Brevet FR2752303A1 — publié le 19980213

L'invention a trait à un procédé et à un dispositif de détection de l'écoulement souterrain de l'eau. Dans le domaine de l'hydrogéologie et dans ceux de l'étude et du diagnostic des systèmes d'assainissement et d'eau potable, on se préoccupe de l'écoulement souterrain de l'eau et il est connu de détecter ces écoulements aux moyens de traceurs tels que, par exemple, des colorants ou des éléments radioactifs qui sont injectés en un point amont d'un système ou réseau hydrologique et dont on détecte le passage en un point aval de ce système par un contrôle visuel ou grâce à des capteur's réagissant à des éléments radio-actifs, colorants ou fluorescents. Or, les colorants ou les éléments radio-actifs ne sont généralement pas compatibles avec une utilisation dans un réseau d'eau potable, car ils sont de nature à polluer les masses dteau dans lesquelles ils sont injectés. On a aussi envisagé de mesurer la concentration de l'eau en ions spécifiques et sa variation en un point aval d'un système hydrologique après que l'on a injecté dans ce réseau un sel. Dans ce cas, la procédure habituelle consiste à prélever au point aval du réseau un certain nombre d'échantillons, correspondant à des instants prédéterminés d'un intervalle de temps de mesure, et à déplacer ces échantillons jusqu'à un laboratoire équipé de moyens de mesure adéquats de la concentration en ions. Ces prélèvements sont effectués manuellement ou automatiquement au moyen d'un automate complexe à fabriquer, donc onéreux, et délicat à installer et à mettre en oeuvre. La fiabilité de tels prélèvements en est donc affectée. De plus, le nombre de prélèvements possibles avec un automate est de 24 alors qu'un grand nombre de mesures sont généralement nécessaires au cours d'une campagne. De tels automates induisent donc nécessairement des interventions humaines répétées au cours d'une campagne. Dans tous les cas, les dispositifs connus impliquent des manoeuvres fastidieuses qui doivent être répétées à des intervalles de temps réguliers au cours d'une campagne de mesure, de jour comme de nuit, et quelles que soient les conditions climatiques. En outre, les points dans lesquels sont effectuées les mesures tels que, par exemple, des puits ou des sources de montagne sont généralement d'accès peu aisé, ce qui rend délicat le travail d'un opérateur. L'invention vise à résoudre ces problèmes et à proposer un procédé et un dispositif de détection de l'écoulement souterrain de l'eau, basé sur le principe de la détection d'un ion, ne nécessitant pas des manoeuvres nombreuses, répétées à des intervalles de temps réguliers. Dans cet esprit, l'invention concerne un procédé de détection de l'écoulement souterrain de l'eau, caractérisé en ce qu'il consiste à mélanger, en un point amont connu, un sel à une masse d'eau, à détecter, en continu, pendant un intervalle de temps donné et à l'aide d'un dispositif autonome en énergie, la concentration d'une masse d'eau en un point aval connu, en un ion résultant de la dissociation dudit sel et à enregistrer, sur site, à des instants déterminés dudit intervalle de temps, les valeurs de concentration détectées. Grâce à l'invention, il n'est pas nécessaire d'intervenir sur le site chaque fois qu'une mesure est nécessaire ou après quelques mesures, car cette ou ces mesures sont effectuées automatiquement et leur résultat est enregistré. De plus, l'invention permet d'effectuer des mesures de concentration à des instants séparés par des intervalles de temps faibles, car aucune intervention humaine sur le dispositif de détection ne vient perturber la concentration en ions de l'eau au voisinage du point de mesure. De plus, la durée des manipulations nécessaires au prélèvement d'un échantillon ne risque pas d'être plus longue que l'intervalle de temps séparant deux instants auxquels est effectuée la détection de la concentration. Ainsi, l'invention consiste en un procédé de traçage simple et efficace, y compris lorsque les instants auxquels on procède à la détection de la concentration chimique en ions de l'eau sont rapprochés dans le temps. Selon un aspect avantageux de l'invention, celle-ci peut être appliquée au multi-traçage dans le cas où le procédé de l'invention consiste à mélanger à l'eau, en plusieurs points amont connus, plusieurs sels dont les ions, obtenus par dissociation, sont différents, à détecter, en un point aval connu, les concentrations d'une masse d'eau en des ions résultants de la dissociation desdits sels, et à enregistrer les valeurs de la concentration détectée pendant l'intervalle de temps correspondant. Grâce à cet aspect de l'invention, le procédé permet de détecter, en un même point aval, l'écoulement souterrain d'eau ayant des origines amont diverses, chaque origine étant détectée à l'aide d'un ion spécifique. Selon un autre aspect avantageux du procédé de l'invention, on utilise des sels choisis parmi les sels à base d'iodure, de chlorure ou de nitrate tels que, notamment, du chlorure de sodium ou de l'iodure de potassium, ces sels étant communs' et bon marché et ne risquant pas de polluer l'eau dans laquelle ils sont dissouts. L'invention concerne aussi un dispositif permettant de mettre en oeuvre le procédé de l'invention et, plus spécifiquementi un dispositif de détection de l'écoulement souterrain de l'eau, caractérisé en ce qu'il comprend une cellule de mesure en continu de la concentration d'un ion, obtenue par dissociation d'un sel dans l'eau, et un enregistreur couplé à ladite cellule et apte à enregistrer la valeur détectée par ladite cellule à des instants déterminés d'un intervalle de temps. Le dispositif de l'invention constitue donc un ensemble complet permettant de réaliser des mesures efficaces sans allers et retours nombreux jusqu'à un laboratoire de mesure. Selon un premier mode de réalisation de l'invention, la cellule et l'enregistreur sont montés sur un flotteur disposé à la surface de la masse d'eau au point aval, une source d'énergie étant disposée sur ou à proximité de ce flotteur. Le dispositif de l'invention est ainsi autonome en énergie et peut être installé, pour des durées relativement longue, en pleine nature. Selon un second mode de réalisation de l'invention, l'ensemble du dispositif de l'invention peut être incorporé dans un boîtier apte à être immergé. Selon un autre aspect avantageux de l'invention, la cellule comprend plusieurs unités de mesure en continu de la concentration en ion obtenu par dissociation d'un sel dans l'eau, les unités de mesures étant aptes à mesurer la concentration des ions différents et étant reliées audit enregis treur. Cet aspect de l'invention permet d'utiliser le dispositif lorsqu'il est nécessaire de procéder à un multi-traçage. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement à la lumière de la description qui va suivre d'un exemple de mise en oeuvre du procédé de l'invention avec le dispositif de l'invention, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en référence aux dessins annexés dans lesquels - la figure 1 est un schéma de principe d'une configuration d'écoulement souterrain de liteau ; - - la figure 2 est un schéma de principe d'un disposi- tif conforme à l'invention en cours d'utilisation - la figure 3 est un exemple de courbe de concentration obtenue grâce au procédé et au dispositif de l'invention et - la figure 4 est une vue analogue à la figure 3 pour une application de l'invention dans le cadre d'un multitraçage. A la figure 1, un lac de montagne 1 est relié par l'intermédiaire d'un réseau souterrain 2 à une source 3 ou à un lac situé en aval de ce réseau. Lorsqu'on souhaite savoir si l'eau contenue dans le lac 1 s'écoule effectivement vers la source 3 à cause d'une perte P située dans le fond du lac, on procède au traçage de l'eau entre le lac 1 et la source 3. On mélange à l'eau du lac, à proximité immédiate de l'emplacement supposé de la perte P, une quantité de sel tel que, par exemple, de l'iodure de potassium (KI) et on procède, pendant un intervalle de temps correspondant à une campagne de mesure, à la détection de la concentration de l'eau de la source 3 en ion iodure à des instants régulièrement répartis dans l'intervalle de temps considéré. Pour ce faire, on installe à la surface de la source 3 un dispositif 4 dont la structure apparaît plus clairement à la figure 2. Ce dispositif est monté sur un flotteur 5 constitué de deux boudins 6 et 7 reliés par une plaque support 8. Le fait que le dispositif 4 est monté sur un flotteur permet de l'installer en tous lieux, y compris ceux dans lesquels des crues ou de brusques variations du niveau d'eau doivent être envisagées. Sur la plaque support est installée une cellule de mesure en continu de la concentration de l'ion chlorure dans l'eau. Cette cellule comprend une électrode de référence 9, une électrode ionique 10 formant capteur chimique et une unité de traitement 11 essentiellement constituée d'un milli-volmètre ou d'un pH-mètre. L'unité de traitement 11 est alimentée en courant électrique par une batterie d'accumulateurs 12. Un enregistreur 13 est aussi installé sur la plaque 8 et alimenté en courant par la batterie 12. I1 est relié à l'unité de traitement 11 et enregistre, à des instants déterminés pendant la campagne de mesure, la valeur de sortie délivrée par l'unité 11. Un capot 15 permet de protéger les éléments supportés par la plaque 8 contre les intempéries et les éclaboussures provenant de la masse d'eau 3. Le dispositif 4 est autonome et peut être installé au point aval que constitue la source 3 pour toute la durée de la campagne de mesure, celle-ci pouvant s'étaler sur quelques heures, quelques jours ou quelques mois. Selon une variante non représentée de l'invention, le capteur chimique est éventuellement équipé d'un dispositif de compensation de température, d'une électrode de référence intégrée et/ou d'un amplificateur intégré. Dans ce dernier cas, il peut être relié directement à l'enregistreur. L'enregistreur 13 possède un bouton 13a de réglage de la durée entre deux instants auxquels on enregistre la valeur détectée par l'unité 11, ces instants, ctest-à-dire cette durée, étant choisis en fonction de la précision recherchée et de la durée totale de la campagne de mesure. Ainsi, par exemple, lorsqu'on détecte l'écoulement de l'eau entre une perte P et une source 3 voisins de quelques kilomètres et dont les altitudes diffèrent de quelques centaines de mètres, on peut supposer que l'écoulement de l'eau entre la perte et la source 3 prend de l'ordre de quelques semaines. Dans ce cas, on peut programmer une campagne d'essais pour une durée totale de trois semaines et détecter la concentration de l'eau en ion iodure toutes les cinq minutes, on obtient alors une courbe dont la forme est sensiblement celle illustrée à la figure 3 dans laquelle la concentration C en ion iodure, exprimée en moles par litre, est représentée en fonction du temps T, exprimé en heures. La précision de cette courbe permet non seulement de détecter la relation effective entre la perte P et la source 3, mais aussi la vitesse et les caractéristiques techniques de l'écoulement qui peuvent être calculées à partir du pic de concentration observé. Dans le cas où la précision recherchée est plus importante, par exemple pour déterminer la répartition de vitesse entre un point amont et un point aval, on peut diminue'r l'intervalle de temps entre deux instants où la concentration est enregistrée jusqu'à quelques dizaines de secondes. Ceci est possible puisqu'aucune intervention humaine n'est nécessaire sur le dispositif 4 une fois celui-ci instal lé, ce qui çe qui signifie, en particulier, que les mesures ne sont pas perturbées. La détermination des instants où sont effectuées les mesures de concentration peut être effectuée de différentes manières. Ces instants peuvent être régulièrement répartis sur toute la durée de la campagne de mesure. Avantageusement et selon une autre alternative, ces instants peuvent être plus ou moins rapprochés dans le temps en fonction de la concentration détectée. Plus la concentration est élevée, plus l'intervalle de temps entre deux instants de mesure est faible. Dans ce cas, un automate est intégré dans le dispositif 4 et détermine par calcul, à partir des valeurs stockées dans l'enregistreur 13, la durée de l'intervalle de temps entre deux'instants d'enregistrement de la mesure et pilote l'unité de traitement 11 en conséquence. Au lieu de l'iodure de potassium, on peut aussi utiliser du chlorure de potassium ou de sodium et plus généralement des sels à base d'iodure, de chlorure, de nitrate, de sodium ou dthydrogenocarbonate. L'invention peut aussi être utilisée pour effectuer un multi-traçage ou traçage multiple. Dans ce cas, plusieurs points amont équivalents à la perte P représentée à la figure 1 sont susceptibles d'être en relation avec un point aval tel que la source 3 et l'on dissoud, dans chacun des points amont, un sel différent, de sorte que l'on peut détecter, au point aval, les concentrations en ions résultant de la dissociation de ces sels et enregistrer les valeurs de concentration détectées pendant l'intervalle de temps correspondant à la campagne de mesure. Les ions choisis pour effectuer ce multitraçage sont choisis pour être compatibles sans risque d'interférence sur leurs capteurs chimiques respectifs. A titre d'exemple, les couples ou triplets suivant peuvent être utilisés. COUPLE OU TRIPLET PRODUIT DE BASE Exemple 1 I- ion iodure KI iodure de potassium Na+ ion sodium NaCl chlorure de sodium Exemple 2 I- ion iodure NaI iodure de sodium K+ ion potassium KC1 chlorure de potassium Exemple 3 I- ion iodure KI iodure de potassium Na+ ion sodium NaCl chlorure de sodium NO3 ion nitrate KNO3 nitrate de potassium Exemple 4 CL ion chlorure KC1 chlorure de potassium NO3 ion nitrate KNO3 nitrate de potassium Na+ ion sodium NaHCO3 hydrogenocarbonate de sodium Le dispositif de l'invention comprend plusieurs unités de mesures en continu de la concentration d'un ion, ces unités étant aptes à mesurer la concentration d'ions différents. Par exemple, on peut prévoir que la plaque support du dispositif comprend deux électrodes ioniques, c'est-à-dire deux capteurs chimiques, aptes à réagir à la présence d'ions iodure ou sodium (voir exemple 1 ci-dessus). Les électrodes de références correspondantes sont aussi mises en place avec les unités de traitement associées, ces différentes unités de traitement étant reliées à un unique enregistreur. A la figure 4, la concentration C en ions I- (iodure) et Na+ (sodium) est tracée, en fonction du temps T. Il apparaît que la concentration en ion sodium présente un pic avant celle en ion iodure, d'où il résulte que l'écoulement entre la perte où a été injecté l'ion sodium et le point de mesure est plus rapide que celui entre la perte où a été injecté l'ion iodure et le point de mesure. On note que la courbe de concentration en ion iodure présente un double pic correspondant à un diffluence souterraine, c'est-à-dire à une séparation de l'écoulement souterrain en deux flux ayant des trajets et des temps de parcours différents. Dans tous les cas de traçage ou de multi-traçage, au terme de la campagne d'essai, les données stockées dans l'enregistrek; sont lues, par exemple au moyen d'un micro-ordinateur, et traitées informatiquement pour générer une ou plusieurs courbes analogues à celles des figures 3 et 4. L'invention a été décrite avec une application dans le domaine de l'hydrogéologie, mais elle s'applique également l'étude et au diagnostic des systèmes d'assainissement et d'eau potable, et plus généralement à tous les domaines dans lesquels il est nécessaire de connaître le trajet et/ou les caractéristiques techniques d'un écoulement souterrain d'une quantité d'eau. REVENDICATIONS 1. Procédé de détection de l'écoulement souterrain de l'eau, caractérisé en ce qu'il consiste à mélanger, en un point amont connu, un sel à une masse d'eau (1), à détecter, en continu pendant un intervalle de temps donné et à l'aide d'un dispositif (4) autonome en énergie, la concentration d'une masse d'eau (3), en un point aval connu, en un ion résultant de la dissociation dudit sel et à enregistrer, sur site, à des instants déterminés dudit intervalle de temps, les valeurs de concentration détectées. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste à mélanger à l'eau, en plusieurs points amont connus, plusieurs sels dont les ions, obtenus par dissociation, sont différents, à détecter, en un point aval connu, les concentrations d'une masse d'eau en des ions résultant de la dissociation desdits sels et à enregistrer les valeurs de concentration détectées pendant ledit intervalle de temps. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le ou lesdits sels utilisés est ou sont choisis parmi les sels à base d'iodure, de chlorure, de nitrate, de sodium, d'hydrogenocarbonate ou de potassium. 4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits instants prédéterminés sont choisis en fonction de la précision recherchée, de la durée dudit intervalle de temps et/ou de la concentration détectée. 5. Dispositif de détection de l'écoulement souterrain de veau, caractérisé en ce qu'il comprend une cellule (9, 10, 11) de mesure en continu de la concentration d'un ion, obtenu par dissociation d'un sel dans l'eau, et un enregistreur (13) couplé à ladite cellule et apte à enregistrer la valeur détectée par ladite cellule à des instants déterminés d'un intervalle de temps. 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que ladite cellule (9, 10, 11) et ledit enregistreur (13) sont montés sur un flotteur (5) disposé à la surface de ladite masse d'eau (3) audit point aval, une source d'énergie (12) étant disposée sur ou à proximité dudit flotteur. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 5 ou 6, caractérisé en ce que ladite cellule comprend plusieurs unités de mesure en continu de la concentration d'un ion, obtenu par dissociation d'un sel dans l'eau, lesdites unités étant aptes à mesurer la concentration d'ions différents et étant reliées audit enregistreur. 8. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens (13a) de réglage de la durée entre deux desdits instants déterminés. 9. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de calcul de la durée de l'intervalle de temps entre deux instants d'enregistrement de la mesure, à partir des valeurs stockées dans ledit enregistreur (13). 10. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il est incorporé dans un boîtier apte à être immergé.