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Jean-Christophe Comte HYDRIAD, Nîmes Laboratoire d’Hydrogéologie, Université d’Avignon UMR EMMAH. - PowerPoint PPT Presentation
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Apport de la tomographie électrique à la modélisation des écoulements densitaires dans les aquifères côtiers
Application à trois contextes climatiques contrastés (Canada, Nouvelle-Calédonie, Sénégal)
Jean-Christophe Comte
HYDRIAD, NîmesLaboratoire d’Hydrogéologie, Université d’Avignon
UMR EMMAH
Contrat CIFRE université - entreprise
Laboratoire d’Hydrogéologie d’Avignon
HYDRIAD Eau & Environnement
Besoins des bureaux d’études
Caractérisation des biseaux salés et des intrusions
Scénarios évolutifs / Vulnérabilité / Risques
Outils existants
Méthodes géophysiques
Modèles mathématiques
Méthode de couplage plus rigoureuse et plus fiable
Amélioration de l’interprétation des données géophysiques
Amélioration de la représentativité des modèles hydrogéologiques
Cadre et enjeux
Problématique hydrogéologique
Outils d’investigation et de modélisation
Simulation des écoulements densitaires
Tomographie de résistivité électrique (ERT)
Relations entre propriétés géo-électriques et paramètres hydrogéologiques
Exemples de sites d’application
Les intrusions salines aux Îles-de-la-Madeleine (Québec, Canada)
La lentille d’eau douce de l’îlot corallien M’Ba (lagon de Nouméa, Nouvelle-Calédonie)
Le système salin côtier dunaire de Pikine (presqu’île du Cap-Vert, Sénégal)
Proposition d’une méthodologie de validation croisée des modèles géo-électriques et hydrogéologiques
Plan de la présentation
Problématique hydrogéologique
Problématique Outils d’approche classiques Cas d’application Méthodologie proposée
Aquifères côtiers : forte pression démographique
industrielle et touristique
forte vulnérabilité de la ressource en eau aux intrusions salines (sur-exploitation)
Impact prévu des changements globaux
Modèles mathématiques d’écoulements densitaires :
gestion et protection de la ressource côtière
modèles sensibles et lourds
validation nécessite des données haute résolution
Prospection géophysique électrique : Sensible aux changements lithologiques
et à la distribution 3D de la salinité
Méthode largement utilisée en prospection hydrogéologique (bureaux d’étude)
Problème de non-unicité des résultats (inversion)
Modélisation des écoulements densitaires dans les aquifères
Problématique Outils d’approche classiques Cas d’application Méthodologie proposée
Concepts :
Modèles d’interface franche
-> solutions analytiques
Modèles d’interface diffuse
-> solutions numériques
Modélisation des écoulements densitaires dans les aquifères
Problématique Outils d’approche classiques Cas d’application Méthodologie proposée
Méthodologie de développement des modèles numériques
(SUTRA) : Discrétisation
-> définition d’un maillage spatial 2D ou 3D
-> définition du pas de temps
Modélisation des écoulements densitaires dans les aquifères
Problématique Outils d’approche classiques Cas d’application Méthodologie proposée
Méthodologie de développement des modèles numériques
(SUTRA) : Discrétisation
-> définition d’un maillage spatial 2D ou 3D
-> définition du pas de temps
Paramétrage
-> paramètres du milieu aquifère (perméabilités, emmagasinements, dispersivités)
-> conditions aux limites (recharge, évapotranspiration, niveau et salinité de la mer, prélèvement par les puits, etc.)
Modélisation des écoulements densitaires dans les aquifères
Problématique Outils d’approche classiques Cas d’application Méthodologie proposée
Méthodologie de développement des modèles numériques
(SUTRA) : Discrétisation
-> définition d’un maillage spatial 2D ou 3D
-> définition du pas de temps
Paramétrage
-> paramètres du milieu aquifère (perméabilités, emmagasinements, dispersivités)
-> conditions aux limites (recharge, évapotranspiration, niveau et salinité de la mer, prélèvement par les puits, etc.)
Simulations
-> calcul couplé des pressions et vitesses de pore
-> calcul couplé des concentrations en sel
Modélisation des écoulements densitaires dans les aquifères
Problématique Outils d’approche classiques Cas d’application Méthodologie proposée
Méthodologie de développement des modèles numériques
(SUTRA) : Discrétisation
-> définition d’un maillage spatial 2D ou 3D
-> définition du pas de temps
Paramétrage
-> paramètres du milieu aquifère (perméabilités, emmagasinements, dispersivités)
-> conditions aux limites (recharge, évapotranspiration, niveau et salinité de la mer, prélèvement par les puits, etc.)
Simulations
-> calcul couplé des pressions et vitesses de pore
-> calcul couplé des concentrations en sel
Calibration/validation
-> comparaison avec des données piézométriques
-> comparaison avec des données de salinité
Modélisation des écoulements densitaires dans les aquifères
Problématique Outils d’approche classiques Cas d’application Méthodologie proposée
Le problème du calage/validation : Données piézométriques généralement suffisantes MAIS parfois :
-> problèmes d’équivalents d’eau douce en milieu salin
-> effets densitaires liés au sel peuvent opposer les écoulements aux gradients calculés en équivalents d’eau douce
Modélisation des écoulements densitaires dans les aquifères
Problématique Outils d’approche classiques Cas d’application Méthodologie proposée
Le problème du calage/validation : Données piézométriques généralement suffisantes MAIS parfois :
-> problèmes d’équivalents d’eau douce en milieu salin
-> effets densitaires liés au sel peuvent opposer les écoulements aux gradients calculés en équivalents d’eau douce
Données de salinité généralement insuffisantes CAR :
-> limitées aux mesures en forage et eaux de surface
-> mélanges verticaux importants dans les forages
-> structure complexe de la zone de transition eau douce – eau salée en 2D ou 3D (forts gradients localisés, remontées coniques, etc.)
Modélisation des écoulements densitaires dans les aquifères
Problématique Outils d’approche classiques Cas d’application Méthodologie proposée
Le problème du calage/validation : Données piézométriques généralement suffisantes MAIS parfois :
-> problèmes d’équivalents d’eau douce en milieu salin
-> effets densitaires liés au sel peuvent opposer les écoulements aux gradients calculés en équivalents d’eau douce
Données de salinité généralement insuffisantes CAR :
-> limitées aux mesures en forage et eaux de surface
-> mélanges verticaux importants dans les forages
-> structure complexe de la zone de transition eau douce – eau salée en 2D ou 3D (forts gradients localisés, remontées coniques, etc.)
Intérêt de la géophysique comme outil de calage/validation :
Résistivité électrique = mesure indirecte de la salinité
ERT fournit une image 2D ou 3D de la distribution des résistivités électriques
Modélisation des écoulements densitaires dans les aquifères
Problématique Outils d’approche classiques Sites d’étude Méthodologie proposée
Modélisation des écoulements densitaires : Exemple 2D
Tomographie de résistivité électrique (ERT)
Problématique Outils d’approche classiques Cas d’application Méthodologie proposée
Distribution 2D (section) ou 3D (volume) des résistivités du sous-sol
Tomographie de résistivité électrique (ERT)
Inversion géo-électrique : déconvolution du signal mesuré
Relations hydro-pétrophysiques liant les paramètres géo-électriques et
hydrochimiques
Problématique Outils d’approche classiques Cas d’application Méthodologie proposée
Relations pétrophysiques (propriétés électriques des roches)
Relations " hydro-physico-chimiques " (propriétés électriques de la solution de pore)
Correction de température (variation de la résistivité avec la température)
Relations hydro-pétrophysiques liant les paramètres géo-électriques et
hydrochimiques
Problématique Outils d’approche classiques Cas d’application Méthodologie proposée
Relations pétrophysiques : résistivité totale = f (résistivité eau)
- Archie (1942) -> matériau non argileux
- Waxman & Smits (1968) -> matériaux argileux
- Autres modèles plus complexes (ex. Revil et al., 1998)
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m)
Conductivité électrique de l'eau de pore (µS/cm)
Archie IDLM grès tendre très poreux (Por.=0.4 ; m=1.3)
Waxman&Smits IDLM grès IDLM peu argileux (Por.=0.4 ; m=1.3 ; Qv=0.017 méq/cm3)
Waxman&Smits IDLM grès IDLM argileux (Por.=0.4 ; m=1.3 ; Qv=1.47 méq/cm3)
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TDS (mg/L)
Hem
corrélation terrain (IDLM)
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Conductivité électrique de l'eau de pore (µS/cm)
Archie IDLM grès tendre très poreux (Por.=0.4 ; m=1.3)
Waxman&Smits IDLM grès IDLM peu argileux (Por.=0.4 ; m=1.3 ; Qv=0.017 méq/cm3)
Waxman&Smits IDLM grès IDLM argileux (Por.=0.4 ; m=1.3 ; Qv=1.47 méq/cm3)
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TDS (mg/L)
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corrélation terrain (IDLM)
Relations "hydro-physico-chimiques" : résistivité de l’eau = f (salinité)
- Corrélations sur données d’échantillonnage de terrain
- Hem (1985) -> milieu côtier (eaux naturelles salées)
Conduc. Elect. de l’eau de pore (µS/cm)
TDS (mg/l)
Exemples de cas d’étude : singularités, acquisitions ERT
et simulations
Problématique Outils d’approche classiques Cas d’application Méthodologie proposée
Localisation et singularités des sites d’étude
Résultats ERT et modélisation des écoulements densitaires
Comparaisons et rapprochements ERT/modèles
Exemples de cas d’étude : singularités, acquisitions ERT
et simulations
Problématique Outils d’approche classiques Cas d’application Méthodologie proposée
Sites d’étude : Québec, Nouvelle-Calédonie,
Sénégal
Exemples de cas d’étude : singularités, acquisitions ERT
et simulations
Problématique Outils d’approche classiques Cas d’application Méthodologie proposée
Sites d’étude : Québec, Nouvelle-Calédonie,
Sénégal
Îles-de-la
Madeleine
(Québec)
Exemples de cas d’étude : singularités, acquisitions ERT
et simulations
Problématique Outils d’approche classiques Cas d’application Méthodologie proposée
Sites d’étude : Québec, Nouvelle-Calédonie,
Sénégal
Îlot M’Ba
(Nouvelle-
Calédonie)
Exemples de cas d’étude : singularités, acquisitions ERT
et simulations
Problématique Outils d’approche classiques Cas d’application Méthodologie proposée
Sites d’étude : Québec, Nouvelle-Calédonie,
Sénégal
Presqu’île du Cap-
Vert (Sénégal)
Exemples de cas d’étude : singularités, acquisitions ERT
et simulations Îles-de-la Madeleine :
Contexte
Exemples de cas d’étude : singularités, acquisitions ERT
et simulations Résultats ERT
Exemples de cas d’étude : singularités, acquisitions ERT
et simulations Modélisation des écoulements densitaires : piézométrie
Exemples de cas d’étude : singularités, acquisitions ERT
et simulations Modélisation des écoulements densitaires :
zone de transition eau douce/eau salée
Exemples de cas d’étude : singularités, acquisitions ERT
et simulations Comparaison qualitative ERT/simulations
Exemples de cas d’étude : singularités, acquisitions ERT
et simulations Îlot M’Ba :
contexte
Exemples de cas d’étude : singularités, acquisitions ERT
et simulations Résultats
ERT
Exemples de cas d’étude : singularités, acquisitions ERT
et simulations Modélisation des écoulements
densitaires : piézométrie et salinité
Exemples de cas d’étude : singularités, acquisitions ERT
et simulations Presqu’île du Cap-
Vert : contexte
Exemples de cas d’étude : singularités, acquisitions ERT
et simulations Résultats ERT et écoulements densitaires
Méthodologie de validation croisée entre modèles géophysiques et
hydrogéologiques
Problématique Outils d’approche classiques Cas d’application Méthodologie proposée
Les résultats obtenus sur les 3 sites montrent une comparaison variable entre résultats géophysiques et simulations densitaires
Méthodologie de validation croisée entre modèles géophysiques et
hydrogéologiques
Problématique Outils d’approche classiques Cas d’application Méthodologie proposée
Les résultats obtenus sur les 3 sites montrent une comparaison variable entre résultats géophysiques et simulations densitaires
DE PLUS, cette comparaison reste "qualitative"
Méthodologie de validation croisée entre modèles géophysiques et
hydrogéologiques
Problématique Outils d’approche classiques Cas d’application Méthodologie proposée
Les résultats obtenus sur les 3 sites montrent une comparaison variable entre résultats géophysiques et simulations densitaires
DE PLUS, cette comparaison reste "qualitative"
ET, la modélisation géo-électrique inverse reste soumise au problème de non-unicité de l’image obtenue
Méthodologie de validation croisée entre modèles géophysiques et
hydrogéologiques
Problématique Outils d’approche classiques Cas d’application Méthodologie proposée
Les résultats obtenus sur les 3 sites montrent une comparaison variable entre résultats géophysiques et simulations densitaires
DE PLUS, cette comparaison reste "qualitative"
ET, la modélisation géo-électrique inverse reste soumise au problème de non-unicité de l’image obtenue
Il est nécessaire de se doter d’un moyen supplémentaire de validation indépendant qui permette :
1/ de s’affranchir du problème de non-unicité
2/ d’intégrer les effets 3D (géologie et zone de transition)
3/ de rendre "quantitative" la comparaison géophysique/simulations
Méthodologie de validation croisée entre modèles géophysiques et
hydrogéologiques
Approche qualitative classique
Comparaison : modèle géophysique inverse / modèle hydrogéologique direct
Approche quantitative complémentaire
Comparaison : mesures géophysiques de terrain / données équivalentes calculées (à l’aide d’un modèle géo-électrique direct) à partir des résultats du modèle densitaire (terrain virtuel)
Problématique Outils d’approche classiques Cas d’application Méthodologie proposée
Méthodologie de validation croisée entre modèles géophysiques et
hydrogéologiques
Problématique Outils d’approche classiques Cas d’application Méthodologie proposée
Méthodologie de validation croisée entre modèles géophysiques et
hydrogéologiques
Méthodologie robuste de caractérisation et simulation des aquifères côtiers
Conclusions
Approche classique des aquifères côtiers :
-> caractérisation géophysique (dont ERT)
-> modélisation hydrogéologique (dont densitaire)
MAIS approche souffrant de 2 principales faiblesses :
-> non-unicité des résultats géophysiques
-> difficultés de paramétrage et validation des modèles hydrogéologiques
Proposition d’une méthodologie permettant :
-> le paramétrage et la validation des modèles
-> une validation croisée indépendante des portraits géophysiques et hydrogéologiques obtenus
Originalité et pertinence de cette méthodologie :
-> démarche rigoureuse et scientifique
-> utilisation d’outils adaptés et modernes
-> applicable par les bureaux d’études et gestionnaires des ressources
Perspectives…
… pour améliorer la compréhension et la gestion des aquifères côtiers :
Utilisation des méthodes géophysiques électro- magnétiques (EM)
Assimilation (incorporation) des données géophysiques dans les modèles hydrogéologiques (soft data / hard data)
Couplage avec d’autres outils :
-> géochimie et isotopes (âge et temps de séjour)
-> télédétection (flux des sorties en mer)>
Extrapolation de la méthodologie à d’autres milieux
Je remercie :HYDRIAD, LHA-EMMAH, ANRT-CIFRELes projets FAQDD-Îles-de-la-Madeleine, ANR-Interface, PASMI-
SénégalLes collaborateurs AGÉOS, Envir’Eau Puits, IRD-Nouméa,
GEOTERLes membres du JuryEt l’assistance…
Apport de la tomographie électrique à la modélisation des écoulements densitaires dans les aquifères côtiers
Application à trois contextes climatiques contrastés (Canada, Nouvelle-Calédonie, Sénégal)
Jean-Christophe Comte
HYDRIAD, NîmesLaboratoire d’Hydrogéologie, Université d’Avignon
UMR EMMAH
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