Un piézomètre est un forage de petit diamètre, équipé d'un tube dont la partie basse est fendue (la crépine), qui permet de mesurer le niveau d'une nappe d'eau souterraine et d'y prélever de l'eau pour l'analyser. Le mot vient du grec piezein, « presser » : l'ouvrage mesure la charge, la pression de l'eau dans le sous-sol.
Qu'est-ce qu'un piézomètre ?
Un piézomètre est un ouvrage d'observation. Là où un puits est conçu pour produire de l'eau, avec un grand diamètre et une pompe, le piézomètre est conçu pour regarder la nappe sans la perturber : un tube de quelques centimètres de diamètre (couramment de 50 à 110 mm, par exemple un tube PVC de 52/60 mm), descendu dans un forage jusqu'à l'aquifère que l'on veut suivre.
Il se compose de trois parties : une tête protégée en surface, un tube plein dans la traversée des terrains sans intérêt, et une crépine face à la couche aquifère. Autour du tube, l'espace annulaire est rempli de matériaux choisis pour laisser entrer l'eau de la nappe, et seulement elle.
À quoi sert un piézomètre ?
- Suivre le niveau des nappes dans le temps : réseaux de surveillance, recharge, sécheresse.
- Surveiller la qualité des eaux souterraines, en particulier autour d'un site pollué ou d'une installation classée : des piézomètres en amont et en aval du site, dans le sens d'écoulement de la nappe, permettent de comparer l'eau qui arrive et l'eau qui repart.
- Caractériser une pollution lors d'un diagnostic de sites et sols pollués : prélèvements d'eau pour le laboratoire, mesure d'une éventuelle phase flottante (hydrocarbures).
- Connaître l'aquifère : sens d'écoulement, battement saisonnier, essais de pompage pour en mesurer la perméabilité, et dimensionnement des fondations ou des rabattements de nappe en géotechnique.
Comment fonctionne un piézomètre ?
Le principe est celui des vases communicants. L'eau de la nappe entre dans le tube par les fentes de la crépine et y monte jusqu'à équilibrer la pression qui règne dans l'aquifère à cette profondeur. Le niveau d'eau dans le tube traduit donc la charge hydraulique de la nappe à l'endroit de la crépine.
- Nappe libre : la surface de la nappe est à la pression atmosphérique ; le niveau dans le tube correspond au toit de la nappe.
- Nappe captive : l'aquifère est enfermé sous une couche imperméable et l'eau y est sous pression ; le niveau dans le tube remonte au-dessus du toit de l'aquifère. Lorsqu'il dépasse le sol, la nappe est dite artésienne et l'ouvrage peut jaillir.
C'est pourquoi la position et la hauteur de la crépine comptent autant que la profondeur du forage : un piézomètre renseigne sur la couche qu'il capte, pas sur les autres. Deux piézomètres voisins crépinés à des profondeurs différentes peuvent donner deux niveaux différents.
Schéma d'un piézomètre
De haut en bas, un piézomètre comprend :
- La tête de protection : un capot cadenassé qui dépasse du sol, ou une bouche à clé affleurante sur une voirie, posé sur une dalle en béton qui éloigne les eaux de ruissellement. Le haut du tube porte le repère de mesure, le point fixe depuis lequel toutes les mesures de niveau sont prises.
- La cimentation : un coulis de ciment et de bentonite qui scelle l'espace annulaire en surface.
- Le bouchon d'étanchéité, en argile gonflante (bentonite), au-dessus du massif filtrant : il empêche l'eau de surface ou d'une autre couche de descendre le long du tube jusqu'à la crépine.
- Le tube plein, en PVC, en PEHD ou en inox selon les substances recherchées.
- La crépine : la partie fendue du tube (fentes souvent de 0,5 à 1 mm), placée face à la couche aquifère. Sa hauteur et sa position fixent la tranche de nappe que l'on observe.
- Le massif filtrant : un gravier ou un sable siliceux calibré qui entoure la crépine et remonte un peu au-dessus. Il retient les particules fines du terrain et laisse passer l'eau.
- Le bouchon de fond, qui ferme le tube, parfois précédé d'un court tube plein (décanteur) où se déposent les fines.
À retenir. Les profondeurs de chaque élément (haut et bas de la crépine, du massif filtrant, du bouchon d'étanchéité) forment la coupe technique de l'ouvrage. Sans elle, un niveau ou une analyse d'eau ne peut pas être interprété : on ne sait pas quelle couche a été captée.
Installer un piézomètre, étape par étape
- Implanter l'ouvrage. Pour une surveillance de site, on place au moins un piézomètre en amont et un ou plusieurs en aval, dans le sens d'écoulement présumé de la nappe. Trois ouvrages non alignés permettent de calculer ce sens (voir la carte piézométrique). On vérifie les réseaux enterrés avant de forer.
- Forer jusqu'à la profondeur prévue, avec une méthode adaptée au terrain (tarière, rotary, carottage…). Le foreur décrit les terrains traversés au fil du forage : c'est la coupe géologique, ou log.
- Équiper : descendre le tube plein et la crépine, centrés dans le forage, avec le bouchon de fond.
- Remplir l'espace annulaire de bas en haut : massif filtrant autour de la crépine, bouchon de bentonite, puis cimentation jusqu'à la surface.
- Poser la tête de protection et la dalle, et marquer le repère de mesure.
- Développer l'ouvrage : pomper ou mettre en mouvement l'eau jusqu'à ce qu'elle soit claire, pour évacuer les fines et rétablir la perméabilité autour de la crépine.
- Niveler le repère : relever son altitude (en mètres NGF) par un géomètre ou au GNSS. C'est elle qui transforme une profondeur mesurée en niveau piézométrique.
- Consigner l'ouvrage : coupe géologique, coupe technique, position, cote du repère, dans un rapport de fin de travaux.
Pour les forages de surveillance des eaux souterraines sur les sites pollués, la référence française de conception est le fascicule de documentation FD X31-614 ; le prélèvement de l'eau relève de la norme NF X31-615.
Déclarer un piézomètre
Un piézomètre n'est pas un simple trou : c'est un ouvrage qui met en relation la surface et la nappe, et il est encadré à ce titre.
- Au titre de la loi sur l'eau : un sondage ou un forage « exécuté en vue de la recherche ou de la surveillance d'eaux souterraines », non destiné à un usage domestique, relève de la rubrique 1.1.1.0 de la nomenclature, sous le régime de la déclaration (code de l'environnement, article R214-1).
- Au titre du code minier : tout sondage ou ouvrage souterrain dont la profondeur dépasse dix mètres doit faire l'objet d'une déclaration préalable (code minier, article L411-1). Les ouvrages déclarés rejoignent la Banque du sous-sol (BSS) du BRGM.
La réglementation des forages évolue. L'article L411-1 du code minier a une abrogation programmée au 31 décembre 2027. Vérifiez les textes en vigueur, et les éventuels arrêtés préfectoraux ou prescriptions de la DREAL, au moment des travaux.
Un piézomètre qui ne sert plus doit être rebouché dans les règles (comblement étanche sur toute sa hauteur) : abandonné ouvert, il devient une voie directe pour une pollution vers la nappe.
Le niveau piézométrique : définition et calcul
Le niveau piézométrique est l'altitude de la surface de l'eau dans le piézomètre, exprimée en mètres NGF (le nivellement général de la France). Exprimé en altitude et non en profondeur, il se compare d'un ouvrage à l'autre, même quand les têtes ne sont pas à la même hauteur.
Niveau piézométrique (m NGF) = cote du repère (m NGF) − profondeur mesurée depuis le repère (m)
Exemple. Le repère d'un piézomètre est nivelé à 245,30 m NGF et le tube dépasse du sol de 0,60 m. La sonde touche l'eau à 3,80 m sous le repère :
- niveau piézométrique : 245,30 − 3,80 = 241,50 m NGF ;
- profondeur de l'eau sous le sol : 3,80 − 0,60 = 3,20 m.
On en déduit aussi la hauteur d'eau dans l'ouvrage (profondeur de l'ouvrage moins profondeur de l'eau, depuis le même repère) et le volume d'eau qu'il contient : π × (diamètre intérieur ÷ 2)² × hauteur d'eau. Pour un tube de 52 mm de diamètre intérieur et 5,20 m d'eau : environ 11 litres, soit 2,1 litres par mètre. C'est la base du calcul de purge.
Mesurer le niveau : la sonde piézométrique
La sonde manuelle
C'est l'outil de base du technicien : une électrode lestée au bout d'un ruban gradué, enroulé sur un dévidoir. On la descend dans le tube ; au contact de l'eau, un circuit se ferme et la sonde émet un signal sonore ou lumineux. On lit alors la longueur de ruban au niveau du repère.
- Toujours mesurer depuis le même repère, et le noter sur la fiche.
- Mesurer avant la purge, ouvrage par ouvrage, et faire deux lectures.
- Sur un site pollué, nettoyer la sonde entre deux ouvrages pour ne pas transporter la pollution, et commencer par les piézomètres les moins pollués.
- En présence d'hydrocarbures, une sonde à interface distingue le produit flottant de l'eau et en mesure l'épaisseur.
La sonde automatique
Pour un suivi dans le temps, on installe un capteur de pression immergé, relié à un enregistreur qui mesure le niveau à intervalle régulier (toutes les heures, par exemple). La pression lue comprend celle de l'atmosphère : elle est corrigée par un capteur barométrique ou par un capteur à tube de mise à l'air. Des mesures manuelles régulières servent à caler l'enregistrement.
La carte piézométrique
En mesurant plusieurs piézomètres le même jour, on obtient une série de niveaux en m NGF que l'on peut reporter sur un plan. On trace alors les courbes isopièzes, qui relient les points de même niveau, comme les courbes de niveau d'une carte topographique.
- L'eau s'écoule perpendiculairement aux isopièzes, des niveaux les plus hauts vers les plus bas : la carte donne le sens d'écoulement de la nappe.
- L'écart de niveau entre deux points divisé par leur distance donne le gradient hydraulique.
- Trois piézomètres non alignés suffisent pour un premier sens d'écoulement ; les campagnes de hautes et de basses eaux montrent comment il varie au fil des saisons.
Sur un site pollué, c'est cette carte qui dit où se trouve l'aval, donc où la pollution peut migrer, et où placer les piézomètres de contrôle.
Prélever l'eau d'un piézomètre
L'eau restée dans le tube a stagné au contact de l'air et du tube : elle n'est pas représentative de la nappe. Avant de prélever, on la renouvelle en pompant : c'est la purge. Selon la méthode retenue, on purge un volume défini à partir du volume d'eau de l'ouvrage ou jusqu'à la stabilisation des paramètres mesurés sur le terrain (température, pH, conductivité, oxygène dissous, potentiel redox, turbidité).
On remplit ensuite les flacons fournis par le laboratoire, dans l'ordre et avec le conditionnement prévus, on les étiquette et on les garde au frais jusqu'à l'envoi. La méthode applicable est celle de la norme NF X31-615 et du cahier des charges de la mission.
La fiche de prélèvement d'eau souterraine, avec la purge calculée sur le terrain
Documenter l'ouvrage : coupe technique et log
Un piézomètre se documente par deux coupes, sur une même échelle de profondeur : la coupe géologique (le log des terrains traversés, avec leurs observations et les mesures prises au fil du forage) et la coupe technique (l'équipement : tube, crépine, massif filtrant, bouchons, tête). On y ajoute la position de l'ouvrage, la cote du repère et le niveau d'eau mesuré à la fin des travaux.
Ces informations servent pendant toute la vie de l'ouvrage : chaque campagne de mesure ou de prélèvement repart de la profondeur du tube, de la hauteur de la crépine et de la cote du repère.
