L’interprétation d’un essai de pompage se base sur le fait que la propagation de l’onde de pression induite par un pompage est influencée par le milieu traversé. Cette méthode est abondamment employée dans les domaines hydrogéologique et pétrolier. Il est donc
hydraulique à une perturbation anthropique, qui est en général représentée par l’évolution temporelle de la charge hydraulique mesurée au sein du puits et de piézomètres d’observation. Il est cependant important de garder à l’esprit qu’étant donné que la propagation de l’onde de pression, en régime transitoire est diffusive, les propriétés hydrauliques calculées par un essai de pompage, représentent une valeur moyenne des propriétés rencontrées et non une valeur localisée. En d’autres termes, le comportement d'un aquifère pompé à un temps t reflète l'ensemble des milieux affectés à ce stade t par la perturbation hydraulique. Les propriétés hydrauliques représentent une valeur moyenne pour les milieux déjà soumis à la perturbation au temps t.
Dans le monde des consultants en hydrogéologie, il est souvent admis que les conditions de terrain satisfont aux hypothèses de Theis (1935) pour interpréter les essais de pompage. Celles-ci stipulent entre autres que les écoulements induits par un pompage sont radiaux, que l’aquifère est homogène et captif. De nombreux auteurs ont cependant soulevé le manque de réalisme de ce modèle, dans le cas d’aquifères à géométrie variable (Smith et Vaughan 1985, Dal Soglio 2012), d’aquifères interconnectés (Chesnaux et al. 2012), d’aquifères hétérogènes (Geier et al., 1996; Bowman et al., 2013, Walker et Roberts, 2003), d’aquifères fracturés (Barker 1988, Kuusela-Lahtinen et al. 2003, Beauheim et al. 2004) et faillés (Rafini 2008, Rafini et Larocque 2012). En observant les rabattements dans un aquifère calcaire plissé et faillé, après un pompage de 24 h, Smith et Vaughan (1985) ont notamment observé que l’hypothèse des écoulements radiaux est complètement aberrante dans ce contexte (Figure 1.2).
Figure 1.2 : Lignes de rabattement dans un aquifère calcaire faillé et plissé après un pompage de 24 heures (Q = 3.29 L.min-1). (Smith et Vaughan 1985).
Ces trop fortes approximations mènent à une conceptualisation erronée de la géométrie d’écoulement, ce qui peut entraîner des erreurs d’interprétation des propriétés hydrauliques de l’aquifère étudié.
Une manière plus poussée d’interpréter les essais de pompage consiste à représenter des « diagnostic plots ». Ce nom n’a pas encore été traduit en français, on emploiera donc sa traduction littérale «analyses graphiques diagnostiques». Cette approche est couramment utilisée par les pétroliers (Mattar 1994, 2004) et en voie de développement dans le domaine de l’hydrogéologie appliquée (Renard et al. 2009). Elle consiste à représenter les mesures de rabattement (m) ou de la pression (en Pa ou en psi) en fonction du temps, selon différents systèmes de coordonnées (Figure 1.3). Cette approche multi-coordonnées permet de faire
ressortir les différentes caractéristiques comportementales d’un milieu soumis à un essai de pompage (Mattar 2004), comme par exemple la signature des conditions hydrauliques aux frontières, le signal d’un aquifère à nappe libre, celui d’une contribution de la matrice, etc. Cette combinaison de graphiques aide ainsi à choisir le modèle analytique le plus approprié pour modéliser les mesures de rabattement(Renard et al. 2009).
Figure 1.3 : Influence des systèmes de coordonnées sur la forme des courbes représentées du rabattement en fonction du temps lors d’un essai de pompage, a) exemple du « Kangaroo plot » (Mattar 2004).
Comme proposé par Bourdet et al. (1989), il est possible de représenter les rabattements de façon beaucoup plus éloquente en représentant sa « dérivée logarithmique ». Celle-ci consiste à représenter la dérivée du rabattement divisée par la dérivée du logarithme du temps en fonction du temps (sur un graphique à échelles log-log). Cette dernière représentation graphique est beaucoup plus sensible aux hétérogénéités (Doe 1991), à la géométrie du réservoir, au réseau de fractures (van Tonder et al. 2001) et aux frontières de recharge (Walker et Roberts 2003) rencontrés au cours du pompage. La Figure 1.4 montre une comparaison des signatures hydrauliques en rabattement et en dérivée logarithmique du rabattement pour un même essai de pompage dans différents aquifères. Cette figure illustre clairement la sensibilité plus importante de la dérivée logarithmique, aux conditions physiques et hydrodynamqiues, par rapport à une simple représentation des rabattements. Nonobstant ses atouts, cette représentation en dérivée log du rabattement est encore peu utilisée en hydrogéologie, car son interprétation est difficile (Beauheim et al. 2004) et aussi peut-être parce que des pratiques bien ancrées sont plus difficiles à changer. La notoriété du signal de la dérivée logarithmique du rabattement dans la littérature pétrolière semble avoir réduit le terme diagnostic plots à un graphique log-log représentant à la fois les séries temporelles du rabattement et de la dérivée logarithmique du rabattement (Bourdet et al. 1989, Renard et al. 2009). Dans la suite de cette thèse, le terme « analyses graphiques diagnostiques » sera donc employé pour exprimer les séries temporelles de s et de ds/dlogt affichées avec des axes log-log.
Figure 1.4 : Graphique diagnostique du rabattement (essai de pompage à débit constant) et de la dérivée logarithmique du rabattement en échelle log-log. Ce graphique met en avant le potentiel diagnostique de la dérivée logarithmique du rabattement. (Beauheim et al. 2004).
Une fois ces représentations graphiques réalisées, notamment celle de la dérivée log du rabattement, il est possible de déterminer graphiquement les propriétés hydrauliques du milieu par un calage de courbes théoriques issues de modèles analytiques (voir les sections 1.7.1 et 1.7.2). Ces courbes de calage sont obtenues en simplifiant l’équation de diffusivité, dans des hypothèses plus ou moins acceptables selon les contextes. En guise d’exemple, et de façon non exhaustive, on citera la solution de Theis (1935), la simplification de Cooper et Jacob (1946), Hantush et Jacob (1955), Neuman et Witherspoon (1969), Moench (1985), etc. ainsi que le modèle Generaliezd Radial Flow (Barker 1988) et le modèle Generalized Darcy Law (Atangana et Botha 2013). Des revues de modèles analytiques ont notamment été proposées par Kruseman et al. (1973), Chapuis (2007), Renard et al. (2009).