Investigation numérique des impacts du forage sur les aquitards et sur les écoulements verticaux dans des systèmes aquifères

La surveillance des eaux souterraines dans les aquifères ou les systèmes aquifères stratifiés nécessite la réalisation de forages pour l’installation de piézomètres et/ou de puits d’observation. Une hypothèse couramment admise est que les aquitards, unités à très faible perméabilité, demeurent hydrauliquement intacts lors du forage et de l’installation de ces ouvrages. En pratique, les opérations de forage endommagent fréquemment les aquitards dans une zone annulaire autour de l’axe du forage, entraînant une augmentation considérable de la conductivité hydraulique de cette zone endommagée. Ces zones constituent alors des chemins d’écoulement préférentiels entre les couches aquifères superposées, ce qui fausse les mesures piézométriques. La présente étude s’inscrit dans une démarche visant à mieux comprendre les impacts de l’endommagement des aquitards lié au forage sur les propriétés hydrauliques naturelles des systèmes aquifères et sur les mesures hydrogéologiques, notamment les échanges verticaux d’eau souterraine au droit des forages. Elle évalue, de manière qualitative et quantitative, l’effet de la sévérité de l’endommagement, définie par l’épaisseur radiale de la zone affectée et par l’augmentation de sa conductivité hydraulique, sur les débits de fuite verticale et sur les charges hydrauliques mesurées dans les puits d’observation. Au total, 104 simulations numériques axisymétriques en régime permanent, réalisées par la méthode des éléments finis, ont été effectuées pour un modèle conceptuel comprenant un aquifère supérieur libre, un aquitard de 2 m d’épaisseur et un aquifère inférieur captif, traversé par un piézomètre crépiné sur toute son épaisseur. Des niveaux croissants de sévérité de l’endommagement sont considérés, caractérisés par (1) des diamètres externes de la zone endommagée variant de 0,15 à 0,50 m et (2) une augmentation de la conductivité hydraulique de 10⁻⁹ à 2 × 10⁻¹ m/s, couvrant des conditions réalistes de perturbations liées au forage. Les résultats numériques indiquent que la conductivité hydraulique et la géométrie de la zone endommagée contrôlent à la fois les débits d’écoulement vertical et la réponse de la charge hydraulique. L’augmentation de la perméabilité et de la section transversale de la zone endommagée entraîne des augmentations non linéaires, passant du simple au double, de l’écoulement vertical préférentiel à travers l’aquitard et induit un biais systématique de la charge hydraulique mesurée par rapport à la charge non perturbée dans l’aquifère captif. Lorsque les dommages deviennent significatifs, la charge hydraulique dans le puits augmente de 3,20 m à 3,88 m, correspondant à une erreur piézométrique de 0,68 m. Ces résultats confirment que les dommages induits par le forage peuvent modifier de manière significative les données hydrogéologiques.