La gestion des eaux souterraines

L’eau souterraine est bien plus qu’une simple ressource pour les activités minières et les carrières ; elle représente également un élément crucial de la beauté architecturale des ouvrages existants. Dans le monde souterrain des mines et des carrières, où l’ingénierie rencontre la nature, l’eau souterraine offre une toile de fond spectaculaire et souvent imprévisible. Des lacs souterrains en passant par les aqueducs, les eaux souterraines créent des paysages sublimes qui défient l’imagination.

Provenance des eaux souterraines

Dans les carrières et les mines, la formation de lacs souterrains et d’une part le résultat de l’infiltration des eaux de pluie dans les cavités et les fractures du substrat rocheux. L’eau de pluie s’infiltre à travers les couches de sol et de roche, atteignant les zones souterraines. L’eau s’accumule alors pour former des lacs souterrains, créant des paysages aquatiques étonnants. Ces lacs sont très fréquents dans le gypse, car il s’agit d’une roche très soluble, ou bien dans la craie comme c’est une roche très poreuse et peu perméable.

D’autre part, la formation de ces lacs ou niveaux ennoyés sont issus d’un phénomène de remontées de nappe. Cela se produit lorsque le niveau de la nappe phréatique s’élève et que l’eau s’écoule dans les cavités souterraines, remplissant ainsi les espaces et créant des étendues d’eau. Ce phénomène abouti bien souvent à la disparition complète sous les eaux des réseaux souterrains ou de certains niveaux.

La gestion des eaux

Les eaux souterraines en mine et carrière peuvent représenter à la fois une contrainte et une opportunité, selon la manière dont elles sont gérées. Initialement, ces eaux peuvent être perçues comme une contrainte majeure pour les opérations minières et d’extraction de carrières. L’infiltration constante d’eau peut compromettre la stabilité des parois, augmenter les risques d’effondrement et rendre les conditions de travail dangereuses pour les mineurs et les travailleurs de carrière. De plus, la présence d’eau souterraine peut augmenter les coûts de pompage et de drainage nécessaires pour maintenir un environnement de travail sec et sûr.

Cependant, une gestion efficace des eaux souterraines peut transformer cette contrainte en une force. En mettant en œuvre des stratégies de gestion des eaux souterraines telles que le pompage, le drainage, l’étanchéification des parois et la réutilisation de l’eau, il est possible de contrôler efficacement le niveau d’eau et de minimiser les risques pour la sécurité et la stabilité des opérations minières et de carrière. De plus, en récupérant et en utilisant l’eau souterraine pour des usages industriels ou pour l’irrigation, il est possible de réduire la dépendance aux ressources en eau externes et de contribuer à la durabilité environnementale des opérations.

Bassins

Principalement alimentés par les eaux de pluies provenant de l’infiltration ou des puits (puits de surface ou à eau), les bassins, notamment en carrière, ont eux différents usages essentiels.

Les bassin à chaux

Bien souvent présent dans les ateliers de carrier, ces bassins permettaient d’éteindre la chaux vive afin de :

réaliser le mortier pour les maçonneries des consolidations de carrière  ;
dans les champignonnières, recouvrir les murs de chaux pour désinfecter l’espace et éviter la prolifération des bactéries pouvant contaminer les cultures  ;
absorber l’humidité de l’air, ce qui peut aider à maintenir des conditions optimales de sécheresse et éviter condensation et moisissure dans les carrières  ;
renforcer les murs et les structures, car elle protège des infiltrations d’eau  ;
contrôler les odeurs indésirables, parce qu’elle permet de réduire les odeurs de moisi, d’humidité et autres, améliorant ainsi les conditions de travail (champignonniste) ou de vie en cas de refuge de la population sous terre.

Le processus d’extinction était le suivant. Le bassin supérieur, d’une profondeur d’environ 60 cm, étaient remplis avec de la chaux et de l’eau simultanément. En les mélangeant, la chaux absorbait jusqu’à 3,5 fois son poids d’eau. Une fois le mélange réalisé, il était vigoureusement travaillé à l’aide d’un rabot, à plusieurs reprises, sur plusieurs jours. Le mélange s’écoulait ensuite naturellement dans le second bassin. Après avoir laissé la chaux ainsi éteinte refroidir pendant quelques jours, elle était prête à être utilisée.

Avec les progrès des techniques de consolidation, ces bassins sont désormais largement oubliés sous Paris, mais à une échelle industrielle, ces techniques continuent d’être largement utilisées.

Les bassins de décantation

La décantation est un processus ancien permettant de collecter une eau claire, mais elle a également été largement utilisée dans les carrières de craie pour la fabrication du blanc de Meudon. Après l’étape de broyage puis de délayage (dilution de la craie dans un grand volume d’eau afin de préparer la décantation), le mélange était envoyé dans une série de bassins directement creusés dans la craie, disposés en cascade, les uns derrière les autres suivant la pente. Les réseau, parfois complexes, s’étendaient sur plusieurs niveaux de la carrière.

Ces bassins étaient interconnectés par des canalisations en métal ou en poterie. Le processus de décantation avait plusieurs étapes. Initialement, il permettait de séparer la craie des particules de silex, les plus lourdes, qui se déposaient dans le premier bassin. Ensuite, les particules de craie étaient triées en fonction de leur taille. Les plus lourdes se déposaient en premier, tandis que les plus légères s’accumulaient au fond du dernier bassin. Les dépôts de craie dans chaque bassin étaient traités différemment pour produire différents dérivés.

Afin d’accélérer le processus, certains bassins se présentaient sous forme de « goulottes ». En effet, en dirigeant le flux d’eau chargé de particules à travers une goulotte, les particules les plus lourdes avaient tendance à se déposer au fond plus rapidement, tandis que les particules plus légères pouvaient être emportées plus loin avant de se déposer. Cette conception permettait ainsi une séparation plus efficace des différentes fractions de particules, facilitant le processus de traitement de la craie dans les bassins de décantation. De plus, les goulottes offraient souvent une solution pratique pour canaliser le flux d’eau entre les bassins, assurant ainsi une transition en douceur d’un bassin à l’autre dans le système de décantation.

Réservoirs

Souvent de taille plus conséquente, leur fonction principale est de stocker une grande quantité d’eau. Cette eau stockée a deux fonctions majeures : alimenter la population en eau et l’agriculture. Par ailleurs, certains servent à arroser les cultures souterraines de champignons ou d’endives.

Citerne Romaine : l’exemple de la grotte Berelle

On peut retrouver des réservoirs plus petits datant spécifiquement de l’époque romaine que l’on nomme citerne romaine. Elles étaient utilisées au Vᵉ siècle après J.-C puis sont tombés dans l’oublie. Elles étaient souvent situées sous les bâtiments publics, les forums, les thermes et même sous les maisons privées. Les citernes étaient conçues pour être robustes et durables, avec des voûtes en berceau ou en demi-berceau pour supporter le poids de la terre et des structures au-dessus d’elles. Au-dessus, se trouvait un puits permettant de puiser l’eau.

Aqueduc

Le transport des eaux à travers les siècles

Un aqueduc souterrain est une structure conçue pour transporter de l’eau sous terre, souvent sur de longues distances. Contrairement aux aqueducs aériens, qui sont des structures visibles en surface, les aqueducs souterrains sont enfouis sous terre pour protéger l’eau des éléments extérieurs et maintenir sa pureté.

L’utilité des aqueducs souterrains a traversé les âges et les civilisations. Dans l’Antiquité, notamment chez les Romains, les aqueducs souterrains étaient essentiels pour fournir de l’eau potable aux villes, aux forts militaires, aux thermes et aux jardins. Ils ont permis le développement de grandes métropoles et ont contribué à l’essor de la civilisation en assurant un approvisionnement fiable en eau pour la population et les activités économiques.

Au fil du temps, les aqueducs souterrains sont restés importants pour l’approvisionnement en eau, mais leur utilisation s’est également étendue à d’autres domaines tels que l’irrigation agricole, l’industrie minière, la production d’énergie hydroélectrique et même la gestion des eaux pluviales et des eaux usées.

L’eau par toujours d’une source puis est acheminé par conduite forcée ou manière libre.

Les conduites forcées

L’acheminement en conduite forcé est une méthode plus récente qui permet de limiter le contact entre l’eau et l’extérieur pour réduire les contaminations, surtout si l’eau a été traitée au préalable. Cette solution est aussi envisagée lorsque la continuité de l’ouvrage maçonné n’est pas possible (passage d’autoroute par exemple).

L’exemple de l’aqueduc de Médicis

L’aqueduc de Médicis a été construit au début du XVIIe siècle pour répondre à plusieurs besoins importants de la ville de Paris, notamment l’approvisionnement en eau potable. Il est composé d’une galerie souterraine voûtée dont la hauteur varie de 2 m à 80 cm. Celle-ci est maçonnée avec des meulières non taillées. Au centre de la galerie, se trouve une « cunette » dans laquelle circule l’eau. Cette rigole est bordée de deux trottoirs appelés « banquettes ». Le tout repose sur une chape de béton appelée « radier ». Sur certaines portions, l’eau s’écoule directement sur le radier.

Accès et ouvrages de l’aqueduc de Médicis

Le tracé de ces galeries est ponctué par des puisards et des regards. Le puisard (ou soupirail) est un puits permettant d’accéder à l’aqueduc par le haut de la voûte. Quand l’aqueduc est profond, le puisard prend l’aspect d’un petit puits maçonné trapézoïdal. Afin de pouvoir y descendre, les parois sont pourvues d’encoches permettant d’y mettre les pieds. En surface, les puisards sont fermés par un tampon de pierre. Plus tard, au 19ᵉ siècle, certains ont été fermés par du béton ou des plaques en fontes.

Ils sont bien plus nombreux que les regards, car ce sont des ouvrages bien plus modestes. Leurs rôles sont multiples parce qu’ils permettent :

— D’accéder à l’aqueduc pour son entretien.
— De favoriser l’aération de la galerie, notamment pendant la construction de l’aqueduc.
— De permettre l’évacuation des déblais lors de la construction. On trouve par ailleurs des entailles dans les voûtes, formées par la traction des blocs dans le regard par des cordes.

Les regards quant à eux sont des édicules qui permettent un accès réservé à la galerie souterraine, via un escalier. À leur niveau, l’eau passe par un bassin dont la finalité est de favoriser l’oxygénation de l’eau et le dépôt des impuretés.

Facade de regard d’accès à l’aqueduc :

Intérieur des regards d’aqueduc :

Accès au regard n°3 de l’aqueduc de Médicis (regard de la Loge)

Visite virtuelle disponible

Drains

À la différence d’un aqueduc qui est utilisé pour transporter de l’eau sur de longues distances depuis une source d’eau vers des zones où elle est nécessaire, un drain est utilisé pour éliminer l’eau excédentaire ou pour drainer les sols.

Dans de nombreuses régions, la création de galeries de drainage est souvent nécessaire pour assurer la stabilité des massifs rocheux. Cette nécessité découle de plusieurs facteurs géologiques et géotechniques.

Les régions géologiquement complexes, caractérisée par la présence de roches altérées ou fissurées rendent les massifs rocheux sujets à l’infiltration d’eau, ce qui peut entraîner une saturation des sols et des roches. L’eau infiltrée peut également exercer une pression sur les parois rocheuses, augmentant ainsi le risque de glissements de terrain ou d’éboulements. De plus, si ces roches sont traversées par plusieurs cours d’eau et rivières, ce qui contribue à accroître le potentiel d’infiltration d’eau dans les massifs rocheux environnants. Les périodes de fortes précipitations peuvent entraîner une augmentation soudaine du débit des cours d’eau, exacerbant ainsi les problèmes d’infiltration et de saturation des sols.

Pour prévenir ces risques géotechniques et stabiliser les massifs rocheux, la création de galeries de drainage est souvent envisagée. Ces galeries sont conçues pour collecter et évacuer l’eau infiltrée des roches, réduisant ainsi la pression hydrostatique exercée sur les parois rocheuses. En éliminant l’eau excédentaire, les galeries de drainage contribuent à maintenir la stabilité des massifs rocheux et à prévenir les glissements de terrain et les éboulements.

C’est notamment ce qui a été fait dans la ville de Lyon.

Déversoir d’orage

Il s’agit du réceptacle final de ces eaux de drainage ou des eaux de pluie plus largement. Les déversoirs et collecteurs d’orage récupèrent les eaux excédentaires pour réduire la charge des stations et des réseaux d’épuration en rejetant ces eaux dans les cours d’eau. Il s’agit souvent d’ouvrages récents, maçonnés en béton.

Pompage

L’un des principaux objectifs du pompage qu’en la mine ou la carrière est encore en activité est de maintenir un niveau d’eau optimal pour permettre la poursuite des opérations minières ou d’extraction de matériaux sans interruption due à l’accumulation d’eau. Cela implique de maintenir le niveau d’eau sous un seuil spécifique, généralement en dessous du niveau de travail des mineurs ou en dessous des équipements d’extraction.

Une fois l’exploitation arrivée à sa fin, il est parfois nécessaire de pomper encore afin de :

Prévenir des inondations : Les excavations abandonnées peuvent se remplir naturellement avec de l’eau provenant de précipitations ou de sources souterraines. Le pompage est alors nécessaire pour évacuer cette eau et prévenir les inondations, ce qui peut endommager les infrastructures environnantes ou causer des risques pour la sécurité.

Maintenir la stabilité : Les excavations abandonnées peuvent devenir instables si elles sont remplies d’eau, ce qui peut entraîner des effondrements ou des glissements de terrain. Le pompage permet de conserver le niveau d’eau à un niveau gérable pour éviter de compromettre la stabilité des structures souterraines et des terrains environnants.

Protéger l’environnement : Le pompage après l’exploitation peut également être nécessaire pour prévenir la contamination de l’eau souterraine ou des cours d’eau avoisinants par des substances toxiques ou des produits chimiques résiduels provenant des activités minières ou d’extraction. Ces eaux passent donc généralement par des unités de traitement avant d’être rejeté dans la nature.

Bien souvent, afin de ne pas rejeter n’importe où et n’importe comment cette eau, au cours de l’histoire, l’homme a su faire preuve d’ingéniosité pour exploiter au mieux l’eau comme source d’énergie. Nous pouvons trouver deux exemples.

Utilisation de l’eau dans le contexte minier

Des ingénieurs hydrogélogues ont inventé un système pour facilier la remontée du minerai en utilisant le passage d’eau naturel.

Toutes ces structures sont liées dans le but de maintenir le cycle de l’eau et d’améliorer la gestion de la ressource hydrique.

Exhaure de mine

L’exhaure est un terme utilisé principalement dans le domaine de l’exploitation minière et de l’hydrologie. Il désigne l’ensemble des techniques et des opérations visant à évacuer les eaux souterraines qui envahissent les galeries et les chantiers de mines, afin de permettre la poursuite des travaux miniers.

Pompage des eaux souterraines : Les eaux peuvent provenir de nappes phréatiques, de rivières souterraines ou de l’infiltration des eaux de surface. Des pompes puissantes et des systèmes de drainage sont utilisés pour évacuer ces eaux vers l’extérieur de la mine.
Sécurité et efficacité : L’exhaure est essentielle pour garantir la sécurité des mineurs et l’efficacité des opérations minières. Une inondation dans une mine peut non seulement mettre en danger la vie des travailleurs, mais aussi endommager l’infrastructure et les équipements de la mine.
Types de systèmes d’exhaure : Les systèmes peuvent être temporaires ou permanents, et incluent des puits de pompage, des galeries drainantes, et des réseaux de canalisations. Le choix du système dépend de la géologie du site et du volume d’eau à évacuer.
Coûts et impacts environnementaux : L’exhaure peut représenter un coût significatif pour les opérations minières. De plus, le traitement des eaux évacuées est crucial pour éviter la pollution des écosystèmes environnants.

La pollution des eaux

L’eau issue des opérations d’exhaure peut s’avérer polluante dans plusieurs cadres, notamment en raison de la nature des substances qu’elle peut contenir après avoir été en contact avec les matériaux et les procédés miniers. Voici quelques exemples spécifiques de pollution de l’eau dans le contexte minier :

Métaux lourds : Les eaux de drainage des mines peuvent contenir des métaux lourds tels que le plomb, le mercure, le cadmium, et l’arsenic. Ces métaux peuvent se dissoudre dans l’eau et contaminer les sources d’eau potable, les sols, et les écosystèmes aquatiques.
Acidité : L’un des problèmes majeurs associés aux eaux de mine est le drainage minier acide (DMA). Cela se produit lorsque des minéraux sulfurés, comme la pyrite, réagissent avec l’eau et l’oxygène pour produire de l’acide sulfurique. Cette eau acide peut dissoudre davantage de métaux toxiques, aggravant la pollution.
Produits chimiques utilisés dans les procédés miniers : Les opérations de traitement du minerai utilisent souvent des produits chimiques tels que le cyanure (dans l’extraction de l’or) ou des réactifs de flottation. Si ces substances contaminent les eaux d’exhaure, elles peuvent poser des risques importants pour l’environnement et la santé humaine.
Sédiments : Les activités minières peuvent augmenter l’érosion des sols et entraîner des quantités excessives de sédiments dans les cours d’eau. Ces sédiments peuvent obstruer les habitats aquatiques, affecter la qualité de l’eau, et nuire aux organismes aquatiques.
Substances organiques : Certaines mines, en particulier celles d’exploitation de ressources comme le charbon, peuvent générer des eaux contenant des composés organiques toxiques. Ces substances peuvent provenir de résidus de procédés de transformation ou de la décomposition de matière organique naturellement présente dans les dépôts de minerai.

Impacts environnementaux et sanitaires :

Écosystèmes aquatiques : La contamination de l’eau peut entraîner la mort de la faune aquatique, perturber les chaînes alimentaires, et altérer les habitats naturels.
Santé humaine : Les populations locales qui dépendent de ces sources d’eau pour boire, se laver, ou irriguer leurs cultures peuvent être exposées à des risques sanitaires graves, y compris des maladies chroniques et aiguës ainsi que des cancers.
Sol et végétation : La pollution de l’eau peut également contaminer les sols, affectant ainsi la croissance des plantes et, par extension, la faune qui dépend de ces plantes.

En conclusion, l’eau issue des opérations minières peut devenir polluante lorsqu’elle entre en contact avec des substances toxiques ou des produits chimiques utilisés dans les processus d’extraction et de traitement. La gestion et le traitement appropriés des eaux d’exhaure sont donc essentiels pour minimiser les impacts environnementaux et sanitaires.

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