évapotranspiration réelle (mm)
Qriv : débit de la rivière (mm)
Qcapt : débit des captages (mm)

(eau exportée à l'extérieur du bassin)
D RES _nappe : variation des réserves de l'aquifère (mm)
D RFU: variation du stock d'humidité du sol
Fermeture  : si terme > 0  : paramètres du terme de droite sous-estimés
: pertes vers l'extérieur du bassin hydrographique si terme < 0  : paramètres du terme de droite surestimés
: apports de l'extérieur du bassin hydrographique

Le terme de fermeture est souvent utilisé pour quantifier les flux d'eau souterraine vers ou à partir de bassins hydrographiques voisins et donc de confirmer ou non l'unicité entre le bassin hydrographique et hydrogéologique.
Pour une bonne gestion des ressources, il faut éviter que, le terme de droite (sortie) ne devienne supérieur aux précipitations (entrée). L'exploitation d'une nappe aquifère modifie le bilan et aura des conséquences soit sur le débit des rivières soit sur les variations des réserves de la nappe. L'exploitation d'une nappe aquifère nécessite donc une gestion optimale en veillant à ce que le débit des rivières reste suffisant notamment durant l'étiage tout en évitant d'épuiser les réserves de la nappe.
Une surexploitation de nappe entraîne un rabattement du niveau piézométrique qui aura pour conséquence une diminution du débit des rivières (principalement à l'étiage et donc une diminution de la qualité des eaux de surface), un tarissement des puits et des sources, des effets de compaction de sol, ...

V.4. La gestion des ressources en eau souterraine

La Directive européenne 2000/60/CE, appelée "Directive Cadre sur l’eau" ⁵ impose aux Régions de mettre en place un réseau de surveillance et d'évaluer l'état quantitatif et qualitatif des masses d'eau souterraine. Dans ce contexte législatif, le calcul du bilan hydrogéologique est une nécessité. La collecte des données nécessaires au calcul du bilan hydrogéologique nécessite une approche interdisciplinaire.

Les données météorologiques.

Les donnés météorologiques sont principalement collectées par l'Institut Royal Météorologique (IRM)⁶ et par le Ministère de l'Equipement et des Transport (MET) et plus particulièrement le SETHY (Service d'Etudes Hydrologiques) de la Direction Générale des Voies Hydrauliques⁷. Les paramètres colletés varient selon les stations (figure18) : précipitations, températures, humidité de l'air, vitesse du vent, insolation, ...

Figure 18 : station météorologique de Rochefort

Photo V. Hallet, FUNDP.

⁵ http://environnement.wallonie.be/directive_eau/
⁶ http://www.kmi.be
⁷ http://voies-hydrauliques.wallonie.be

Le débit des cours d'eau

Les débits des rivières (figure 19) sont mesurés par le SETHY qui gère les cours d'eau navigables (mais dispose également de stations sur les cours d'eau non navigable) et par le Ministère de la Région Wallonne et plus particulièrement la Direction des cours d'eau non navigables⁸ de la Direction Générale des Ressources Naturelles et de l'Environnement (DGNRE).

Figure 19 : station limnigraphique du SETHY sur la Molignée

Photo G. Rochez, FUNDP.

Les débits captés

La Direction des eaux souterraines de la DGRNE possède une banque de donnée qui reprend l'ensemble des puits déclarés tant par les sociétés que par les particuliers⁹.
La législation impose à tout producteur d'eau de déclarer les volumes prélevés annuellement. Ces données sont centralisées à la Direction des eaux souterraines¹⁰ de la DGRNE.

⁸ http://mrw.wallonie.be/dgrne/aqualim
⁹ http://environnement.wallonie.be/cartosig/pg_menu/webgis_internet.asp
¹⁰ http://environnement.wallonie.be/

Les variations des réserves

A l'échelle d'un bassin versant, la surveillance d'une nappe et de ses réserves passe par des mesures du niveau de la surface libre de la nappe. Ces mesures se font à partir de puits (en dehors des phases de pompage) et de piézomètres (puits non équipés de faible diamètre permettant de mesurer le niveau d'une nappe et/ou de contrôler sa qualité chimique ; figure 20). Ces mesures permettent de vérifier l'évolution saisonnière et à long terme du niveau d'une nappe (voir figure 2), information qui renseigne sur la nature de l'aquifère (conductivité hydraulique, porosité), sa profondeur, son degré de karstification pour les formations calcaires, sa vulnérabilité,... Une décroissance constante du niveau piézométrique est un indicateur de surexploitation.

Figure 20 : Exemple de piézomètre

Photo F. Dossin, FUNDP.

La variation des réserves d'une nappe peut également être estimée à partir des mesures du débit des rivières, notamment lors des périodes de tarissement.

V.5 Modélisation mathématique.

Lorsqu'un aquifère est suffisamment connu, sa bonne gestion doit être associée à la réalisation d'un modèle mathématique. De nombreux logiciels permettent de simuler les processus d'écoulement et de transport d'une nappe. Une fois ces modèles calibrés et validés, les gestionnaires peuvent simuler différents scenarii d'exploitation de la nappe et vérifier ainsi, à courts ou à longs termes les effets de nouveaux pompages, de changements climatiques, ... sur les ressources en eau souterraine. Ces modèles sont utilisés tant dans la gestion quantitative que qualitative des nappes.

VI. LA GESTION QUALITATIVE DES NAPPES AQUIFERES

Outre la bonne gestion quantitative des nappes, il convient, suite aux très nombreuses pressions anthropiques, quelles soient diffuses (agriculture) ou ponctuelles (rejets d'égouts, fuites de citerne, ...), de vérifier leur qualité présente et d'en prévoir l'évolution à plus ou moins long terme.

La caractérisation et le diagnostic de qualité d'une eau souterraine passe par des prélèvements réguliers d'échantillons d'eau au droit des captages, puits, piézomètres, sources, ... et l'analyse de différents paramètres bio-physico-chimiques. Si certains éléments chimiques permettent de caractériser l'aquifère (lithologie), d'autres éléments sont liés à des contaminations anthropiques (nitrates, pesticides,...). Certains éléments, tels que les nitrates, sont d'excellents indicateurs quant aux pressions qualitatives exercées sur les nappes.

L'interprétation des données doit toujours être réalisée avec prudence car la qualité d'une eau souterraine peut dépendre de nombreux facteurs :

• profondeur du prélèvement : les concentrations d'éléments d'origine anthropique, tels les nitrates, peuvent diminuer avec la profondeur de prélèvement (figure 21); inversement, certains éléments d'origine naturelle (fer, manganèse) peuvent augmenter;
  

  Figure 21 : évolution des teneurs en nitrates en fonction de la profondeur de prélèvement (nappe aquifère de Hesbaye)
  
  D'après Hallet V., 1999
  Prélevés au droit d'un même site mais dans trois piézomètres creusés et équipés à
  des profondeurs différentes, les échantillons provenant de la surface de la nappe
  (9 à 15 m) présentent une concentration en nitrates de l'ordre de 45 mg/l, de 30 mg/l
  pour les échantillons prélevés à mis hauteur(16 à 26 m) et de 20 mg/l pour
  ceux prélevés à la base de l'aquifère (30 à 40 m).

• contexte hydrogéologique : en fonction du contexte géologique, un même aquifère peut passer d'une nappe libre à une nappe captive entraînant des variations dans le chimisme des eaux suite à une meilleure protection par les terrains sus-jacents de faible conductivité hydraulique mais également par modification du contexte physico-chimique (diminution des teneurs en oxygène dissout, dénitrification, ...) ;

• hydrodynamisme de la nappe : des prélèvements réalisés successivement en période de rabattement ou en période de remontée de la nappe peuvent donner des concentrations très diverses (figure 22);
  

  Figure 22 : évolution saisonnière de la teneur en nitrates
  dans un puits de Hesbaye
  
  D'après Hallet V., 1999
  La remontée du niveau de la nappe observée de janvier à mai 1995 s'accompagne
  d'une augmentation très nette des concentrations en nitrates (de 40 à 120 mg/l) ;
  lors du la période de rabattement, les teneurs en nitrates décroissent pour
  atteindre à nouveau les 40 mg/l.

• pression environnementale : une même nappe peut présenter des teneurs très variables en fonction de l'occupation du sol (forêts, prairies, zones de cultures, ...)

VI.1 Caractérisation hydrochimique des eaux souterraines

La présence des éléments dissous dans l'eau d'une nappe aquifère est directement influencée par la nature des roches qui la contiennent. Les concentrations peuvent être un indicateur du temps de transfert ou de séjour de l'eau dans la nappe. Les éléments systématiquement présents dans les eaux naturelles en quantités relativement importantes sont appelés " éléments majeurs ". Il s'agit principalement des éléments ou groupements suivants :

• calcium, magnésium, potassium, sodium, fer, manganèse,...
• sulfates, bicarbonates, chlorures, ...

Une analyse chimique de ces éléments permet de classifier les eaux souterraines. Grâce à la méthode du diagramme de Piper (1944), les eaux d'origine différente sont aisément différenciées (figure 23).

Figure 23 : diagramme de Piper montrant les différents types d'eau

Tiré de Fetter, 2001.

Un exemple de classification appliquée à la région de Modave (Condroz) est présenté à la figure 24.

Figure 24 : classification hydrochimique des eaux de la région de Modave.

Tiré de la carte hydrogéologique Modave-Clavier, ULg.
Les eaux de cette région du Condroz sont toutes de types bicarbonatées calciques.
Néanmoins, les eaux en provenance des shales du Namurien se caractérisent par une plus
forte teneur en sulfate (présence de pyrite dans les formations géologiques) et les eaux des
grès du Famennien sont proportionnellement plus riches en sodium et en potassium.

Des données plus locales peuvent être obtenues dans les livrets explicatifs des cartes hydrogéologiques ou, de manière plus générale, sur le site de la DGRNE - Etat des nappes d'eau souterraines¹¹.

¹¹ http://environnement.wallonie.be

VI.2 Contaminations diverses.

Outre les éléments naturellement présents dans l'eau, d'autres peuvent avoir une origine anthropique. Ces contaminations sont soit diffuses (liées principalement à l'agriculture) soit ponctuelles (rejets d'égouts ou d'industries, décharges, fuites de citerne à mazout, ...). Elles concernent tant les contaminations chimiques (nitrates, pesticides, solvants, ...) que bactériologiques.
Les concentrations en ces différents éléments font l'objet d'un suivi régulier^{12, 13} tant au droit des captages dont l'eau est destinée à la distribution publique, qu'en certains points du réseau de surveillance mis en place par la Région wallonne.

¹² http://environnement.wallonie.be/eew/
¹³ http://environnement.wallonie.be/de/eso/atlas/

VII. PROTECTION DES CAPTAGES

En fonction du contexte hydrogéologique, l'exploitation d'une nappe aquifère peut se faire :

• à partir de puits forés (forages) ou de puits traditionnels ;
• à partir d'une galerie par pompage ou gravité ;
• au point d'émergence d'une source.

Quelque soit la méthode utilisée, il est nécessaire de respecter certaines règles élémentaires en matière de législation dans la réalisation et l'aménagement de la prise d'eau. Ces règles ont pour objectif une protection optimale tant du captage que de la nappe aquifère sollicitée.

VII.1 Législation en matière de forage et de prise d'eau souterraine

Depuis la date d'entrée en vigueur du Code de l'eau, toute la législation relative à l'eau a intégré les anciens textes réglementaires (décrets et articles).
Depuis le 1^er octobre 2002, les forages destinés à une prise d'eau ainsi que la prise d'eau souterraine elle même sont soumis à un permis d'environnement ou à déclaration. Les versions officieuses des textes réglementaires sont présentées sur le site portail de la Direction générale des Ressources naturelles et de l'Environnement à l'adresse : http://environnement.wallonie.be, dans la partie " permis et prévention ", section " législation ", sous le thème " permis d'environnement ".

L'arrêté du Gouvernement wallon du 4 juillet 2002 contient la liste des installations et activités classées.

La rubrique 45.12.02 verse les forages destinés à une prise d'eau en classe 2. La demande de permis doit être déposée à la commune où se situera le puits au moyen des formulaires adéquats qui peuvent être téléchargés à l'adresse :
http://formulaires.wallonie.be/p004360_122.htm#anchor58. Il convient de compléter le formulaire général de l'annexe I et le formulaire spécifique aux forages de l'annexe XVIII.

La rubrique 41.00 classe les captages. Selon l'usage et le volume présumé qui sera prélevé, la prise d'eau est en classe 2 ou 3. Les petites prises d'eau de moins de 10 m³/jour et 3 000 m³/an, c'est à dire de manière générale les prises d'eau exploitées par des particuliers ou des agriculteurs sont de classe 3. Dans ce cas, la prise d'eau doit simplement être déclarée à la commune au moyen du formulaire de l'annexe IX.
Les autres prises d'eau souterraine sont en principe soumises à permis (classe 2). Il faut alors déposer la demande à la commune au moyen des formulaires de l'annexe I (général) et de l'annexe III (prise d'eau souterraine).

Signalons pour terminer que quelques prises d'eau sont en classe 1, ce qui impose une étude d'incidence avant l'obtention du permis. Il faut pour cela qu'elles prélèvent plus de 10 millions de m³/an.

VII.2 Captages par puits

Le captage par puits nécessite la réalisation d'un forage dont le diamètre sera établi en fonction du débit d'exploitation espéré, de la profondeur de la nappe, de la distance et hauteur de refoulement de l'eau pompée, ...  La profondeur du forage tiendra compte des conditions hydrogéologiques régionales : cote piézométrique de la nappe, variation saisonnière du niveau, ...

Le choix du site de forage doit tenir compte de critères variés : accessibilité, propriété du sol, ... mais surtout du contexte hydrogéologique. Dans une même unité aquifère, la productivité d'un puits, notamment dans les roches cohérentes, peut être très variable selon sa localisation. En effet, à quelques mètres près, le forage peut recouper une zone fracturée et donc productive ou rester dans une roche compacte quasi imperméable. Une étude préliminaire (géologique, géomorphologique, géophysique, ...) permet de mieux positionner le site de forage et ainsi d'augmenter la probabilité de réussite.

Le forage doit ensuite être équipé. L'équipement doit impérativement respecter les règles élémentaires nécessaires à la protection du puits et donc de la nappe en évitant tout risque d'infiltration des eaux de surface. L'équipement du puits (figure 25) consiste en la mise en place d'un tubage crépiné (= perforé) au droit de la zone saturée de l'aquifère surmonté d'un tube aveugle. Autour de la crépine un massif filtrant de graviers roulés devra être mis en place. Ce dernier sera surmonté d'un bouchon d'argile de 1 à 2 mètres d'épaisseur. L'espace annulaire entre le sommet du bouchon et la surface sera comblé par un coulis de ciment.
La partie superficielle du puits est protégée par un tubage de surface en acier et une margelle.

Figure 25 : schéma d'équipement d'un puits.

D'après V. Hallet

Après équipement, il est fortement recommandé de réaliser un essai de pompage. Un essai de pompage consiste à pomper à débit constant durant une période suffisamment longue et à mesurer dans le puits l'évolution du rabattement puis la remontée de l'eau en fin de pompage.

Les buts d'un pompage d'essai sont de :

• observer directement l'effet de l'exploitation du puits sur le niveau d'eau dans le puits et/ou des puits et piézomètres voisins;
• définir le débit optimal d'exploitation du puits ;
• calculer les paramètres hydrodynamiques : conductivité hydraulique, porosité, ou coefficient d'emmagasinement ;
• étudier quantitativement des caractéristiques particulières de l'aquifère : hétérogénéités verticales ou latérales;
• obtenir une courbe de référence " débit pompé - rabattement " qui permettra d'établir un diagnostic clair en cas de problème de productivité (colmatage des crépines, diminution du niveau de la nappe, ...)

Il convient de distinguer la capacité d'un puits et la capacité d'un aquifère. Un puits peut fournir de gros débits alors que la nappe est limitée par son extension, le volume d'eau annuel réalimentant la nappe, ...De même, un puits peut avoir une faible capacité parce qu'il est mal localisé (zone de roche compacte) alors que l'aquifère a un potentiel important.

VII.3 Captages gravitaires

Les captages gravitaires se font à partir de galerie ou d'une source captée. Les galeries de drainage peuvent avoir une taille de l'ordre de 1,5 m de large sur 2 m de haut et s'étendre sur plusieurs kilomètres. Leur avantage consiste dans le fait qu'elles ont une grande surface de drainage augmentant ainsi la probabilité de recouper des zones de fissures. De nombreuses galeries (figure 26) ont par ailleurs été conçues afin d'acheminer l'eau vers les réseaux de distribution d'eau uniquement par gravité (Liège : galerie de Hesbaye, Bruxelles : galerie de Modave). Dans certains contextes hydrogéologiques (grès famenniens, sables bruxelliens..), les eaux sont captées par un réseau de drains, tuyaux crépinés de petits diamètres et de longueurs variables (quelques mètres à une centaine de mètres).

Figure 26 : exemple des galeries captantes de Modave (CIBE).

Source : CIBE

D'extension plus limitée, le captage de sources est toujours une technique utilisée de nos jours (figure 27).

Figure 27 : émergence de la source Tridaine à Rochefort

Photo Hallet V., FUNDP

VII.4 Zones de protection

Suite au développement économique, les ressources en eaux souterraines sont de plus en plus sollicitées et en même temps soumises à des pressions environnementales qui menacent leur qualité. La Région Wallonne a mis en place une législation qui concerne la réalisation de nouvelles prises d'eau et de protection des eaux¹⁴.

De manière plus particulière, des périmètres de protection sont mis en place. L'extension de ces périmètres est définie en fonction du temps de transfert d'un polluant fictif dans la partie saturée de la nappe.
La législation wallonne (Code de l'eau, chapitre III, section2, sous-section3, articles R. 157 à R. 161) définit quatre zones distinctes (figure 28) :

1. la zone I ou zone de prise d'eau;
2. la zone de prévention IIa ou zone rapprochée;
3. la zone de prévention IIb ou zone éloignée;
4. la zone III ou zone de surveillance.

Figure 28 : schématisation des zones de prévention.

Source : http://environnement.wallonie.be/de/eso/atlas/

¹⁴ http://environnement.wallonie.be/

Zone I ou zone de prise d'eau

La zone de prise d'eau est délimitée par une ligne située à une distance de dix mètres des limites extérieures des installations en surface strictement nécessaires à la prise d'eau.

Zone IIa ou zone de prévention rapprochée

La zone IIa est comprise entre le périmètre de délimitation de la zone de prise d'eau et une ligne située à une distance de l'ouvrage de prise d'eau correspondant à un temps de transfert de l'eau souterraine jusqu'à l'ouvrage égal à 24 heures dans le sol saturé.
A défaut de données suffisantes permettant de définir la zone IIa selon le critère des temps de transfert, la législation suggère de délimiter la zone IIa par une ligne située à une distance horizontale minimale de 35 m à partir des installations de surfaces, dans le cas d'un puits, et par deux lignes situées à 25 m au minimum de part et d'autre de la projection en surface de l'axe longitudinal dans le cas d'une galerie.
En milieu karstique, tous les points de pénétration préférentiels (doline et perte) dont la liaison avec le captage est établie sont classés en zone IIa.

Zone IIb ou zone de prévention éloignée

La zone IIb est comprise entre le périmètre extérieur de la zone IIa et le périmètre extérieur de la zone d'appel de la prise d'eau.
Le périmètre extérieur de la zone IIb ne peut être situé à une distance de l'ouvrage supérieure à celle correspondant à un temps de transfert de l'eau souterraine jusqu'à l'ouvrage de prise d'eau égal à 50 jours en zone saturée.
A défaut de données suffisantes permettant la délimitation de la zone IIb suivant les principes définis ci avant, le périmètre de cette zone est distant du périmètre extérieur de la zone IIb de :

• 100 m pour les formations aquifères sableuses;
• 500 m pour les formations aquifères graveleuses;
• 1 000 m pour les formations aquifères fissurées ou karstiques.

Zone de surveillance

La zone de surveillance englobe l'entièreté du bassin versant et du bassin hydrogéologique situé à l'amont du point de captage.

Mesures de prévention

La législation wallonne a défini diverses mesures de prévention à prendre dans les quatre zones de protection définies ci-dessus. Ces mesures concernent notamment l'utilisation et le stockage de produits dangereux, d'engrais ou de pesticides, les puits perdus, les nouveaux cimetières, les parkings,... Elles visent à réduire au maximum les risques de contamination de la nappe.

Pour financer les recherches relatives à la délimitation des zones de prévention et indemniser tout particulier ou toute société dont les biens doivent être mis en conformité avec la législation, les prises d'eau potabilisables sont subordonnées soit au paiement d'une redevance de 0,0744 € par mètre cube produit, soit à la conclusion d'un contrat de service de protection de l'eau potabilisable avec la S.P.G.E..

Le site "http://environnement.wallonie.be/zones_prevention/ " permet, grâce à une recherche rapide par commune ou par producteur d'eau, de visualiser, soit la carte et le texte des zones officiellement désignées par arrêté ministériel, soit la carte de chaque zone actuellement soumise à l'enquête publique. Une synthèse est présentée sous forme de carte (figure 29) sur le site http://environnement.wallonie.be/de/eso/atlas/pdf/c4_1c_a3.pdf.

Figure 29 : carte de localisation des zones de prévention arrêtées.

VIII. PROTECTION DES NAPPES AQUIFERES

Outre les zones de prévention délimitées aux alentours des captages, une politique plus large liée à la protection des nappes est en cours d'élaboration. Cette politique consiste à :

• définir des zones dites vulnérables en ce qui concerne la problématique des nitrates,
• établir des zones de surveillance mises en place autour des sites de production d'eau minérale ;
• appliquer diverses méthodologies afin de déterminer la vulnérabilité intrinsèque des nappes aquifères.

VIII.1. Problématique des nitrates

Les nitrates font, depuis plusieurs années, l'objet de contrôles réguliers de la part des sociétés de distribution d'eau. La norme européenne est de 50 mg/l de NO₃^- au maximum.
Afin de limiter les apports (essentiellement agricoles) en nitrates, des zones vulnérables ont été délimitées. Elles sont établies afin de protéger les eaux de surface et les eaux souterraines contre la pollution par les nitrates. La figure 30 reprend les cinq zones vulnérables aux nitrates définies par la Région Wallonne (http://environnement.wallonie.be/) :

• la nappe des sables bruxelliens ;
• la nappe du Crétacé de Hesbaye ;
• le territoire dit "Sud namurois" ;
• le territoire de la commune de Comines-Warneton ;
• le territoire du Pays de Herve;



• les aquifères du massif de la Vesdre ;
• les formations schisto-gréseuses de calcaires du Synclinorium de Dinant ;
• les craies du bassin de Mons.

Dans ces trois derniers aquifères, de nombreux captages dépassent le niveau-guide européen des 25 mg/l. Partiellement ou localement sont enregistrés des teneurs élevées et plusieurs dépassements de la norme de 50 mg/l.

Figure 30 : localisation des zones vulnérables

Source : RW - DGRNE

Ces zones sont destinées à permettre une meilleure gestion et une limitation des apports en nitrates d'origine agricole, susceptibles de contaminer les nappes contenues dans le sous-sol.

Les textes légaux relatifs aux zones vulnérables peuvent être consultés sur le site http://wallex.wallonie.be en cliquant sur " recherche thématique " - eau - protection de l'eau - eau souterraine et eau potabilisable.

Dans le cadre de la problématique de la contamination des eaux par les nitrates d'origine agricole, l'association sans but lucratif Nitrawal¹⁵ a pour objet d'accompagner les agriculteurs dans leur démarche pour protéger les ressources en eau de la pollution par le nitrate. Elle étend son action à l'ensemble de la Wallonie, en accordant la priorité aux zones vulnérables et aux zones à contraintes environnementales particulières.

¹⁵ http://www.nitrawal.be/

VIII.2 Les zones de surveillance

Les zones de surveillance comprennent le bassin d'alimentation et le bassin hydrogéologique susceptibles d'alimenter une zone de prise d'eau existante ou éventuelle.
Dans la mesure du possible, les limites des zones de prévention et de surveillance doivent suivre des tracés naturels ou artificiels, aisément identifiables.

Quatre zones de surveillance sont actuellement définies  (télécharger la Carte au format pdf):

• Stoumont: eaux carbo-gazeuses ;
• Spontin: eaux de Spontin ;
• Spa: eaux de Spa ;
• Chaufontaine: eaux thermo-minérales de Chaudfontaine.

L'extension des zones de surveillance et les mesures de protection de la nappe aquifère concernée sont consultables sur le site de la Région wallonne : http://environnement.wallonie.be/legis/.

VIII.3 Les cartes de vulnérabilité

La très grande diversité des conditions géologiques rencontrées en Wallonie engendre que certains aquifères sont plus vulnérables à tout type de contamination. La réalisation de cartes de vulnérabilité des nappes aquifères wallonnes permettrait une meilleure gestion de l'occupation du sol.La très grande diversité des conditions géologiques rencontrées en Wallonie engendre que certains aquifères sont plus vulnérables à tout type de contamination. La réalisation de cartes de vulnérabilité des nappes aquifères wallonnes permettrait une meilleure gestion de l'occupation du sol.

Les techniques les plus communes et les plus utilisées sont des méthodes d'indexation et de pondération de ces facteurs. Ces méthodes sont relativement simples à appliquer, cependant, elles souffrent d'un empirisme important, rendant toute comparaison impossible et fournissant des résultats (indices et classes de vulnérabilité) difficiles, voire impossibles à interpréter physiquement et à valider. Les résultats obtenus avec ces méthodes sont donc peu fiables et sans réelle utilité pratique. Six de ces méthodes ont été appliquées en Région wallonne, sur le bassin du Néblon (Gogu et al., 2003), les résultats obtenus confirmant ce constat.

Plus récemment, des recherches sur le développement d'une méthode basée sur des critères physiquement significatifs ont été menées à l'Université de Liège, par le secteur 'Hydrogéologie et de Géologie de l'Environnement' (Brouyère et al. 2001, Popescu et al. 2004). Cette méthodologie repose sur des critères physiques gouvernant la mobilité de l'eau et des polluants dans le sol et le sous-sol, aboutissant à des résultats clairs et validables. Une première application a été menée sur le bassin du Néblon dans le cadre d'une convention Région wallonne (Popescu et al. 2004). Cette approche est maintenant généralisée dans le cadre d'un projet européen FP6 (GABARDINE, Gardin et al. 2006).

IX. HYDROGEOLOGIE KARSTIQUE

Les phénomènes karstiques désignent les processus de dissolution affectant les formations carbonatées. L'intense fracturation de ces roches, notamment, liée aux plissements varisques et la forte solubilité des minéraux (carbonates) qui les constituent, permettent la formation de réseaux de pertes, de dolines et de cavités souterraines au développement parfois plurikilométrique. Ces systèmes karstiques jouent un rôle majeur dans l'hydrogéologie des régions à substratum calcaire.
Les massifs calcaires affectés par ces phénomènes karstiques présentent généralement des perméabilités de fissures assez élevées qui permettraient d'y exploiter d'énormes volumes d'eau. Néanmoins, ces aquifères sont d'une grande vulnérabilité face aux pollutions, quelles qu'en soient les origines. En effet, des eaux contaminées en surface sont susceptibles d'atteindre très rapidement la nappe en empruntant les réseaux karstiques dont les pertes constituent les principaux points d'alimentation.

Les systèmes karstiques sont alimentés en eaux par :

• les pertes : ouvertures par laquelle s'engouffre l'eau des rivières ou des systèmes de ruissellement concentré ce qui engendre, à l'aval, la présence d'une vallée sèche ou d'une vallée fermée ;
• les infiltrations diffuses suite aux processus d'infiltration.

Les eaux souterraines finissent par émerger à une altitude correspondant au niveau de base de la nappe. Ce niveau de base est lié à la présence d'une formation géologique imperméable ou à un point bas topographique (talweg). L'émergence des eaux souterraines en milieu karstique peut se faire de manière diffuse ou concentrée. Dans ce dernier cas, il convient de distinguer les sources des résurgences (associées à une ou des pertes) ou des exsurgences (associées à des infiltrations diffuses).

Les grands systèmes karstiques belges sont observés dans les calcaires du Dévonien ou les calcaires du Carbonifère.

Les calcaires dévoniens affleurent au droit de la Calestienne (unité géomorphologique située entre la dépression de la Fagne-Famenne, au nord, et l'Ardenne, au Sud) et sur le flanc nord du synclinorium de Dinant.

Les grands systèmes karstiques affectant les calcaires du Dévonien sont, parmi les plus connus car touristiques :

• pour la région de la Calestienne, citons l'Eau Noire à Couvin, la Lesse à Han-sur-lesse, la Lomme à Rochefort, la grotte de Hotton, le Rubicon à Remouchamps,...
• pour la région du flanc Nord du synclinorium de Dinant, citons les systèmes karstiques de Mont-Godinne, de la vallée de Lesve, ...

Les karsts des calcaires dinantiens peuvent également être bien développés, par exemple :

• le système de la Lesse souterraine à Furfooz ;
• la grotte " la Merveilleuse " à Dinant ;
• la grotte de Fagnoules à Awagne (Dinant), ...

Si les systèmes karstiques des calcaires dinantiens sont souvent moins ou plus difficilement " pénétrables à l'homme " que ceux des calcaires dévoniens, ils n'en restent pas moins extrêmement actifs au niveau de l'hydrogéologie régionale (figure 40) engendrant la présence de très nombreuses vallées sèches (vallée du S^t Hadelin à Celles, vallée des Fonds de Bouvignes à Dinant, ...).

Figure 40 : Schéma d'un système karstique (d'après Funcken L. et Meus Ph., 1999)

Les phénomènes karstiques en Région Wallonne sont répertoriés par la CWEPSS (Commission Wallonne d'Etude et de Protection des Sites Souterrains ; voir http://www.cwepss.org/atlasKarst.htm). Comme les phénomènes karstiques jouent un rôle prépondérant dans l'hydrogéologie régionale, la carte hydrogéologique reprend les données de l'Atlas du karst, les complète ou les actualise si nécessaire.

X. Références bibliographiques :

Biver P., 1993. Etude phénoménologique et numérique de la propagation de polluants miscibles dans un milieu à porosité multiple. Thèse de doctorat, Université de Liège. Faculté des Sciences appliquées. 389 p.
Brouyère S., P.-Y. Jeannin, A. Dassargues, N. Goldscheider, I.-C. Popescu, M. Sauter, I. Vadillo and F. Zwahlen, Evaluationand validation of vulnerability concepts using a physically based approach, Sci. Tech. Envir., Mém. H. S. n°13, pp. 67-72, 2001.
Castany G., 1982. Principes et Méthodes de l'Hydrogéologie, Dunod, 236 p. ISBN 2-10-004171-71.
Fetter C.W., 2001. Applied hydrogeology, Fourth Edition, Prentice Hall, 598 p. ISBN 0-13-088239-9.
Fetter C.W., 1999. Contaminant hydrogeology. 2°Ed. Prentice Hall. ISBN 0-13-751215-5.
Gardin N., Wojda P., Brouyère S., Stress factors and associated physically based criteria for developing a generalized physically based groundwater vulnerability assessment method, Project report D43, FP6-STREP GABARDINE, May 2006.
Gogu R, Hallet V. & Dassargues A., Comparison between aquifer vulnerability assessment techniques. Application to the Néblon river basin (Belgium), Environmental Geology, 44(8), 881-892, 2003..
Funcken L. et Meus Ph., 1999. Hydrogéologie des calcaires. Atlas du Karst wallon. Haute Meuse. Province de Namur. Région wallonne - CWEPSS. 1999. ISBN 2 - 87 401-0 88-X.
Haerens B., 1999. Etude de la sensibilité des essais de traçage au mode d'injection et à la nature des traceurs. Travail de fin d'étude (DES), Université de Liège. Faculté des Sciences appliquées. 78 p.
Hallet V., 1999. Etude de la contamination de la nappe de Hesbaye par les nitrates : hydrogéologie, hydrochimie et modélisation mathématique des processus d'écoulement et de transport en milieu saturé. Thèse de doctorat, Université de Liège. Faculté des Sciences. 361 p.
Landry B. et Mercier M., 1992. Notions de géologie. 3° Ed. Modulo. ISBN 2-89113-256-4.
Piper A., 1944. A graphic procedure in the geochemical interpretation of water analyses. Transactions, American Geophysical Union. 25:914-23.
Popescu I.C., Dachy M., Brouyère S., Dassargues A., Test d'une méthode de cartographie de la vulnérabilité intrinsèque applicable aux nappes aquifères de la Région wallonne. Application à l'aquifère calcaire du Néblon. Rapport Final, Ministère de l'Environnement et des Ressources naturelles de la Région wallonne, 154p + annexes, 2004.