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4. PRINCIPAUX ENSEIGNEMENTS DES TESTS MIS EN ŒUVRE

4.1 Les causes possibles de non représentativité des prélèvements en forage

Compte tenu de la diversité chimique et physique (espèces dissoutes, colloïdales, non miscibles, ou en suspension) des substances qui peuvent y être recherchées, la représentativité des prélèvements en forage peut être entachée par des causes très variées :

• Des apports provenant de la surface : eaux météoriques ou déversements accidentels de nature diverse, particules solides, … mais aussi échanges gazeux avec l’atmosphère.

• Des causes intrinsèques à l’ouvrage et à sa constitution technique (‘complétion’) : les ouvrages de contrôle, même s’ils ont été réalisés selon les normes en vigueur [25] peuvent en effet, pas leurs matériaux constitutifs ou ceux de leur massif filtrant, relarguer par eux-mêmes certains polluants, ou au contraire retenir une partie des polluants présents dans l’aquifère examiné.

• Des causes propres aux opérations réalisées sur l’ouvrage, préalablement ou au cours des prélèvements : perturbations dues par exemple aux outils de mesure, à une mauvaise procédure de purge, ou contamination provoquée par le matériel employé.

• Des causes dues aux hétérogénéités éventuelles de l’aquifère et à celles de la colonne d’eau contenu dans l’ouvrage, et à la mauvaise adéquation du prélèvement vis-à-vis de ces hétérogénéités.

• Les causes propres au conditionnement des échantillons et à leur méthode de conservation : flaconnage inadapté au polluant recherché, opérations de conditionnement préservant mal les échantillons d’un dégazage ou au contraire d’une contamination par les gaz atmosphériques, absence d’opération de filtration ou inadéquation de celle-ci, perturbation thermique …

• D’autres causes potentielles sont liées à l’implantation de l’ouvrage et à la période choisie pour le prélèvement : par exemple le fait que l’ouvrage ne soit pas implanté en aval hydraulique de la source de pollution, ou le fait qu’à la date d’échantillonnage, les conditions hydrodynamiques locales rendent un pollution indétectable au niveau de l’ouvrage considéré.

Ces dernières causes potentielles de non représentativité seront évoquées plus bas mais relèvent essentiellement de la stratégie d’échantillonnage. Les tests réalisés et discutés ci-dessous ont visé à écarter autant que faire se peut toutes les autres causes de non représentativité, qui sont liées aux opérations réalisées préalablement et au cours de l’échantillonnage d’un ouvrage donné.

4.2 Les perturbations potentielles dues au contact avec l’atmosphère

La perturbation induite par la mise en contact de l’eau souterraine que l’on cherche à prélever avec le milieu extérieur (l’atmosphère) peut survenir aussi bien dans l’ouvrage au repos (dans la tranche d’eau superficielle), que lors des opérations de purge, de prélèvement, de conditionnement et de transport des échantillons. C’est donc une cause banale de perturbation qui peut présenter trois aspects distincts (EMP) :

• une variation de température avec un refroidissement de l’échantillon en période hivernale, ou un réchauffement aux heures chaudes de la journée et en période estivale ;

• une variation de l’état d’oxydo-réduction de la solution qui correspond à une contamination par l’oxygène atmosphérique et qui va donc toujours dans le sens d’une oxydation ;

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a b

c d

Figure 25 : Simulation de l’effet potentiel d'une oxydation au contact de l'air (évolution simulée en (a) du pH ; en (b) de la fugacité de CO2 ; en (c) de la mesure

d’alcalinité ; en (d) des indices de saturation du modèle d’eau considéré - EMP)

Tableau IV : Bilan des effets potentiels de la mise en contact avec l'atmosphère sur l'état thermodynamique d'un échantillon d'eau souterraine

(Programme EMP)

Type de perturbation

élévation de température

10°C

chute de température

10°C

chute de fugacité de CO2

élévation fugacité O2

pH ↓ 0,05 ↑ 0,05 ↑ ↑ 0,15 final : ↓ 0,05

Eh ↑ 20 mV ↓ 20 mV ≈ sans effet ↑ ↑ x 100 mV

Alcalinité ≈ sans effet ≈ sans effet ↓ ↓ de 22 à 13 ≈ sans effet

Indices de saturation

↑ minéraux argileux ↓ silice

↑ silice ↓ minéraux

argileux

↑ ↑ minéraux argileux

↑ ↑ minéraux ferrifères,

oxydes métalliques

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• un rééquilibrage partiel de la fugacité1 de CO2, qui va très généralement dans le sens d’une perte, car les eaux souterraines2 présentent des fugacités de 1 à 2 ordres de grandeur supérieures à celle d’une eau en équilibre avec l’atmosphère.

Dans le cadre du programme réalisé par l’EMP, l’impact que peuvent avoir ces différents facteurs sur une solution de composition donnée a été modélisé, tant pour ce qui concerne son état d’équilibre thermodynamique (indices de saturation vis-à-vis des minéraux potentiels), que sur les mesures physico-chimiques réalisées sur place telles que le pH, le potentiel redox (Eh), et le dosage d’alcalinité3.

Les résultats présentés Figure 23 à Figure 25 sont synthétisés dans le Tableau IV et permettent de préciser le rôle de chaque type de perturbation, dans la gamme des variations qui peuvent effectivement survenir dans le contexte de ce programme d’étude4 :

• les variations de température ont des effets très limités sur les paramètres physico-chimiques, mais perturbent l’état d’équilibre vis-à-vis de certains minéraux (minéraux siliceux, argiles ;

• la chute de la fugacité de CO2 est le facteur majeur de perturbation du pH (élévation), et de l’alcalinité (chute sensible), elle entraîne elle-aussi une sursaturation vis-à-vis des minéraux argileux, et très souvent des carbonates ;

• l’élévation de la fugacité de O2 et l’oxydation partielle de l’échantillon ont pour effet principal une forte élévation du Eh (potentiellement plusieurs centaines de millivolts) et l’apparition d’une forte sursaturation vis-à-vis des oxyhydroxydes de fer (et potentiellement d’autres métaux) et vis-à-vis des argiles ferrifères.

On retiendra que la mise en contact de l’échantillon avec l’atmosphère risque d’entraîner non seulement certaines modifications importantes de ses paramètres physicochimiques, mais peut aussi conduire à la précipitation de différentes phases minérales, et gravement entacher la représentativité des concentrations de certains polluants (aluminium, métaux de base). On devra donc s’attacher dans ce qui suit à définir quelles méthodes adaptées de prélèvement et de conditionnement sont susceptibles de minimiser ces facteurs perturbant.

Outre les perturbations exposées ci-dessus, la mise en contact des eaux avec l’atmosphère peut évidemment avoir d’autres effets néfastes, par exemple vis-à-vis des composés organiques volatils, comme nous le verrons plus bas.

1 La fugacité d'un gaz dans une solution est égale à sa pression partielle dans la phase

gazeuse (réelle ou virtuelle) en équilibre avec la solution. 2 Ce ne sera pas toujours le cas pour des effluents industriels qui peuvent présenter des

caractéristiques très diverses. 3 L’alcalinité d’une solution désigne sa capacité à neutraliser un acide fort. Les principales

espèces contribuant à l’alcalinité dans les eaux naturelles sont les ions hydrogéno-carbonate HCO3

- et carbonate CO32-. La mesure réalisée sur le terrain (donnée

habituellement en mg/L de CaCO3 équivalent) est pratiquement la seule méthode fiable de dosage des espèces carbonatées (EMP).

4 Il est fait abstraction ici en revanche de situations extrêmes telles que fluides très chauds, eaux d’origine très profondes, effluents de chimisme très inhabituels, etc., qui devraient faire bien sûr l’objet d’un examen particulier.

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Figure 26 : Diagraphie avec sonde de

conductivité et sonde oxymétrique (EMP)

Figure 27 : Sonde multiparamètres

(Aqualyse mémodat 4) et ses accessoires (CNRSSP)

Figure 28 : Mesure au micro-moulinet sur

PzN (CNRSSP)

Figure 29 : Schéma de principe de la mesure de débit par dilution (BRGM)

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4.3 Les mesures associées aux prélèvements

4.3.1 Types de mesures réalisées et outils employés Quatre types de mesures peuvent ou doivent être associées aux prélèvements en forages de contrôle : 1. Les mesures de la profondeur et du niveau statique (ou dynamique) dans

l’ouvrage. Elles sont réalisées avec des sondes piézométriques classiques, sonores ou lumineuses et constituent un préalable aux opérations. Elles permettent en outre de déterminer la hauteur de la colonne d’eau libre, un paramètre indispensable pour la détermination des volumes de purge.

2. Les diagraphies de la colonne d’eau sont réalisées à l’aide de sondes diverses. Dans la version la plus simple, ce peut être un log de température réalisé à l’aide d’une sonde piézométrique avec capteur de température. Mais il peut aussi s’agir d’une diagraphie avec une sonde dédiée (par exemple O2 dissous, ou conductivité, Figure 26), ou d’une diagraphie simultanée de plusieurs paramètres physico-chimiques (température, pH, conductivité, potentiel d’oxydoréduction et oxygène dissous) à l’aide d’une sonde combinée multi-paramètres (Figure 27). Ces mesures in situ sont réalisées sur toute la hauteur de la colonne d’eau, à la descente, à la montée, ou lors d’un cycle montée-descente. Elles peuvent être faites à un pas de profondeur fixe (10, 20, 50 cm, …), ou enregistrées en continu à un pas de temps fixé.

3. Les mesures de vitesses d’écoulement ont été réalisées dans quelques ouvrages qui le justifiaient (hauteur d’eau notable, forts gradients de perméabilité soupçonnés, milieux fracturés avec circulation de fissures, …). Ce dernier type de mesure peut être effectué directement à l’aide d’un micro-moulinet (CNRSSP, Figure 28) pour la connaissance des écoulements au sein de l’ouvrage lui-même. Des mesures de débit de la nappe peuvent être également envisagée par des méthodes de traçage/dilution. Le principe de la mesure de débit par dilution est le suivant : (1) un traceur fluorescent injecté (par exemple la rhodamine WT) est dilué par l'écoulement de la nappe à travers le un tronçon isolé de la partie crépinée du forage ; (2) la disparition du traceur est mesurée en continu par un fluorimètre, la circulation de l'eau dans le forage et dans le circuit de mesure étant assurée par une pompe immergée ; (3) la vitesse de disparition du traceur est liée au débit de la nappe qui traverse le forage (BRGM/CEA, Figure 29). On peut par cette méthode établir des profils de vitesse de nappe sur la hauteur crépinée de l’ouvrage (Figure 30).

4. Les mesures physico-chimiques propres à l’échantillon prélevé. L’acquisition de ces paramètres à l’instant même du prélèvement est une nécessité à la fois pour une bonne connaissance de l’état de l’aquifère, et pour la valorisation ultérieure des données analytiques (via un code de thermodynamique chimique par exemple). Les paramètres à déterminer in situ sont la température, le pH, le potentiel redox, et accessoirement la concentration en oxygène dissous5. L’alcalinité est aussi un paramètre qu’il est indispensable de déterminer sur place pour un dosage fiable des carbonates.

Ces mesures ont été systématisées dans la majorité des programmes de terrain, avec successivement des mesures préalables aux tests, des mesures en cours de purge, des mesures associées aux prélèvements, et des mesures post-prélèvements.

5 L’état d’oxydo-réduction de l’échantillon est mesuré de manière plus fiable par un Eh-

mètre. L’oxymètre fournit la concentration en O2 dissous (en mg/L ou % par rapport à l’équilibre avec l’atmosphère), mais cette concentration enregistre de façon quasi instantanée toute perturbation due à une aération même brève de l’échantillon (EMP).

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Figure 30 : Profil de vitesse dans le puits n° 199 en période de basses eaux (BRGM)

(On note deux zones à circulation rapide, au sommet, et au tiers inférieur de la colonne d’eau)

Figure 31 : Diagraphie préalable du piézomètre PzN (Site 1) (CNRSSP) On note de forts gradients en haut de la colonne d’eau, en particulier pour l’O2 dissous et le

Eh, et un nouveau changement vers la base de l’aquifère. L’homogénéité de la colonne d’eau entre 25 et 48 m a pu être attribuée à une circulation au sein de l’ouvrage entre deux

fissures..

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4.3.2 Les mesures préalables

4.3.2.1 Intérêt pour la connaissance initiale des ouvrages

Un préalable à toute opération sur l’ouvrage considéré est la connaissance de sa coupe technique ainsi que de sa coupe géologique. En l’absence de ses informations, ou éventuellement en complément de celles-ci, une inspection vidéo de l’ouvrage doit être envisagée. Les mesures diagraphiques initiales apportent quant à elles des informations sur la portion d’aquifère interceptée par l’ouvrage et présentent un double intérêt :

• fournir un « point zéro » de l’état de l’ouvrage et de la colonne d’eau qu’il contient, auquel on pourra se référer après chaque opération ultérieure, ou lors des campagnes suivantes d’échantillonnage ;

• mettre en évidence les hétérogénéités ou la stratification éventuelle de cette colonne d’eau, et guider ainsi les opérations ultérieures de purge et/ou de prélèvement.

4.3.2.2 Exemple de diagraphies initiales communément observées

Un exemple typique de diagraphie préalable des principaux paramètres physico-chimiques est fourni Figure 31) :

• Les logs de température montrent généralement dans les ouvrages des amplitudes de quelques dixièmes de degrés à quelques degrés. Leur allure change avec les saisons : en période hivernale, les températures les plus basses s’observent en sommet de la colonne d’eau (cas de la Figure 31), et la température s’élève graduellement jusqu’en fond d’ouvrage ; en période chaude, la température est élevée en surface, passe par un minimum, puis recommence à croître à nouveau jusqu’en fond d’ouvrage (Figure 32).

• Un assez fort gradient est observé dans la plupart des cas pour les mesures de potentiel redox, la partie superficielle de la colonne d’eau, en contact avec l’atmosphère, étant toujours la plus oxydante6. Les logs d’oxygène dissous montrent une évolution de même sens, avec en surface des valeurs évidemment proches de la saturation vis-à-vis de l’atmosphère, et qui tombent assez brusquement à des valeurs proches de zéro à une certaine profondeur.

• Pour ce qui concerne la conductivité, la tendance est généralement inverse, avec des valeurs relativement plus faibles en surface, et une tendance à l’augmentation avec la profondeur. Ceci peut s’interpréter comme une dilution plus grande de l’eau de la nappe (ou de l’eau contenue dans le piézomètre) par les eaux météoriques. Des contrastes variables existent d’un site à l’autre, mais les très forts contrastes correspondent aux sites où une véritable stratification chimiques des eaux est présente (cf ¶ ci dessous). Au cours des différents programmes on a souvent relevé en outre une ou deux valeurs anormalement élevées de conductivité en fond d’ouvrage (cf Figure 31 et Figure 32), celles-ci paraissent dues aux conditions spécifiques du fond de trou (bouchon, sédiments, effet de bord … ?).

On peut remarquer de plus que lorsque l’ouvrage n’est pas crépiné sur toute sa hauteur, on observe classiquement un fort gradient initial de ces différents paramètres physico-chimiques au niveau du sommet de la partie crépinée, du fait du rééquilibrage thermique et physico-chimique partiel des eaux avec l’atmosphère, et de l’absence de renouvellement des eaux dans le tubage supérieur non crépiné.

6 Le gradient est particulièrement fort sur la Figure 31c du fait que l’aquifère profond est très

réducteur, mais ce n’est pas un cas général.

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Diagraphie - piézo h(10/9/2001)

-20

-18

-16

-14

-12

-10

-8

-6

-4

-2

00 5 10 15

Prof

onde

ur e

n m

Température en °C O2 dissous en mg/L

Diagraphie - piézo h(10/9/2001)

-20

-18

-16

-14

-12

-10

-8

-6

-4

-2

0170 180 190 200 210

Conductivité en µS/cm

Figure 32 : Exemple de log initial de température, oxygène dissous, et conductivité

électrique (EMP – Piézomètre h du site intragranitique)

Figure 33 : Comparaison entre les diagraphies initiales obtenues, pour un même puits entre

mars et septembre (BRGM - puits 143)

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4.3.2.3 Mise en évidence des variations saisonnières

La réalisation de ces diagraphies à différentes époques de l’année peut aussi mettre en évidence des variations saisonnières importantes, qui dépassent le seul effet thermique rappelé ci-dessus. Un bon exemple est fourni par la Figure 33 (BRGM, puits 143, site de Tavaux). Les deux logs réalisés en mars et septembre de la même année montrent :

• Le contraste classique pour les logs de température ;

• Une stratification physico-chimique très marquée de l’aquifère en deux couches, avec une partie superficielle à conductivité modérée, et une partie profonde à conductivité très élevée ;

• Une forte variation du niveau de l’interface entre les deux parties de l’aquifère, situé vers 13 m en mars et vers 6,5 m seulement en septembre.

On a pu en outre montrer dans le cadre de ce même programme, que les types de molécules organo-chlorées identifiées, leurs teneurs ainsi que les quantités de chlorures étaient également variables d’une campagne à l’autre.

On retiendra donc non seulement que la réalisation des diagraphies initiales est essentielle pour la connaissance préalable de l’ouvrage et de l’aquifère et pour guider toute stratégie de pompage et de prélèvement, mais aussi pour mettre en évidence toute évolution temporelle potentielle de l’aquifère. Ces diagraphies devront donc être réalisées avant chaque campagne.

4.3.2.4 Difficultés rencontrées dans la réalisation des diagraphies préalables

La réalisation de ces diagraphies et mesures préalables ne pose pas de problèmes particuliers si l’on dispose de sondes adéquates et adaptées à l’ouvrage. Il faudra donc vérifier que les conditions régnant dans l’aquifère, si elles sont très inhabituelles, sont bien compatibles avec les conditions d’opération et les gammes couvertes par les appareils de mesure physico-chimiques.

Dans le cas où elle est nécessaire, la mise en évidence d’écoulements au sein de l’ouvrage peut aussi se heurter à certaines difficultés : les tests du CNRSSP montrent par exemple que le micro-moulinet ne permet généralement pas de mesurer de façon directe des vitesses d’écoulement dans la colonne d’eau, du fait qu’elles sont trop faibles dans la plupart des ouvrages.

D’autres observations montrent que la mesure elle-même peut parfois perturber le fonctionnement de certaines sondes. C’est le cas par exemple des sondes à oxygène dissous qui paraissent durablement perturbées par le passage dans certaines eaux, ou dont le temps de mise à l’équilibre avec l’eau du forage pourrait dans certaines conditions être inadapté à la vitesse de diagraphie (EMP, cf. Figure 79).

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500 550 600 650 700 750

0

100

200

300

400

Profil initial 1Profil 1 après 5 passagesd'une sonde de 16 mmProfil initial 2Profil 2 après 5 passagesd'une sonde de 38 mm

H

H0.5

V1.5

O2.5

H3.5

R3

Protocole utilisé : PROTOCOLE 1Fichier : 03080101.xls

- 9%

- 14 %

500 550 600 650 700 750

0

1

2

3

4

Profil initial 3Profil 3 après 4 passagesd'une sonde de 49 mm

H

R2

H1

V2

O3

H4

Protocole utilisé : PROTOCOLE 2Fichier : 22100101.xls

-17%

Vitesse de passage :4.2 m/min

SONDE 49 mm

Vitesse de passage :4 m/min

SONDES 16 mm & 38 mm

0 1 2 3 4 5 6 7Temps (min)

520

560

600

640

680

Con

duct

ivité

non

com

pens

ée (µ

S/c

m)

4 PROFILS SUCCESSIFSProfils descendantsProfils ascendantsDécroissance des picsmesurés à la descenteDécroissance des picsmesurés à la montée

1er Passage 2ème Passage 3ème Passage 4ème Passage

Descente Descente Descente DescenteRemontée Remontée Remontée Remontée

Vitesse de passage :4.2 m/min

SONDE 49 mm

Figure 34 : Influence du passage de sondes de différents diamètres sur la stratification chimique d'un forage au repos (HYDRO INVEST)

(Diamètre interne du forage : 98 mm)

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4.3.2.5 Perturbations apportées par les outils de mesure ou de prélèvement

Par ailleurs, certaines observations (mesures en descente puis en montée, diagraphies redoublées) rappellent que la montée et la descente répétées de plusieurs sondes dans un ouvrage de diamètre réduit peuvent perturber sensiblement l’état initial de la colonne d’eau (EMP), et en particulier provoquer un mélange des couches au sein d’un aquifère sensiblement stratifié (BRGM).

L’étude BRGM conclut que pour éviter un éventuel effet « piston » et créer le moins de perturbations possibles, il faut avoir un diamètre de forage au moins deux fois supérieur à celui de la sonde, soit au moins 100 mm, et descendre et remonter la sonde à faible vitesse (environ 3 à 5 m/mn).

Des tests ont été réalisés sur le pilote HYDRO INVEST pour apprécier l'importance des perturbations apportées par ce passage répété dans la colonne d'eau des sondes ou instruments de mesure, ainsi que des outils de prélèvement. Ces tests ont consisté à créer dans la colonne de forage un profil de conductivité contrasté, par injection localisée d'un traceur (NaCl), puis à faire circuler plusieurs fois la sonde ou l'appareil à tester. Un profil de conductivité est enregistré (Figure 34) à chaque passage de la sonde (descente et remontée).

Ces tests montrent assez logiquement que la perturbation est plus marquée quand le diamètre de la sonde est important par rapport au diamètre interne du forage. Par contre, en cas de vitesse de passage élevée (16 m/mn), la perturbation est quasiment la même qu'en cas de passages lents (4 m/mn), avec toutefois un léger entraînement vers le bas du panache.

Il a été observé par ailleurs que les profils mesurés à la descente (enregistrés en continu – voir graphique du bas de la figure ci-contre) sont assez nettement différents de ceux mesurés en remontant la sonde : le pic de conductivité mesuré en remontant était inférieur de plus de 20 µS/cm (à 20°C) à celui mesuré en descendant, et ceci pour chaque passage successif (et pour deux modèles de sondes différents).

Cet effet qui est soupçonné sur le terrain mais difficile à mettre en évidence de façon indépendante de l’effet de mélange, doit être lié aux caractéristiques géométriques de la sonde et à la position du capteur dans le corps de sonde.

Il a aussi été observé que c'est le premier passage d'une sonde qui modifie le plus la stratification de la colonne d'eau.

4.3.2.6 Conclusions

Les mesures initiales, et spécialement les diagraphies sont une étape préalable indispensable à la connaissance de l’ouvrage et de l’aquifère étudié. Leurs résultats doivent guider la réalisation des opérations ultérieures de purge (notamment la mise en place de la pompe) et de prélèvement. Elles constituent en outre un guide essentiel dans l’interprétation des résultats de la campagne.

La diagraphie de conductivité est en particulier nécessaire pour déceler une stratification de l’aquifère, et doit être répétée avant chaque campagne de prélèvements pour mettre en évidence une éventuelle variation saisonnière de celle-ci.

On doit néanmoins garder à l’esprit les perturbations induites par les sondes (en particulier dans un forage de faible diamètre) et chercher à les minimiser. Dans tous les cas, la mesure en descendant, qui est plus fidèle, et qui assure un minium de perturbation, est recommandée.

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50

0,000

0,200

0,400

0,600

0,800

1,000

1,200

0 20 40 60 80 100 120 140 160Temps en min

V pu

rgé/V

ouvr

age

0

5

10

15

20

25

30

0 20 40 60 80 100 120 140 160Temps en min

Température (°C) pH Eh (V*100)Conductivité (µS/cm*100) O2 dissous (mg/l) Pompe à 35 mPompe à 48 m

Figure 35 : Exemple de suivi des paramètres en cours de purge.

(En haut : cumul des volumes pompé ; en bas : évolution des paramètres physico-chimiques. Piézomètre H du site intragranitique, EMP)

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4.3.3 Les mesures en cours de purge

4.3.3.1 But et types de mesure

Le but essentiel des mesures en cours de purge est de suivre si possible en continu les effets de celle-ci, et en particulier de déterminer l’instant optimal du prélèvement. Trois types de mesures doivent être mises en œuvre :

• La mesure de niveau qui permet de suivre le rabattement de l’eau dans le forage, et de prévenir un éventuel désamorçage de la pompe ;

• L’enregistrement du débit et de la durée de purge et du volume pompé, qui permet de connaître le taux de renouvellement de l’eau dans l’ouvrage, un des critères d’arrêt de la purge et de déclenchement du prélèvement ;

• La mesure en continu des paramètres physico-chimiques de l’eau pompée est souhaitable et évidemment nécessaire si on veut l’utiliser comme critère d’arrêt de la purge

4.3.3.2 Méthodes mises en œuvre

Le suivi du niveau d’eau dans l’ouvrage en cours de purge est commodément assuré par une sonde piézométrique classique. Une méthode consiste à positionner la sonde à une profondeur donnée au dessous du niveau initial et à enregistrer l’instant de son émersion, et à suivre ainsi de proche en proche le rabattement. La mesure du débit réel peut être réalisée par un débitmètre en sortie de la tuyauterie de pompage (cf Figure 12). Une alternative consiste à mesurer le volume total pompé grâce à un réservoir jaugé.

Le suivi des principaux paramètres physico-chimiques (température, pH, Eh, conductivité, oxygène dissous, …) est habituellement réalisé en sortie de la tuyauterie de pompage. Les sondes et électrodes correspondantes peuvent être commodément implantées dans une boite de mesure connectée à la sortie de pompe. Le dispositif permet la mesure de ces paramètres quasiment en continu, en préservant parfaitement le flux pompé du contact avec l’atmosphère (cf Figure 12).

On peut également envisager le suivi physico-chimique grâce à une sonde multi-paramètres positionnée au niveau de la crépine de pompage, si le diamètre de l’ouvrage est suffisant. Mais si ce type d’instrument permet de faire des mesures in situ dans le piézomètre au repos, il est apparu difficilement utilisable dans ce cas du fait des perturbations électromagnétiques produites par les pompes immergées (CNRSSP)7.

4.3.3.3 Suivi et exploitation

La Figure 35 montre un exemple de suivi concomitant du volume purgé et d’évolution des paramètres physico-chimiques de l’eau pompée : sur l’exemple illustré ici, on voit que la conductivité est le paramètre le plus variable et donc le plus discriminant. C’est ce type de suivi qui permet d’évaluer l’instant optimal du prélèvement, selon les critères qui seront exposés plus bas.

7 Dans quelques programmes de recherche, certains paramètres (températures,

conductivité) ont en outre été suivis grâce à des sondes positionnées au dessus et au dessous de la crépine de pompe (cf Figure 19), afin d’évaluer la représentativité de l’eau prélevée, mais ce dispositif délicat à mettre en place ne permet pas de suivre pratiquement l’effet de la purge.

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4.3.4 Les mesures lors du prélèvement 4.3.4.1 Intérêt des mesures physico-chimique propres à l’échantillon prélevé

La détermination de la qualité d’un prélèvement d’eau nécessite, outre la connaissance de son contenu en éléments dissous la mesure de certains paramètres physico-chimiques essentiels, tels que la température, le pH, le contenu en oxygène dissous, et le potentiel redox (Eh). On adjoint habituellement à ces mesures celle de la conductivité, qui fournit une indication immédiate sur la charge totale dissoute8.

Ces paramètres sont aussi indispensables pour exploiter sur le plan scientifique (étude thermodynamique, modélisation géochimique du transfert des polluants) les résultats analytiques. Ils doivent être déterminés sur le terrain à l’instant même du prélèvement car comme nous l’avons vu plus haut (cf 4.2), tous peuvent être fortement perturbés durant le transport et la manutention des échantillons. À ces paramètres physico-chimiques classiques il est souhaitable d’associer, pour les raisons explicitées ci-dessous une détermination de l’alcalinité du prélèvement.

4.3.4.2 Réalisation des mesures sur prélèvements statiques

Dans le cas d’un prélèvement statique, dans les minutes suivant chaque prélèvement, une partie de l'échantillon brut est réservée à la mesure de pH, Eh, oxygène dissous et conductivité électrique, à l’aide d’appareils de mesure portables à électrodes spécifiques, et convenablement nettoyées et étalonnées9.

Les mesures peuvent être réalisées dans un bol unique sous agitation ménagée, où plongent les quatre électrodes. L’agitation modérée est préconisée en particulier pour la mesure du pH et de l’O2 dissous. L’utilisation d’une sonde combinée convenablement étalonnée est évidemment envisageable si le volume d’eau prélevé autorise commodément sa mise en œuvre.

4.3.4.3 Réalisation des mesures pour les prélèvements en pompage

Dans le cas des prélèvements en pompage, les mesures sont habituellement réalisées en continu, en sortie de la tuyauterie de pompe. Les paramètres physico-chimiques propres à l’échantillon prélevé peuvent alors être relevés par simple lecture des sondes à l’instant du prélèvement.

En l’absence de mesures en continu, les différents paramètres devront évidemment être déterminés sur une fraction de l’échantillon lui-même, comme dans le cas des prélèvements statiques.

4.3.4.4 Dosage de l’alcalinité

L’alcalinité d’une solution désigne sa capacité à neutraliser un acide fort. Les principales espèces contribuant à cette capacité de neutralisation [25] sont les ions hydrogéno-carbonate HCO3

- et carbonate CO32-, qui consomment respectivement

lors d’un ajout d’acide 1 et 2 protons :

HCO3- + H+ CO2(aq) + H2O

CO32- + 2H+ CO2(aq) + H2O

8 La charge totale dissoute (TDS) est reliée à la conductivité par une relation approchée :

TDSmg/L~0.688 x ECµS/cm à 20°C

9 Un étalonnage quotidien des appareils est généralement suffisant.

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D’autres espèces moins communes ou moins abondantes comme les ion hydroxyl, borate, phosphate, ou l’ammoniaque, peuvent également contribuer à l’alcalinité totale, mais on peut souvent admettre, que la quasi-totalité10 de l’alcalinité de la solution provient de l’hydrogénocarbonate présent. Cette mesure est donc extrêmement précieuse, pour déterminer in situ la concentration en hydrogénocarbonate (très sensible aux perturbations subies lors de la manutention et du transport des échantillons), en particulier si l’on veut valoriser sur le plan scientifique les résultats analytiques.

Le dosage de l'alcalinité (TAC), peut être assez facilement réalisé sur le terrain par une méthode titrimétrique à partir de 100 mL de la fraction filtrée de l'échantillon. Le titrage est réalisé à partir d'un titrimètre. La solution est placée dans un erlenmayer sous agitation magnétique. On y ajoute une dose d'indicateur coloré (rouge de méthyl + vert de bromocrésol) qui confère à la solution une coloration verte. Cette solution est ensuite titrée par H2SO4 (1,6N) jusqu'au virage au rose fuchsia (pH = 4,6)

En pratique, les kits de titration commercialisés donnent généralement la mesure d’alcalinité en mg/L de CaCO3 équivalent. Une mole de CaCO3 consommerait évidemment 2H+, soit une mole de H2SO4. Si l’on admet que la quasi-totalité de l’alcalinité de la solution provient de l’hydrogénocarbonate présent, la concentration de cette espèce s’obtient directement par [37] :

tot [HCO3-]mol/L = 2 [CaCO3]mol/L

tot [HCO3-]mg/L / 61,02= 2 [CaCO3]mg/L / 100,09

d’où tot [HCO3-]mg/L ≈ 1.22 [CaCO3]mg/L

On notera toutefois que ce dosage n’est pratiquement réalisable, et n’a de signification réelle, que pour des eaux dont le pH initial est supérieur à 5,5 environ, le CO2 dissous devenant l’espèce carbonaté dominante aux pH plus acides.

4.3.5 Les mesures après prélèvement

Après prélèvement et arrêt du pompage, la quasi-totalité des partenaires ont procédé à une nouvelle opération de diagraphie, identique à celle qui avait été réalisée initialement sur le forage au repos. Ces mesures après prélèvement se sont avérées dans tous les cas tout à fait précieuses pour comprendre les effets de la purge et le comportement de l’ouvrage et de l’aquifère qu’il intercepte.

La réalisation d’une nouvelle diagraphie, immédiatement après le prélèvement et l’arrêt de la purge, est donc recommandée dans tous les cas, et constitue un élément indispensable à une bonne interprétation de la campagne d’échantillonnage.

Le protocole type mis en œuvre par les différents partenaires prévoyait en outre une répétition de ces diagraphies dans le temps (12 heures, 24 heures, voire plusieurs jours après la purge), diagraphies qui ont effectivement été réalisées dans la plupart des programmes. Ces opérations ont permis d’apprécier le temps de retour à l’équilibre du forage.

La comparaison de ces mesures ante et post-prélèvement et purge sera abondamment utilisée et illustrée ci-dessous pour mettre en évidence et comparer les effets des différents protocoles de purge.

10 Une exploitation rigoureuse et complète de la mesure est en outre parfaitement réalisable

à l’aide d’un code de spéciation géochimique [37]

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4.3.6 Représentativité des mesures

Les tests réalisés par les différents partenaires ont mis en évidence un certain nombre d'éléments qui peuvent fausser l'interprétation des mesures, si une grande attention n'est pas apportée à la qualité de leur réalisation, et à leur signification réelle.

On peut citer, en particulier :

• L'importance de la calibration des appareils de mesure, et du contrôle régulier de leur calibration, ainsi que de la comparaison régulière entre les valeurs lues par tous les appareils de même nature utilisés lors d'une opération (par exemple, tremper tous les conductivimètres utilisés dans le même seau d'eau : donnent-ils la même mesure ?).

• Le problème de la représentativité de la mesure : à quelques millimètres de distance (latérale ou verticale), une sonde peut donner des mesures très différentes dans un forage dont la colonne d'eau n'est pas homogène, que l'eau soit statique ou que le forage soit en cours de pompage.

• Un profil vertical ("diagraphie") rendra beaucoup mieux compte de l'état qualitatif de l'eau dans la colonne de forage que l'enregistrement en continu d'un paramètre par une sonde statique qui, selon sa position, pourra "rater" des fluctuations importantes apparaissant dans une autre zone du forage.

• Le choix du moment de la mesure : l'eau mesurée juste après début du pompage n'est représentative que de l'eau qui stagnait dans le tuyau d'exhaure ; par la suite, ses caractéristiques évoluent en fonction du taux de renouvellement effectif de l'eau du forage. On retiendra qu’une mesure isolée est toujours difficile à interpréter, et peut conduire à des interprétations erronées d'une situation qui peut évoluer dans le temps.

• On notera aussi qu’il n'est pas rare non plus, que les caractéristiques d'une eau pompée ne soient jamais identiques à celle de l'eau présente dans le forage au repos, du fait de mélanges provoqués par le pompage ou d'échanges naturels entre niveaux aquifères dans le forage qui sont éventuellement stoppés ou modifiés par le pompage.