Notre sous-sol est constitué de roches meubles (sables, argiles,...) ou consolidées (calcaires, grès,...). Ces roches présentent des vides, que l’on appelle porosité. Cette dernière peut être constituée de pores, de fractures ou des deux. Elle permet aux roches de contenir de l’eau et, dans certaines circonstances, de la laisser circuler. Une nappe d’eau souterraine est l’eau contenue dans les vides du sous-sol.

L’aquifère est la couche de roche qui contient une nappe. Un aquifère n’est pas toujours saturé en eau sur toute sa hauteur. Le sommet de la zone saturée dans l’aquifère est appelé toit de la nappe.

Une nappe peut être :

• libre si l’aquifère qui la contient est surmonté de roches perméables. Dans ce cas, le toit de la nappe peut fluctuer librement ;
• captive si l’aquifère qui la contient est surmonté de roches imperméables (argile, schiste) ; le toit de la nappe ne peut fluctuer au-délà de la couche imperméable. La nappe est alors sous pression.

Les aquifères se remplissent en fonction des précipitations, dont une partie transite jusqu’aux nappes, et se vident en fonctions des exutoires (sources, rivières, connections avec d’autres aquifères). La perméabilité d’une roche caractérise la facilité avec laquelle l’eau qu’elle contient circule au sein de sa porosité jusqu’aux exutoires.

Il existe donc des sens d’écoulement au sein des nappes, des points hauts vers les exutoires. Les relations sont complexes, parfois les sens d'écoulement peuvent changer au cours du temps, du fait de variations naturelles ou de l’effet de captages.

Le bilan hydrogéologique

Un bilan hydrogéologique est la balance entre la quantité d'eau qui alimente une nappe et la quantité d'eau qui la quitte.

Suite aux précipitations (P) (pluie, neige, etc.), une partie de l'eau s'évapore sous l'effet du soleil et/ou de la chaleur, une autre partie est interceptée par les plantes. Ces deux termes, l'évaporation  (E) et la transpiration (T) des plantes, sont généralement groupés dans les bilans d'eau sous le terme d'évapotranspiration (ETR = E+T).
L'eau des précipitations qui subsiste après évapotranspiration s'appelle l'eau utile (P-ETR). Une partie de cette eau utile ruisselle (R) et contribue notamment aux débits des cours d'eau, une autre partie s'infiltre (I) à travers le sol et la zone non saturée et recharge les nappes.

Cycle de l'eau : P : précipitations ; E : évaporation ; T : transpiration ; ETR : évapotranspiration (ETR = E+T)  ; I : infiltration ; R : ruissellement ; ESo : écoulement de l'eau souterraine

Cote ou niveau piézométrique et surface piézométrique

Afin de définir les sens d’écoulement de l'eau au sein d’une nappe et d’évaluer ses fluctuations saisonnières, on mesure la profondeur à laquelle se trouve la nappe et on la convertit en altitude, que l'on appelle cote ou niveau piézométrique (cote du niveau de l'eau). La surface piézométrique de la nappe est le lieu géométrique des cotes piézométriques.

La cote piézométrique (H) est le niveau qu'atteint l'eau dans un piézomètre crépiné au sein de l'aquifère. Elle peut se calculer comme suit :

H = Z_S - P_S
où
Z_S est l'altitude (de la surface du sol) par rapport au niveau de référence (ici, la mer);
P_S est la profondeur de l'eau souterraine; c'est-à-dire la profondeur à laquelle se rencontre le sommet de la zone saturée de l'aquifère (toit de la nappe).

Dans le cas d'une nappe libre, la cote piézométrique correspond au toit de la nappe.

Niveau piézométrique dans une nappe libre

Dans le cas d'une nappe captive (sous pression), le toit de la nappe correspond au toit de l’aquifère, c'est-à-dire à la base de la couche imperméable qui rend la nappe captive. Comme la nappe est sous pression, si l’on fore un puits jusqu’à cette nappe captive et que ce puits est crépiné – c'est à dire qu’il dispose d’ouvertures – uniquement dans la zone en contact avec la nappe captive, la cote piézométrique s'équilibre au-dessus du toit de l’aquifère.

Lorsque la cote piézométrique dépasse le niveau du sol (eau jaillissante), on parle d'artésianisme. Si le tubage du piézomètre ne remonte pas au-dessus de la cote piézométrique, l'eau s'écoule en permanence.

Niveau piézométrique dans une nappe libre (à gauche), dans une nappe captive - puits non artésien (au centre) et dans une nappe captive - puits artésien (à droite)

Mesures et cotes piézométriques en pratique

La mesure du niveau de l'eau souterraine se fait dans un piézomètre par rapport à un repère de mesure, défini au cas par cas pour chaque piézomètre. Ce repère est généralement le sommet du tubage du piézomètre. On distingue ainsi deux valeurs relatives :

• P_S : la profondeur de l'eau par rapport au sol, c'est-à-dire la distance entre le niveau du sol et le niveau piézométrique;
• P_RM : la profondeur de l'eau par rapport au repère de mesure, c'est-à-dire la distance entre le repère de mesure et le niveau piézométrique

En définissant le niveau du sol et celui du repère de mesure par rapport au niveau de référence, on distingue les valeurs absolues ou cotes suivantes :

• Z_S : la cote du niveau du sol, définie comme l'altitude de la surface du sol par rapport au niveau de référence;
• Z_RM : la cote du repère de mesure, qui correspond à l'altitude de ce repère par rapport au même niveau de référence.

On peut noter dz la distance entre ces deux valeurs.En pratique, on mesure la profondeur de l'eau P_RM à l'aide d'une sonde piézométrique (manuelle ou automatisée). En connaissant la cote du repère de mesure Z_RM (par nivellement topographique), on peut en déduire la cote piézométrique H :

H = Z_RM - P_RM =  Z_S - P_S

Mesure piézométrique - cas d'une nappe libre

Le niveau de l'eau souterraine est susceptible de fluctuer en tout point de la nappe, en fonction de la recharge saisonnière, des prélèvements, etc. Un suivi piézométrique est donc effectué au cours du temps pour contrôler, notamment, le bon état quantitatif des ressources en eau souterraine. A partir de ce suivi, le site piezometrie.wallonie.be fournit, pour chacune des stations, un graphique de l'évolution du niveau piézométrique en fonction du temps. Ce graphique, à double échelle, présente :

1. non seulement la profondeur de l'eau par rapport au sol (P_S ) (et non par rapport au repère de mesure), déduit par la formule ci-dessus, en connaissant l'altitude du niveau du sol ;
2. mais également la cote du niveau de l'eau (H) ou cote piézométrique.

Mesurer et établir les cotes piézométriques d'une nappe en différents endroits permet notamment :

• des comparaisons entre stations de mesure ;
• des interprétations spatiales comme le tracé de cartes piézométriques ;
• de définir si une nappe est captive (essai de pompage) ;
• de contrôler le bon état quantitatif des ressources en eau souterraine ;
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