Chapitre 1 : Introduction

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Introduction

Traduction réalisée par : Alex Lemieux (Canada), Emilia Wojciechowska (Canada), Vladyslav Rayda (Canada)

1.1 Eaux souterraines, la Terre et l’Homme

Ce livre porte sur les eaux souterraines. Il concerne les environnements géologiques qui contrôlent l’apparition des eaux souterraines, ainsi que sur des lois physiques qui décrivent l’écoulement de ces eaux. Il s’intéresse également à l’évolution chimique qui accompagne l’écoulement. Il porte aussi sur l’influence de l’homme sur le régime des eaux souterraines naturelles, et de l’influence du régime naturel des eaux souterraines sur l’homme.

Le terme eaux souterraines est généralement réservé à l’eau qui se trouve sous la nappe phréatique, dans les sols et les formations géologiques entièrement saturées. Nous devons conserver cette définition classique, mais nous sommes conscients que l’étude des eaux souterraines doit reposer sur une compréhension du régime de l’eau souterraine dans un sens plus large. Notre approche sera compatible avec l’emphase traditionnellement mise sur les écoulements saturés, souterrains, peu profonds, mais elle englobera également le régime de l’humidité du sol à proximité de la surface, non saturé, qui joue un rôle important dans le cycle hydrologique. Elle comprendra aussi les régimes beaucoup plus profonds et saturés qui ont une influence importante sur de nombreux processus géologiques.

Nous considérons l’étude des eaux souterraines comme étant interdisciplinaire. Ce texte tente d’intégrer la chimie, la physique, la géologie, l’hydrologie, la science et l’ingénierie dans un degré plus élevé, que ce qui a été fait par le passé. L’étude des eaux souterraines est pertinente pour les géologues, les hydrologues, les scientifiques du sol, les ingénieurs agricoles, les forestiers, les géographes, les écologistes, les ingénieurs géotechniques, les ingénieurs miniers, les ingénieurs sanitaires, les analystes des réservoirs de pétrole et probablement d’autres. Nous espérons que notre description introductive est en phase avec ces vastes besoins interdisciplinaires.

Si ce livre avait été écrit il y a dix ans, il aurait traité presque entièrement des eaux souterraines en tant que ressource. Les besoins en ce temps auraient dicté cette approche et ce livre les refléteraient. Ils mettraient l’accent sur le développement de l’approvisionnement en eau à travers les puits et le calcul des rendements des aquifères. Ces problèmes considérés comme tels sont ceux qui menacent l’eau souterraine. De nos jours, les aspects d’approvisionnement en eau des eaux souterraines restent importants et ils seront traités dans ce texte avec respect. Les eaux souterraines sont plus qu’une ressource; elles sont caractéristique importante de l’environnement naturel ce qui pose des problèmes environnementaux mais peut parfois y apporter des solutions environnementales. Elles font partie du cycle hydrologique et une compréhension de leur rôle dans ce cycle est obligatoire si l’on veut favoriser les analyses intégrées dans l’étude des ressources des bassins hydrographiques et dans l’évaluation régionale de la contamination de l’environnement. Dans un contexte d’ingénierie, les eaux souterraines mènent à des problèmes géotechniques tels que la stabilité des pentes et l’affaissement des sols. Les eaux souterraines sont également essentielles à la compréhension d’une grande variété de processus géologiques, parmi lesquels la création de tremblements de terre, la migration et l’accumulation de pétrole, et la genèse de certains types de gisements de minerai, types de sols et de relief.

Les cinq premiers chapitres de ce livre dressent les fondements physiques, chimiques et géologiques nécessaires à l’étude des eaux souterraines. Les six derniers chapitres appliquent ces principes dans les différentes sphères d’interaction entre les eaux souterraines, la terre et l’homme. Les paragraphes suivants peuvent être considérés comme une introduction à chacun des chapitres suivants.

L’eau souterraine et le cycle hydrologique

La circulation perpétuelle de l’eau entre l’océan, l’atmosphère et la terre s’appelle le cycle hydrologique. Notre intérêt se concentre sur la partie terrestre du cycle, car elle pourrait s’appliquer à un bassin hydrographique individuel. Les figures 1.1 et 1.2 illustrent deux diagrammes du cycle hydrologique sur un bassin hydrographique. Ils sont présentés ici principalement pour fournir au lecteur une introduction schématique à la terminologie hydrologique. La figure 1.1 est conceptuellement supérieure en mettant l’accent sur les processus et illustre la notion de système d’écoulement du cycle hydrologique. La représentation du pot-and-pipeline de la figure 1.2 est souvent utilisée dans l’approche systémique de la modélisation hydrologique. Elle ne reflète pas la dynamique de la situation, mais se distingue clairement parmi les termes qui impliquent des mouvements (dans les cases hexagonales) et ceux qui impliquent le stockage (dans les boîtes rectangulaires).

Représentation schématique du cycle hydrologique.
Figure 1.1 Représentation schématique du cycle hydrologique.
Représentation systémique du cycle hydrologique.
Figure 1.2 Représentation systémique du cycle hydrologique.

L’écoulement vers le système hydrologique arrive sous forme de précipitation, de pluie ou de fonte des neiges. L’écoulement s’effectue sous forme d’eau courante (ou de ruissellement) et d’évapotranspiration, d’une combinaison d’évaporation des champs d’eau ouverts, de l’évaporation des surfaces du sol ainsi que de la transpiration du sol par les plantes. Les précipitations sont livrées aux cours d’eau à la fois à la surface, comme l’écoulement terrestre vers les canaux tributaires et par les voies d’écoulement souterrain, en tant qu’écoulement divergeant où comme débit de base après l’infiltration dans le sol. La figure 1.1 indique clairement qu’un bassin hydrographique doit être envisagé comme une combinaison de la zone de drainage de surface, de la parcelle des sols souterrains et des formations géologiques qui le sous-tendent. Les processus hydrologiques souterrains sont tout aussi importants que les processus de surface. En fait, on pourrait affirmer qu’ils sont plus importants car la nature des matériaux souterrains contrôle les taux d’infiltration qui influencent le timing et la répartition spatiale du ruissellement de surface. Dans le Chapitre 6, nous examinerons la nature des schémas régionaux d’écoulement des eaux souterraines avec détails, et nous étudierons les relations entre les infiltrations, des eaux souterraines et leur recharge, le flux de base et la génération de flux. Dans le Chapitre 7, nous examinerons l’évolution chimique des eaux souterraines qui accompagne leur passage à travers la partie souterraine du cycle hydrologique.

Avant de clôturer cette section, il convient d’examiner certaines données qui reflètent l’importance quantitative des eaux souterraines par rapport aux autres composantes du cycle hydrologique. Au cours des dernières années, on a accordé une attention considérable à la notion de bilan hydrique mondial (Nace, 1971; Lvovitch, 1970; Sutcliffe, 1970), et les estimations les plus récentes de ces données mettent l’accent sur la nature omniprésente des eaux souterraines dans l’hydrosphère. En ce qui concerne le Tableau 1.1, si l’on retire de la considération les 94 % de l’eau de la terre qui repose sur les océans et les mers à des niveaux élevés de salinité, les eaux souterraines représentent environ deux tiers des ressources en eau douce du monde. Si nous limitons la considération aux ressources d’eau douce utilisables (moins les calottes glacières et les glaciers), les eaux souterraines représentent approximativement le volume total. Même si l’on considère uniquement les régimes d’eau souterraine les plus actifs, Lvovitch (1970) estime à 4 × 106 km3 (plutôt que les 60 × 106 km3 du Tableau 1.1), la répartition de l’eau douce concerne: les eaux souterraines, 95 %, les lacs, les marécages, les réservoirs et les rivières, 3,5 % et l’humidité du sol, 1,5 %.

Tableau 1.1 Estimation du bilan hydrique du monde

Paramètre Surface (km2) x 106 Volume (km3) x 106 Volume (%) Profondeur équivalente (m)* Temps de résidence
Océans et mers 361 1 370 94 2 500 ~4 000 ans
Lacs et réservoirs 1,55 0,13 <0,01 0,25 ~10 ans
Marécages <0,1 <0,01 <0,01 0,007 1–10 ans
Rivières <0,1 <0,01 <0,01 0,003 ~2 semaines
Humidité du sol 130 0,07 <0,01 0,13 2 semaines–1 année
Eau souterraine 130 60 4 120 2 semaines–10 000 ans
Carottes gralières et glaciers 17,8 30 2 60 10–1 000 ans
Eau atmosphérique 504 0,01 <0,01 0,025 ~10 jours
Eau biosphérique <0,1 <0,01 <0,01 0,001 ~1 semaine
SOURCE: Nace, 1971.
*Calculé comme si le stockage était uniformément réparti sur toute la surface du globe.

Cependant cette supériorité volumétrique est tempérée par le temps de résidence moyen. L’eau de la rivière a un temps de rotation de l’ordre de 2 semaines. Les eaux souterraines, d’autre part, se déplacent lentement et des temps de résidence de l’ordre de 10, 100 et même 1000 ans ne sont pas rares. Les principes énoncés au Chapitre 2 et les considérations de flux régional du Chapitre 6 clarifieront les contrôles hydrogéologiques sur le mouvement à grande échelle des eaux souterraines.

La plupart des textes d’hydrologie contiennent des discussions détaillées sur le cycle hydrologique et sur le bilan hydrique mondial. Wisler et Brater (1959) et Linsley, Kohler et Paulhus (1975) sont des textes d’hydrologie introductifs massivement utilisés. Un texte récent d’Eagleson (1970) remet à jour la science à un niveau plus avancé. Le massif, Handbook of Applied Hydrology (Manuel d’Hydrologie Appliquée), édité par Chow (1964a), est une référence précieuse. L’histoire du développement de la pensée hydrologique est une étude intéressante. Chow (1964b) en fournit une discussion concise, l’étude étendue de Biswas (1970) donne de riches détails sur les contributions des premiers Egyptiens et philosophes grecs et romains jusqu’à la naissance de l’hydrologie scientifique en Europe occidentale aux XVIIIe et XIXe siècles.

L’eau souterraine en tant que ressource

La principale motivation pour l’étude des eaux souterraines a traditionnellement été son importance en tant que ressource. Pour les États-Unis, l’importance du rôle des eaux souterraines en tant que composante de l’utilisation nationale de l’eau peut être tirée des études statistiques de la Commision Géologique des États-Unis (U.S. Geological Survey), comme l’ont signalé en 1970 Murray et Reeves (1972) et résumée par Murray (1973).

Le Tableau 1.2 documente la croissance de l’utilisation de l’eau aux États-Unis pendant la période 1950-1970. En 1970, la nation utilisait 1400 × 106 m3 / jour, parmi lesquels 57 % ont été utilisés à des fins industrielles et 35 % pour l’irrigation. Les eaux de surface ont fourni 81% du total et 19 % venant des eaux souterraines. La figure 1.3 illustre le rôle de l’eau souterraine par rapport aux eaux de surface dans les quatre principales zones d’utilisation dans la période 1950-1970. Les eaux souterraines sont moins importantes dans l’utilisation industrielle, mais elles représentent un pourcentage significatif de l’offre domestique, à la fois rurale et urbaine, et pour l’irrigation.

Tableau 1.2 Utilisation de l’eau aux États-Unis, 1950-1970

Mètres cubes/jour x 106* Percentage d’utilisation 1970
1950 1955 1960 1965 1970
Total des prélèvements d’eau 758 910 1,023 1,175 1,400 100
Usage
Provisions municipales 53 64 80 91 102 7
Provisions rurales 14 14 14 15 17 1
Irrigation 420 420 420 455 495 35
Industriel 292 420 560 667 822 57
Source
Eau souterraine 130 182 190 227 262 19
Eau de surface 644 750 838 960 1,150 81
SOURCE: Murray, 1973.
*1 m3 = 103 L = 264 U.S. gal.
Utilisation des eaux de surface (trait hachuré) et des eaux souterraines (pointillé) aux États-Unis, 1950-1970 (après Murray, 1973).
Figure 1.3 Utilisation des eaux de surface (trait hachuré) et des eaux souterraines (pointillé) aux États-Unis, 1950-1970 (après Murray, 1973).

Au Canada, Meyboom (1968) a estimé l’utilisation des eaux souterraines rurales et municipales à 94 × 106 m3 / jour, soit 20 % de la consommation totale d’eau rurale et municipale. Ce niveau d’utilisation des eaux souterraines est considérablement inférieur à celui des États-Unis, même en considérant le ratio de population entre les deux pays. Un examen plus approfondi des chiffres montre que le développement rural des eaux souterraines au Canada est relativement égal au développement rural aux États-Unis, mais l’utilisation des eaux souterraines municipales est nettement plus faible. Les différences les plus frappantes sont l’irrigation et l’utilisation industrielle, où la consommation totale relative d’eau au Canada est beaucoup moins importante qu’aux États-Unis et la composante de l’eau souterraine de cette utilisation est extrêmement faible.

McGuinness (1963), citant une étude du comité du Sénat des États-Unis, a fourni des prédictions sur les futures exigences nationales en matière d’eau des États-Unis. Il suggère que les besoins en eau atteindront 1700 × 106 m3 / jour d’ici 1980 et 3360 × 106 m3 / jour d’ici l’an 2000. La réalisation de ces niveaux de production représenterait une accélération significative du taux d’augmentation de l’utilisation de l’eau, cf. Tableau 1.2. Les prédictions pour l’année 2000 abordent le potentiel total de ressources en eau de la nation, qui est estimé à environ 4550 × 106 m3 / jour. Si les exigences doivent être remplies, il est largement admis que les ressources en eau souterraine devront fournir une plus grande proportion de l’offre totale. McGuinness note que pour les prédictions ci-dessus, si le pourcentage de contribution de l’eau souterraine passe de 19 % à 33 %, l’utilisation des eaux souterraines devrait passer de 262 × 106 m3 par jour à 705 × 106 m3 par jour en 1980 et 1120 × 106 m3 / jour en l’an 2000. Il note que les propriétés souhaitables des eaux souterraines, telles que la clarté, la pureté bactérienne, la température constante et la qualité chimique, peuvent encourager le besoin d’un développement à grande échelle, mais il avertit que les eaux souterraines, en particulier, lorsque de grandes quantités sont recherchées, elles sont intrinsèquement plus difficiles et coûteuses à localiser, à évaluer, à développer et à gérer que les eaux de surface. Il note, comme nous l’avons fait, que les eaux souterraines sont une phase intégrale du cycle hydrologique. Les jours où les eaux souterraines et les eaux de surface pouvaient être considérées comme deux ressources distinctes sont dépassés. La planification des ressources doit être effectuée dans la mesure où les eaux souterraines et les eaux de surface ont la même origine.

Au Chapitre 8, nous discuterons des techniques d’évaluation des ressources en eaux souterraines; des problèmes géologiques liés à l’exploration des aquifères, aux méthodes de mesure et d’estimation des paramètres de terrain et de laboratoire, à la simulation de la performance du puits, du rendement des aquifères et de l’exploitation des eaux souterraines à l’échelle du bassin.

Contamination des eaux souterraines

Si les eaux souterraines jouent un rôle important dans le développement du potentiel mondial de ressources en eau, elles devront être protégées de la menace croissante de contamination souterraine. La croissance de la population, de la production industrielle et agricole depuis la seconde guerre mondiale, ajoutés aux exigences accrues qui en découlent pour le développement de l’énergie, ont commencé pour la première fois à produire des quantités de déchets supérieures à celles que l’environnement peut facilement absorber. Le choix de la méthode d’élimination des déchets se restreint à un ensemble d’alternatives impactant l’environnement. Comme le montre la figure 1.4, il n’existe pas de méthodes d’élimination des déchets à grande échelle actuellement réalisables qui ne présentent pas un grave danger de pollution d’une partie de notre environnement naturel. Bien qu’il y ait eu une préoccupation croissante concernant la pollution de l’air et des eaux de surface, cet activisme n’a pas encore englobé l’environnement souterrain. En fait, les pressions pour réduire la pollution de surface sont en partie responsables du fait que les personnes se trouvant dans le domaine de la gestion des déchets commencent à convoiter l’environnement souterrain à des fins d’élimination de déchets. Deux des techniques d’élimination qui sont couramment utilisées et tournées vers l’avenir sont l’injection profonde de déchets liquides et la mise en décharge sanitaire des déchets solides. Ces deux techniques peuvent entraîner une pollution souterraine. En outre, celle-ci peut être causée par des fuites provenant des étangs et des lagunes vastement utilisés comme composants de grands systèmes d’élimination des déchets et par lessivage de déchets d’animaux, d’engrais et de pesticides issus de sols agricoles.

Spectre des solutions d'élimination des déchets.
Figure 1.4 Spectre des solutions d’élimination des déchets.

Dans le Chapitre 9, nous examinerons l’analyse de la contamination des eaux souterraines. Nous traiterons les principes et les processus qui nous permettront d’analyser les problèmes généraux de l’élimination des déchets municipaux et industriels, ainsi que les problèmes spécifiquement liés aux activités agricoles, aux déversements de pétrole, aux activités minières et aux déchets radioactifs. Nous discuterons également de la contamination des eaux souterraines côtières par l’intrusion d’eau salée. Dans tous ces problèmes, les considérations physiques de l’écoulement des eaux souterraines doivent être associées aux propriétés et principes chimiques introduits dans le Chapitre 3 et leur association doit être effectuée à la lumière des concepts d’évolution géochimique naturelle décrits au Chapitre 7.

Les eaux souterraines en tant que problème géotechnique

Les eaux souterraines ne sont pas toujours une bénédiction. Au cours de la construction du tunnel de San Jacinto en Californie, le tunnel de l’autoroute de plusieurs millions de dollars a été bloqué pendant plusieurs mois à la suite d’entrées massives d’eaux souterraines provenant d’un système de zones géologiques fortement fracturées.

Dans la ville de Mexico pendant la période 1938-1970, certaines parties de la ville se sont affaissées jusqu’à 8,5 m. L’affaissement différentiel conduit toujours à de graves problèmes pour la conception technique. La principale cause de ces affaissements est maintenant reconnue comme due à un prélèvement excessif d’eaux souterraines dans les aquifères souterrains.

Au barrage Jerome en Idaho, le barrage a «failli», non par une faiblesse structurelle dans le barrage lui-même, mais pour la simple raison que le barrage ne tenais pas l’eau. Les systèmes d’écoulement des eaux souterraines installés dans les formations rocheuses adjacentes au réservoir ont fourni des voies de fuite d’une telle efficacité que le barrage a dû être abandonné.

Au barrage proposé de Revelstoke en Colombie-Britannique, plusieurs années d’exploration géologique ont été effectuées sur un ancien glissement de terrain qui a été identifié sur la rive du réservoir à plusieurs miles du site de construction. La peur réside dans la possibilité que l’augmentation des pressions des eaux souterraines dans la glissière, causée par la mise en retenue du réservoir pourrait diminuer la stabilité de la pente. Un événement de ce type a pris près de 2500 vies en 1963 dans le désert de Vaiont en Italie. Sur le site de Revelstoke, un vaste programme de drainage a été réalisé afin de s’assurer que la catastrophe de Vaiont ne se reproduise pas.

Au Chapitre 10, nous explorerons l’application des principes de l’écoulement des eaux souterraines aux types de problèmes géotechniques précédents et à d’autres. Certains des problèmes, tels que les fuites dans les barrages, dans les entrées des tunnels et les mines à ciel ouvert, résultent de quantités et de taux excessifs d’écoulement des eaux souterraines. Pour d’autres, tels que l’affaissement de la terre et l’instabilité de la pente, l’influence provient de la présence de pressions excessives sur les eaux souterraines plutôt que de la vitesse d’écoulement propre. Dans les deux cas, la construction de diagrammes d’écoulement, présentée au Chapitre 5, est un puissant outil analytique.

Processus souterrains et géologiques

Il existe très peu de processus géologiques qui ne se déroulent pas en présence d’eaux souterraines. En effet, il existe une interrelation étroite entre les systèmes d’écoulement des eaux souterraines et le développement géomorphologique des formes de relief, que ce soit par des processus fluviaux et des processus glaciaires, ou par un développement de la pente naturelle. L’eau souterraine est le contrôle le plus important sur le développement des environnements karstiques.

Les eaux souterraines jouent un rôle dans la concentration de certains gisements minéraux et dans la migration et l’accumulation de pétrole.

Un des rôles géologique des plus spectaculaires des eaux souterraines est dans le contrôle des pressions que les fluides exercent dans les mécanismes de faille. Une découverte intéressante de cette interaction est l’idée selon laquelle il est possible de contrôler les tremblements de terre sur les failles actives en manipulant les pressions naturelles des fluides dans ces zones.

Au Chapitre 11, nous approfondirons le rôle de l’eau souterraine en tant qu’agent dans divers processus géologiques.

1.2 Les fondements scientifiques pour l’étude des eaux souterraines

L’étude des eaux souterraines nécessite la connaissance de nombreux principes fondamentaux de la géologie, de la physique, de la chimie et des mathématiques. Par exemple, l’écoulement des eaux souterraines dans l’environnement naturel dépend fortement de la configuration tridimensionnelle des gisements géologiques à travers lesquels s’effectue l’écoulement. L’hydrologiste ou le géologue des eaux souterraines doit donc avoir des compétences dans l’interprétation des preuves géologiques ainsi que des capacités pour la visualisation d’environnements géologiques. Il devra avoir une formation sur la sédimentologie, la stratigraphie et une compréhension des processus qui conduisent à la mise en place de roches ignées volcaniques et intrusives. Il devra être familier avec les concepts de base de la géologie structurale et être en mesure de reconnaître et de prédire l’influence de failles et des pliages sur les systèmes géologiques. Une importance particulière pour l’élève des eaux souterraines est la compréhension de la nature des dépôts et des formes de relief. Une grande partie du débit des eaux souterraines et un pourcentage significatif du développement des ressources en eaux souterraines a lieu dans les dépôts superficiels non consolidés créés par les processus géologiques fluviaux, lacustres, glaciaires, deltaïques et éoliens. Dans les deux tiers septentrionaux de l’Amérique du Nord, une compréhension de l’apparition et de l’écoulement des eaux souterraines repose presque entièrement sur la compréhension de la géologie glaciaire des dépôts du Pléistocène.

La géologie nous fournit une connaissance qualitative de la structure des écoulements, mais ce sont la physique et la chimie qui nous en fournissent les outils d’analyse quantitative. L’écoulement des eaux souterraines existe comme un champ tout comme la chaleur et l’électricité, et une exposition antérieure à ces champs plus classiques fournit une bonne expérience pour l’analyse du débit des eaux souterraines. L’ensemble des lois qui régissent l’écoulement des eaux souterraines représente un cas particulier de ce domaine de la physique appelée mécanique des fluides. Une compréhension des propriétés mécaniques de base des fluides et des solides, et une dextérité avec leurs dimensions et leurs unités, aidera l’élève à saisir les lois des eaux souterraines. L’annexe I donne un aperçu des éléments de la mécanique des fluides. Tout lecteur qui ne se sent pas habile avec les concepts de densité, pression, énergie, travail, stress et charge hydraulique serait conseillé de lire l’annexe avant d’attaquer le Chapitre 2. Si un traitement plus détaillé de la mécanique des fluides est souhaité, Streeter (1962 ) Et Vennard (1961) sont des ouvrages standard; Albertson et Simons (1964) en fournissent une courte évaluation utile. En ce qui concerne le flux traversant des milieux poreux, une élaboration plus avancée de la physique que celle présente dans cette ouvrage se trouve dans Scheidegger (1960) et Collins (1961), et surtout dans Bear (1972).

L’analyse de l’évolution chimique naturelle des eaux souterraines et du comportement des contaminants dans les eaux souterraines nécessite l’utilisation de certains des principes de chimie inorganique et physique. Ces principes font depuis longtemps partie de la méthodologie des géochimistes et, au cours des dernières décennies, ont eu une utilisation commune dans les études sur les eaux souterraines. Les principes et les techniques de chimie nucléaire contribuent maintenant à une meilleure compréhension de l’environnement des eaux souterraines. Des isotopes stables et radioactifs naturels, par exemple, sont utilisés pour déterminer l’âge de l’eau dans les systèmes souterrains.

L’hydrologie des eaux souterraines est une science quantitative, il ne devrait pas être surprenant de constater que les mathématiques sont sa langue ou, au moins, l’un de ses principaux dialectes. Il serait presque impossible, voir même insensé, d’ignorer les puissants outils du domaine des eaux souterraines qui reposent sur une compréhension des mathématiques. Les méthodes mathématiques sur lesquelles se basent les études classiques sur l’écoulement des eaux souterraines ont été utilisées par les premiers chercheurs sur le terrain à partir de domaines de mathématiques appliquées initialement développés pour le traitement des problèmes de flux de chaleur, d’électricité et de magnétisme. Avec l’avènement de l’ordinateur et sa disponibilité généralisée, bon nombre des progrès récents dans l’analyse des systèmes d’eaux souterraines reposent sur des approches mathématiques très différentes, généralement appelées méthodes numériques. Bien que dans ce texte, ni les méthodes analytiques classiques ni les méthodes numériques ne soient abordées en détail, notre intention a été d’inclure suffisamment de matériel d’introduction pour illustrer certains concepts des plus importants.

Notre texte sur les eaux souterraines n’est certainement pas le premier à être écrit. Il existe beaucoup de ressources intéressantes dans plusieurs textes antérieurs. Todd (1959) a été pendant de nombreuses années l’ouvrage d’introduction de l’ingénierie dans l’hydrologie des eaux souterraines. Davis et De Wiest (1966) mettent beaucoup plus l’accent sur la géologie. Pour un texte totalement attaché aux aspects de l’évaluation des ressources des eaux souterraines, il n’y en a pas mieux que Walton (1970) et Kruseman et De Ridder (1970). Un texte plus récent de Domenico (1972) diffère de ses prédécesseurs car il présente la théorie de base dans le contexte de la modélisation des systèmes hydrologiques. Parmi les meilleurs textes de l’étranger figurent ceux de Schoeller (1962). Bear, Zaslaysky et Irmay (1968), Custodio et Llamas (1974), et le traité russe de Polubarinova-Kochina (1962).

Il existe plusieurs autres sciences terrestres appliquées qui impliquent le flux de fluides à travers des milieux poreux. Il existe une étroite parenté entre l’hydrologie des eaux souterraines, la physique des sols, la mécanique des sols, la mécanique des roches et l’ingénierie des réservoirs de pétrole. Les étudiants des eaux souterraines trouveront beaucoup d’intérêt dans les manuels scolaires de ces domaines tels que Bayer, Gardner et Gardner (1972), Kirkham and Powers (1972), Scott (1963), Jaeger et Cook (1969) et Pirson (1958).

1.3 Les fondements techniques pour le développement des ressources en eaux souterraines

Les deux premières sections de ce chapitre fournissent une introduction aux sujets que nous prévoyons de couvrir dans ce texte. Il est aussi important que nous définissions ce que nous n’avons pas l’intention de couvrir. Comme la plupart des sciences appliquées, l’étude des eaux souterraines peut être divisée en trois grands aspects: la science, l’ingénierie et la technologie. Ce manuel met fortement l’accent sur les principes scientifiques. Il inclut beaucoup d’analyse d’ingénierie mais n’est en aucun cas un manuel sur la technologie.

Parmi les sujets techniques qui ne seront pas discutés en détail sont: les méthodes de forage, la conception, la construction et la maintenance des puits, l’enregistrement géophysique et l’échantillonnage. Tous constituent des connaissances requises pour le spécialiste complet des eaux souterraines, mais sont abordés ailleurs, et tous s’en trouvent mieux enrichis par l’expérience plutôt que par l’apprentissage par cœur.

Il y a plusieurs livres (Briggs et Fiedler, 1966, Gibson and Singer, 1971, Campbell et Lehr, 1973, Environmental Protection Agency des États-Unis, 1973a, 1976) fournissent des descriptions techniques des différents types d’équipements de forage de puits d’eau. Ils contiennent également des informations sur la conception et l’installation des écrans de puits, la sélection et l’installation des pompes, ainsi que la construction et la maintenance des puits.

En ce qui concerne la diagraphie géophysique des forages, la référence de l’industrie pétrolière, où la plupart des techniques ont été découvertes, est Pirson (1963). Patten et Bennett (1963) discutent les différentes techniques avec des références spécifiques à l’exploration des eaux souterraines. Nous mentionnerons brièvement le forage souterrain et l’exploitation forestière dans la section 8.2, mais le lecteur voulant des exemples en plus grand nombre de cas d’évaluation des ressources en eau souterraine devrait consulter Walton (1970).

Il existe un autre aspect de l’eau souterraine plus technique, mais dans un sens différent, qui n’est pas considéré dans ce texte. Nous faisons référence aux lois sur les eaux souterraines. Le développement et la gestion des ressources en eaux souterraines doit avoir lieu dans le cadre des droits de l’eau énoncés dans la législation en vigueur. Une telle législation est généralement établie au niveau de l’État ou de la province, et le résultat en Amérique du Nord est une mosaïque de traditions, de droits et de statuts variés. Piper (1960) et Dewsnut et al. (1973) ont évalué la situation aux États-Unis. Thomas (1958) a attiré l’attention sur certains des paradoxes découlant des conflits entre hydrologie et loi.

Lectures suggérées

CHOW, V. T. 1964. Hydrology and its development. Handbook of Applied Hydrology, ed. V. T. Chow. McGraw-Hill, New York, pp. 1.1–1.22.

MCGUINNESS, C. L. 1963. The role of groundwater in the national water situation. U.S. Geol. Surv. Water-Supply Paper 1800.

MURRAY, C. R. 1973. Water use, consumption, and outlook in the U.S. in 1970. J. Amer. Water Works Assoc., 65, pp. 302–308.

NACE, R. L., ed. 1971. Scientific framework of world water balance. UNESCO Tech. Papers Hydrol., 7, 27 pp.