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Article technique
01. avril 2020

Captage d'eau

Réhabilitation des puits d’eau souterraine

Les puits d’eau souterraine vieillissent et leur performance diminue souvent avec l’augmentation du temps de fonctionnement. Les causes du vieillissement des puits sont multiples: corrosion, dépôts incrustants, présence excessive de fer et de manganèse, ensablement, colmatage, turbidité et bactéries. Si la baisse de performance dépasse un certain niveau et un fonctionnement optimal n’est plus possible, des mesures de réhabilitation devront être prises. Avec le procédé Hydropuls®, les puits d’eau souterraine peuvent être régénérés à l’aide d’un processus mécanique, sans adjonction de substances chimiques à l’eau.
Yvan Mandia, Denys  Becquart, 

L’exploitation des puits d’eau souterraine mérite de plus en plus d’attentions particulières. Par conséquent, les spécialistes de l’eau jouent un rôle primordial. Il s’agit d’amener des compétences ciblées pour que nos ressources en eau soient et restent de qualité. Ainsi, nous suggérons le concept suivant: RCPG – Rechercher, Capter, Protéger et Gérer. À travers de ce concept, il faut réunir les spécialistes qui vont garantir l’enchaînement de ces actions en prenant chacun le temps nécessaire. Dans l’action «Gestion», p.ex., il faut considérer les analyses chimiques et microbiologiques à réaliser périodiquement.

Directive SSIGE W9 pour les puits d'eau souterraine

Ayant fait partie du groupe de travail pour l’élaboration de la Directive W9 qui sera bientôt disponible sous sa forme finale via la SSIGE [1], nous profitons de l’occasion d’informer que très souvent dans la pratique les aspects d’exploitation des puits d’eau souterraine font défaut quant à leur entretien, leur surveillance, le contrôle du vieillissement, leur régénération, leur réhabilitation, leur assainissement et/ou leur démantèlement.
Ces connaissances sont à retenir non seulement par les opérateurs du secteur de l’approvisionnement en eau, mais également par les autorités et les entreprises de planification et d’exécution qui s’occupent du thème des puits d’eau souterraine. Appréhender ces termes et les mettre en exécution est fondamental pour une distribution sécurisée, fiable et durable de l’eau potable.
Parmi les termes qui figurent au sein de la Directive W9 (chapitre 3; [1]), nous voudrions en citer quelques-uns qui mettent en évidence que les connaissances du sous-sol sont très importantes pour appréhender notre concept «RCPG – Rechercher, Capter, Protéger et Gérer». Il s’agit de termes qui doivent être connus principalement par les opérateurs du secteur de l’approvisionnement en eau, par les entreprises de planification et, dans une moindre mesure, par les autorités. Ces dernières ont, cependant, besoin d’interlocuteurs compétents qui gèrent parfaitement le concept RCPG. La sélection des termes que nous considérons comme centraux est présentée dans l’encadré 1.

Réhabilitation des puits d’eau souterraine

Types classiques de puits d’eau souterraine

Pour les puits d’eau souterraine, une distinction est faite en fonction de la capacité requise et des conditions locales entre les types de construction suivants:

  • Puits creusés
  • Puits filtrants verticaux
  • Puits filtrants horizontaux
Réhabilitation des puits

La réhabilitation d’un puits signifie la restauration de sa fonctionnalité (presque) originale. Les mesures suivantes sont appropriées à cet effet:

  • Nettoyage: élimination des dépôts sur la paroi intérieure du tubage du puits, sur les fentes de filtration (filtres ou crépines ou tubes filtrants) et du dépotoir.
  • Régénération: enlèvement des dépôts qui réduisent la performance de l’espace annulaire du puits et de l’aquifère adjacent pour rétablir la fonction hydraulique (voir chapitre traitant de la méthode de l’Hydropuls®).
  • Assainissement: préparation et mise en œuvre de mesures structurelles pour améliorer ou restaurer la fonctionnalité des puits.

Avant la régénération d’un puits, il est fondamental de vérifier si un puits a besoin d’être régénéré, s’il est régénérable et/ou s’il y a un besoin d’une réhabilitation. Le donneur d’ordre s’engage à fournir toutes les informations nécessaires pour clarifier la capacité de régénération et le preneur d’ordre est tenu d’informer le donneur d’ordre des risques liés à sa prestation.

Investigations complémentaires

Si aucune donnée n’est disponible pour documenter la performance du puits en vue de la comparaison «avant et après» sa réhabilitation, un test du puits est recommandé dans une forme raccourcie. Ainsi, à l’aide d’essais de pompage de courte durée d’environ 2 h avec mesure du débit et du niveau d’abaissement, la performance hydraulique actuelle du puits peut être déterminée et sera comparée avec l’état du puits régénéré. Des détails sur d’autres méthodes, ainsi que leur pertinence et leurs domaines d’application possibles peuvent être trouvés dans la directive DVGW (Deutscher Verein des Gas- und Wasserfaches) W135 «Réhabilitation et démantèlement des puits, des points de mesure des eaux souterraines et des forages» [2].

Régénération des puits

Le but de la régénération d’un puits est d’éliminer les dépôts qui réduisent les performances des filtres et en particulier de l’espace annulaire du puits. La régénération des puits comprend toutes les mesures appropriées pour éliminer les dépôts minéraux et organiques qui réduisent les performances de l’espace annulaire du puits et, si nécessaire, de l’aquifère adjacent. Les procédures de régénération des puits visent à rétablir la performance des installations incrustées et ou colmatées sans intervenir sur la structure du puits. Les méthodes à utiliser sont divisées en:

  • Procédés mécaniques (y compris hydrauliques)
  • Procédés chimiques
Procédés mécaniques

Dans les procédés mécaniques, le processus de séparation s’effectue par des procédés physiques. Pour le nettoyage du puits peuvent être utilisés des brosses et des pompages pour l’élimination des particules de sédiments (sable, limon, argile), de dépôts incrustants provenant de la corrosion, de la présence excessive de fer et de manganèse et finalement aussi de biofilms bactériens.
Plusieurs traitements ou procédures sont utilisées pour la régénération mécanique des puits d’eau, comme par exemple:

  • Pistonnage
  • Injection de CO2 (gazeux et liquide)
  • Rinçage à basse ou haute pression, aussi pour le nettoyage
  • Méthodes de production d’ondes de choc/d’impulsions avec de l’eau à haute pression (valable aussi pour le nettoyage) ou encore avec de la compression d’eau ou d’air ou de gaz comprimés tels que l’azote.
Choix des procédures

Le choix et l’application des procédures de régénération mécanique doivent tenir compte des propriétés de résistance mécanique des matériaux installés.
Il n’est pas nécessaire de procéder à une régénération chimique si la régénération est effectuée de manière efficace par des procédés mécaniques. Nous nous concentrerons à présent sur un procédé mécanique de grande efficacité. Il s’agit du procédé Hydropuls®.

Procédé mécanique Hydropuls®

Le procédé Hydropuls® (voir encadré 2) est un traitement mécanique innovant dont les principaux avantages sont l’important rayon d’investigation autour du puits ou du forage et l’absence d’impact sur l’environnement. Ce traitement est sans adjonction de produits chimiques. De l’azote comme gaz inerte est injecté depuis une bouteille sous pression à 200 bars au travers d’un tuyau flexible pour alimenter le générateur Hydropuls (voir figure dans l’encadré 2). Le gaz expulsé crée une onde de choc qui se propage au travers des crépines, du massif filtrant et du terrain environnant. Les concrétions, les flocs bactériens, les ensablements et les colmatages divers faisant obstacle à la circulation de l’eau sont en parallèle remobilisés par air-lift et expulsés vers l’extérieur jusqu’à ce que la valeur de la turbidité des eaux soit satisfaisante. Puis, des pompages réguliers par paliers permettront d’atteindre une valeur de turbidité satisfaisante pour le réseau d’eau de distribution publique.

Avantage du traitement par Hydropuls

Aujourd’hui et plus que jamais il est primordial d’inspecter, d’entretenir ou même de condamner des puits et des forages. L’objectif est de réhabiliter ou de restaurer un puits ancien et ou abîmé (ou un forage ancien et/ou abîmé), afin de le pérenniser. Ce procédé est valable pour des puits verticaux et horizontaux et également pour des forages verticaux et horizontaux.
L’avantage de ce mode opératoire pour le traitement des puits et des forages à l’azote pulsé est qu’il n’est pas agressif envers l’environnement et qu’il est extrêmement performant. Il s’agit d’une technologie innovante et non destructive. Que ce soit pour des eaux industrielles, potables, minérales, thermales, géothermiques ou agricoles, le procédé Hydropuls offre une solution adaptée à de nombreuses situations. En outre, Hydropuls est un procédé homologué en Allemagne selon la directive DVGW W130 «Régénération des puits» [3].

Fonctionnement

Le fonctionnement de cette technique est présenté dans le schéma de principe de l'entreprise Hydropuls. Au préalable, une inspection par caméra peut détecter des dommages du tubage (perforations ou pertes de matières), de la corrosion, des dépôts incrustants, tous types de colmatages par des sables (ensablement), des limons, des argiles et ou des bactéries (fig. 2). Cette inspection par caméra est suivie par un essai de pompages pour déterminer un débit spécifique avant tout traitement par l’Hydropuls. Cette technique à l’Hydropuls va uniformiser le massif filtrant pour une meilleure filtration de celui-ci et des sections filtrantes en place. Une réception des travaux avec à nouveau une inspection caméra (fig. 2) et un essai de pompages sera réalisée et les résultats comparés avec l’état avant travaux afin d’observer, outre le bon fonctionnement du massif filtrant, possiblement, un gain significatif du niveau d’eau après de nouveaux pompages (le niveau d’eau s’abaissera moins après des pompages).

Conclusion

Bien qu’une directive soit une directive (Directive SSIGE W9; [1]), l’expérience sur le terrain est fondamentale pour faire les bons choix en vue d’une exploitation optimale des puits d’eau souterraine. Il est primordial d’avoir les bons interlocuteurs tout au long du processus qui va de la recherche d’eau à sa gestion quantitative et qualitative. Ainsi, il est utile de retenir notre concept RCPG, puisqu’à chacune de ses actions ou phase d’étude, plusieurs interlocuteurs entrent en scène pour que l’objectif d’une eau de qualité soit atteint. Au même titre que nous réalisons des maintenances du parc immobilier ou du parc automobile d’une commune, d’une ville, d’un service industriel, il est aussi important de se préoccuper de très près de la maintenance des installations d’eau que sont les puits d’eau souterraine sans oublier qu’il faut disposer des budgets nécessaires.

Encadré 1

Extrait du chapitre 3 «Définition et description des termes» de la directive W9
Aquiclude (formation imperméable) et Aquitard (formation semi-perméable)

Zone d’une masse rocheuse meuble ou solide qui, en raison de sa faible perméabilité, ne permet pas (aquiclude) ou seulement dans une mesure très limitée (aquitard) le passage des eaux souterraines et donc leur barrage.

Aquifère (formation perméable aux eaux souterraines)

L’aquifère d’eau souterraine est une masse rocheuse souterraine avec des cavités qui convient à la conduite de l’eau souterraine. Il est délimité géologiquement vers le bas, et dans le cas des aquifères sous pression également vers le haut, par des couches imperméables à l’eau telles que les argiles.

Concept de puits

Le concept de puits est préparé par l’hydrogéologue et contient les résultats des investigations hydrogéologiques (profils de forage, résultats des essais de pompages ainsi que les mesures de débits, courbes de distribution granulométrique), la conception du puits (position du tubage filtrant, type de tubes filtrants, largeur des fentes, diamètre des tubes filtrants, matériau du tubage filtrant, épaisseur des parois des tubes, diamètre du forage, remplissage annulaire) et des informations sur la technique de forage à utiliser, la technique de développement (dessablage) du puits et les essais de pompages. Le concept de puits sert de base à la soumission d’une offre pour la construction d’un puits.

Cuvelage

Le cuvelage est l’ensemble des matériaux et des opérations pour garnir les parois d’un puits vertical et aussi pour la préparation à un puits à drains horizontaux rayonnants. C’est aussi l’introduction d’un tube métallique dans le forage d’un puits vertical artésien. On appelle également cuvelage la protection des constructions situées en sous-sol contre les pressions hydrostatiques horizontales.

Dépotoir ou sac à boue (fond du puits)

Tuyau à paroi pleine à l’extrémité inférieure du puits, avec un fond. Il sert à capter sable et boue qui sont inévitablement lavés dans le puits et permet un développement complet de la zone filtrante.

Entretien

Travaux récurrents pour maintenir ou sécuriser l’ouvrage et le maintenir à l’état désiré.

Essais de pompages de courte durée

Essais de pompages pour déterminer les propriétés hydrauliques du puits. Les essais durent habituellement plusieurs heures.

Essais de pompages de longue durée

Essais de pompages pour déterminer les propriétés hydrauliques de l’aquifère à moyenne et grande distance du puits et le rendement du terrain. Les essais durent habituellement de quelques jours à quelques mois.

Formation d’ocre

Précipitation et dépôt de fer et de composés manganésifères par oxydation du fer bivalent et du manganèse à la suite de changements des conditions d’oxydoréduction, généralement avec la participation de micro-organismes.

Frittage

Séparation des minéraux de l’eau, qui forment des croûtes à la surface des raccords de tuyauterie, des pompes, des tuyaux de filtration, etc. Le frittage par précipitation carbonatée est le plus courant.

Massif filtrant

Sable et gravier lavés, résistants à l’eau, à grains ronds et avec une granulométrie définie ou des billes en verre avec un diamètre défini.

Maintenance

Inspection, entretien et réparation.

Nappe captive (nappe d’eau artésienne)

Eau souterraine dont le niveau de charge est plus élevé que la topographie. Un forage qui l’atteint est alors jaillissant.

Nappe libre

Une nappe libre est une nappe d’eau souterraine dont le niveau supérieur peut varier sans être bloqué par une couche imperméable supérieure. Elle circule sous un sol perméable, elle est généralement peu profonde et son sommet est à la pression atmosphérique.

Procédé ou méthode en Caisson

Un caisson est descendu dans le sol comme espace de travail. Le caisson, qui est ouvert au fond, est utilisé comme zone de travail dans laquelle le sol est excavé en couches et la paroi du caisson est enfoncée dans le sous-sol. Cette méthode permet d’effectuer des travaux d’excavation dans des couches aqueuses ou sous la surface de l’eau.

Rendement de l’aquifère

Quantité d’eau par unité de temps qui peut être prélevée d’un gisement d’eau souterraine avec un puits sans le surexploiter sur le long terme.

Tête de puits

tructure de protection de la tête du puits d’eau souterraine, pour le logement de tout l’équipement utile telles les armatures, la tuyauterie, les appareils de mesure, etc.

Tubage

Tube qui est un élément permanent du puits, qui va de haut en bas du puits, s’étendant au-dessus de la surface du sol, autour duquel est placé un massif de gravier filtrant au droit des zones aquifères lorsqu’il est perforé ou présente des ouvertures et également un remplissage (remplissage annulaire) d’un matériau étanche (argile, bentonite) au droit des zones non aquifères lorsqu’il est non perforé (tube plein ou tube aveugle).

Tube filtrant

Tube perforé ou avec des fentes ou à fil enroulé ou à nervures repoussées qui permet à l’eau d’entrer et de sortir par les ouvertures existantes sur toute sa circonférence. Appelé également crépine ou drain filtrant.

Tube plein

Tuyau à paroi pleine qui empêche l’eau de pénétrer dans le puits. Appelé également tube aveugle.

Encadré 2

Hydropuls®

Le procédé Hydropuls est un traitement mécanique pour la régénération des puits. Le principe de fonctionnement consiste à générer des séquences d’impulsions de pression par entrée pulsée de portions de gaz ou d’eau sous haute pression au moyen d’un générateur d’impulsions (fig. 1) introduit dans le puits sur un tuyau armé. Le générateur d’impulsions est équipé d’un système de soupapes qui permet de libérer l’énergie accumulée dans le générateur sous forme de gaz ou d’eau sous haute pression avec des temps de commutation très courts (millisecondes), générant ainsi des ondes de choc hydrauliques. En même temps, le changement soudain de volume produit un effet de cavitation qui provoque la formation d’une «bulle de vide» qui finit par s’effondrer en produisant un «effet de souffle» hydraulique.
L’effet alternant de la charge et de la décharge de pression provoque la désagrégation des fractions de grains fins, de dépôts minéraux, etc., accumulés dans la couche de graviers et l’espace lacunaire de la nappe aquifère. Les matières désagrégées sont transportées par «l’effet de souffle» au centre du puits d’où elles seront pompées.

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