Le flux d'eau souterraine : mesuré plutôt que calculé

Une étude sur le capteur de flux horizontal iFLUX a été publiée dans le Journal of Hydrology. Dans cet entretien, l'auteur, Niels Van Putte, explique ce que représente cette validation, tant pour les sites clients que pour les études hydrogéologiques.

Le flux d'eau souterraine est l'une des grandeurs les plus déterminantes en hydrogéologie, et l'une des moins mesurées directement. Le capteur de flux horizontal iFLUX mesure l'écoulement lui-même, en continu, en vitesse et en direction.

Le développement a débuté en 2020 et s'est achevé il y a environ un an et demi. Il vient d'être publié dans le Journal of Hydrology, l'une des revues de référence dans ce domaine.

Niels Van Putte, data scientist au sein de l'équipe R&D d'iFLUX, a rassemblé les expériences et la modélisation dans cette étude, avec la fondatrice et CTO d'iFLUX, Goedele Verreydt.

Nous nous sommes entretenus avec Niels sur ce que représente cette publication, ce que le capteur permet sur les sites clients, et en quoi un flux mesuré directement pourrait changer la manière dont les études hydrogéologiques sont conçues.

Figure 1. Le capteur de flux horizontal iFLUX. a : vue latérale, avec (1) la tête d'installation, (2) la tête du capteur logeant le circuit imprimé, (3) le compartiment du capteur contenant les deux canaux d'écoulement microfluidiques derrière leurs entonnoirs et leur tamis en acier inoxydable, et (4) la section de guidage qui verrouille le capteur en position. b et c : vues latérale et de dessus du filtre prepack. D'après Van Putte et Verreydt (2026).

Quel a été votre rôle dans cette étude ?

« Tout ce qui existait déjà devait être rassemblé. Les expériences avaient été menées, la modélisation avait été réalisée. Mon rôle a été de tout combiner, d'en extraire les résultats et de les rédiger en vue d'une publication scientifique. »

Depuis combien de temps ce projet est-il en cours ?

« Les expériences et la modélisation se sont déroulées par étapes. Nous les avons répétées à chaque nouveau prototype. Mais le développement du capteur horizontal proprement dit a débuté en 2020, et nous ne l'avons vraiment finalisé qu'il y a environ un an et demi. »

Que signifie concrètement une publication dans le Journal of Hydrology ?

« Le Journal of Hydrology est une revue véritablement prestigieuse en hydrogéologie. Les méthodes qui y sont publiées sont validées scientifiquement. Notre étude a fait l'objet d'une évaluation par les pairs, et nous avons reçu de nombreux retours. Les évaluateurs avaient de nombreuses questions. Certaines nous ont amenés à ajuster notre position. D'autres pointaient vers des recherches complémentaires que nous allons désormais mener sur les données. Là où ils n'étaient pas d'accord avec nous, nous avons approfondi les détails.

L'étude a donc été examinée en profondeur, et une publication dans une revue de ce niveau constitue une étape importante dans la validation du capteur. »

Pourquoi cela importe-t-il en dehors du monde de la recherche ?

« Parce que cela signifie que la méthode derrière le chiffre a été examinée par des personnes n'ayant aucun intérêt dans le résultat. Si vous devez défendre une mesure face à une autorité, un auditeur ou une partie prenante, votre position est bien différente de celle où vous vous référez au seul rapport d'essai d'un fournisseur.

Cela signifie aussi que la méthode peut être citée. Toute personne construisant une étude autour de mesures de flux dispose désormais d'une description documentée et évaluée par les pairs du fonctionnement de la mesure et de ses limites. »

Figure 2. Performance du capteur dans le bac à sable. a : intensité du flux mesurée en fonction de l'intensité du flux imposée, après correction de la distorsion du champ d'écoulement. b : direction du flux mesurée en fonction de l'angle d'écoulement incident. La ligne pointillée représente la référence 1:1, la bande beige l'écart-type des mesures répétées. D'après Van Putte et Verreydt (2026).

Que couvre l'étude, et que ne couvre-t-elle pas ?

« Cette étude décrit ce que nous avons réalisé dans notre dispositif de bac à sable. Nous avons observé comment le capteur réagit à des flux et des directions donnés, dans des conditions contrôlées. Nous disposons donc désormais d'une preuve de concept solide.

Nous utilisons déjà le capteur sur le terrain, et nous pouvons démontrer qu'il y fonctionne bien, également pour nos clients, mais cet aspect n'est pas démontré dans cette étude. C'est matière à une étude complémentaire. »

Figure 3. Le bac à sable de laboratoire. L'eau circule entre un compartiment d'entrée et un compartiment de sortie (b, c), séparés du sable par des plaques déflectrices grillagées (a), le flux étant imposé par des régulateurs de niveau à trop-plein (f, g) et vérifié volumétriquement (h). Le filtre prepack et le capteur se trouvent au centre (i, j). D'après Van Putte et Verreydt (2026).

Venons-en aux sites. Qui profite le plus de ce capteur ?

« Principalement les clients qui ont besoin de mesures fonctionnant de manière autonome sur une longue période. Notre méthode fonctionne avec une consommation d'énergie très faible, la consommation de la batterie est donc minimale. Avec de nombreuses autres technologies, il faut soit qu'une personne soit présente sur site, soit la mesure ne dure que quelques heures.

Cela compte également là où le flux varie beaucoup. Sur les sites où le flux est plus ou moins constant, les méthodes standards suffisent. Cela devient intéressant là où il y a du mouvement : des pompes qui s'allument et s'éteignent, ou une influence des marées dans les zones côtières. Partout où une haute résolution temporelle est nécessaire, c'est-à-dire des mesures fréquentes dans le temps, notre méthode présente un net avantage.

Et cela compte là où le flux est parfois très faible. D'autres méthodes sont moins adaptées pour mesurer des flux réellement faibles. Nous pouvons mesurer jusqu'à quelques centimètres par jour, là où d'autres méthodes se situent dans une fourchette de dizaines voire de centaines de centimètres par jour. »

Pourquoi les autres méthodes peinent-elles à faible flux ?

« La plupart utilisent une impulsion de traceur. On injecte une solution saline en un point connu et on la suit ailleurs. Mais on n'obtient une mesure qu'au moment où elle arrive. Si le flux est lent, on obtient très peu de mesures par unité de temps. Si le traceur met quatre heures à arriver, on obtient une mesure toutes les quatre heures.

Nous observons une différence de température plutôt que de suivre une impulsion thermique dans le temps, ce qui nous permet de mesurer en continu. Dès que nous allumons le capteur, nous obtenons une mesure en quatre secondes. »

Le suivi en temps réel devient donc réaliste.

« C'est effectivement la différence pratique. Le capteur est en outre conçu pour être compatible avec différents enregistreurs de données. Ce qu'il advient des données dépend du client. Un enregistrement local est possible, tout comme une transmission vers un tableau de bord. Cet aspect n'est pas couvert par l'étude, celle-ci porte sur la technologie de mesure du flux en tant que telle, mais c'est bien ainsi que le capteur est utilisé. »

Pourquoi les clients ont-ils d'abord besoin de savoir comment l'eau souterraine se déplace ?

« Les raisons varient. Certains veulent savoir à quelle vitesse l'eau se déplace d'un point A à un point B, parce qu'ils doivent garantir un certain temps de résidence dans le sous-sol. C'est le cas chez Vitens, par exemple.

D'autres veulent savoir à quelle vitesse certaines substances se déplacent dans le sol. Si l'on souhaite connaître le flux d'un contaminant et que l'on ne peut pas mesurer la substance directement, il faut d'abord savoir à quelle vitesse l'eau se déplace. Sans cela, on en reste à une estimation. »

Qu'est-ce qui rend la mesure elle-même fiable ?

« Il existe plusieurs techniques pour mesurer le flux d'eau souterraine, et je les décris dans l'étude. Une catégorie consiste à mesurer le flux à l'intérieur d'un forage, ce que nous faisons. Ce qui distingue notre approche, c'est l'utilisation de notre propre filtre prepack. Il canalise l'écoulement vers le capteur tout en créant un dispositif standardisé.

D'autres mesurent généralement dans des piézomètres existants. C'est moins coûteux, puisque le piézomètre est déjà en place, et plus simple à déployer. L'inconvénient est qu'un piézomètre existant s'accompagne de nombreuses inconnues. On ne connaît pas toujours la longueur du filtre, la disposition des fentes, la manière dont le sédiment environnant s'est tassé, ni s'il y a un filtre de sable autour ou non. Tout cela ajoute de l'incertitude à la mesure. »

L'élément de détection provient du monde médical. Comment fonctionne-t-il ?

« Il s'agit d'un capteur MEMS, un système micro-électromécanique. Tout se trouve sur une seule puce : le canal par lequel l'eau s'écoule, les deux capteurs, l'élément chauffant.

Le canal d'écoulement a un diamètre de 1,8 millimètre. Au centre se trouve un petit élément qui chauffe l'eau. De part et d'autre se trouve un capteur de température. C'est à partir du rapport entre ces deux températures que nous déduisons l'écoulement.

Imaginez un feu de camp. Pour savoir dans quel sens souffle le vent, on regarde où va la fumée. Cela fonctionne de la même manière. On chauffe au centre, puis on observe quel côté est plus chaud et lequel est moins chaud. Le rapport entre les deux nous donne à la fois la direction et la vitesse. Comme nous disposons de deux de ces puces positionnées perpendiculairement l'une à l'autre, nous pouvons mesurer la direction sur les 360 degrés. »

Figure 4. Le principe de mesure. a : coupe transversale d'un canal d'écoulement avec un entonnoir de chaque côté. Deux de ces canaux sont positionnés perpendiculairement l'un à l'autre dans le capteur. b : l'eau traversant le canal est chauffée localement par un élément central, et la différence de température entre les capteurs en amont et en aval donne à la fois le débit et sa direction. D'après Van Putte et Verreydt (2026).

Comment un flux mesuré se compare-t-il à un flux calculé ?

« Traditionnellement, le flux est calculé à partir du gradient hydraulique et de la valeur k. Dans des régions plates comme la nôtre, l'écoulement est souvent très faible, si bien que les différences de charge hydraulique sont très petites, parfois quelques millimètres sur des centaines de mètres. On ne peut pas toujours mesurer cela de manière fiable. À cela s'ajoute une erreur importante sur la conductivité hydraulique. Au cours de cette recherche, j'ai constaté qu'elle pouvait être sur- ou sous-estimée d'un facteur dix.

Notre capteur n'est pas non plus totalement à l'abri de cette incertitude, mais la valeur k intervient par le biais d'un facteur de correction plutôt que comme un multiplicateur direct, ce qui rend le résultat beaucoup moins sensible à cette incertitude. En pratique, cela se traduit par un chiffre plus robuste, précisément dans les conditions où l'approche traditionnelle est la plus faible.

Une réserve mérite d'être formulée. Notre capteur effectue une mesure ponctuelle. Il mesure le flux en un endroit précis. La manière dont cela se traduit sur le flux à l'échelle d'une zone plus large est une question distincte, qui dépend largement du nombre de capteurs installés et de leur emplacement. »

Figure 5. Champ d'écoulement simulé dans et autour du filtre prepack et du capteur, vu en coupe transversale à travers l'un des canaux d'écoulement internes. Une partie de l'écoulement traverse le capteur, une autre partie le contourne. C'est la quantification de cette distorsion qui permet de ramener la mesure au flux réel dans l'aquifère. D'après Van Putte et Verreydt (2026).

Cette publication a-t-elle une signification particulière pour vous personnellement ?

« Oui, tout à fait. Cela représente beaucoup de travail, et je suis fier d'être parvenu à la faire publier. D'autant plus que nous l'avons fait avec une petite équipe. À l'université, une étude comme celle-ci implique souvent une équipe de cinq ou six personnes. Ici, nous l'avons réalisée avec un groupe très restreint. »