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Caractérisation de l'hétérogénéité de la conductivité hydraulique et simulations du transport de contaminants: Secteur d'essais de RDDC-Valcartier, Québec.

Blouin, Martin (2012). Caractérisation de l'hétérogénéité de la conductivité hydraulique et simulations du transport de contaminants: Secteur d'essais de RDDC-Valcartier, Québec. Mémoire. Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Maîtrise en sciences de la terre, 92 p.

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Résumé

Les techniques classiques de modélisation hydrogéologique utilisant des approches déterministes pour caractériser les processus d'écoulement de l'eau souterraine et du transport de masse dans l'eau souterraine négligent, par construction, l'effet de l'hétérogénéité géologique et hydraulique. Ainsi, ces méthodes peuvent conduire à une sur ou sous-estimation du transport de contaminants dans les régions sensibles. Dans le but de développer une méthodologie pour la construction de modèles hydrogéologiques dans les systèmes hétérogènes, une méthode de modélisation hydrogéologique par approche géostatistique du secteur d'essais de Recherche et développement pour la défense Canada (RDDC) - Valcartier, Québec a été réalisée. Ce site d'environ 6 km² repose sur un gneiss du Bouclier canadien recouvert de dépôts meubles deltaïques mis en place principalement par la mer de Champlain. Il est utilisé depuis la 2e guerre mondiale à des fins expérimentales au niveau militaire. U ne modélisation de la géologie basée sur les propriétés hydrogéologiques des matériaux (hydrofaciès ou HF) du secteur d'essais a d'abord été réalisée dans le but d'améliorer la connaissance sur la distribution des faciès contrôlant l'écoulement et le transport de masse. La présence d'une unité silteuse fine a d'abord été délimitée à la main. L'effet de cette unité sur l'écoulement et le transport est considérable et contribue à la présence d'une nappe perchée supérieure dans le secteur nord et nord-ouest du site. La présence de couches de graviers et sables grossiers en profondeur a aussi été visée par la modélisation de la géologie par HF. Ainsi, plusieurs scénarios de distributions des hydrofaciès (HF) sur le site ont été produits à l'aide de simulations multi-points. Les chemins préférentiels d'écoulement et de transport ont ainsi été définis à grande échelle. Ensuite, utilisant les valeurs de conductivités hydrauliques mesurées sur le site, une distribution spécifique de la conductivité hydraulique a été assignée pour chacun des HF. Différentes distributions de conductivité hydraulique simulées ont alors été attribuées à chacun des HF en utilisant des simulations séquentielles gaussiennes (SGS). La variabilité de la conductivité hydraulique (K) sur le site a ainsi été considérée. Les chemins préférentiels d'écoulement et de transport ont alors été définis à petite échelle. En tout, 500 modèles 3D de K ont ainsi été générés. Parmi tous ces modèles, un modèle de K représentatif a été testé et calé avec les charges hydrauliques en simulation d'écoulement souterrain avec le logiciel FEFLOW©. Les limites de Dirichlet et Neumann ont alors été appliquées selon les données disponibles et la reproduction des charges hydrauliques observées par le modèle d'écoulement simulé. Une sélection des scénarios les plus réalistes a alors été effectuée d'après la reproduction des données observées. Les modèles 3D de K choisis ont finalement servi à produire plusieurs scénarios de transport de contaminants pour une source constante sur une période de 20 ans. L'effet de la variabilité de la distribution des HF et des hétérogénéités sub-HF a pu être observé selon la répartition 3D simulée de la concentration après 20 ans. Les différents résultats issus de ces simulations ont pu être comparés à un modèle de K moyen. Le modèle moyen semble négliger l'effet des chemins préférentiels d'écoulement entraînant une sous-estimation probable du transport de contaminants. Enfin, une brève analyse statistique sur l'ensemble des valeurs finales de concentrations simulées a permis de produire un outil décisionnel utile à la gestion du site.

Abstract

Classical hydrogeological modelling techniques using deterministic approaches to characterize sub-surface pro cesses neglect the effect of the heterogeneity of the groundwater system. Consequently, such methods yield to over or underestimate the mass transport in heterogeneous areas. To assess for heterogeneity of these systems and to provide tools to evaluate uncertainties in aquifer management, geostatistical simulations were used in a detailed hydrogeological modelling for the "secteur d'essais" of Defence, Research and Development Canada (DRDC) - Valcartier, Quebec. The study site is about 6 km² and lies on Canadian Shield gneiss covered with mostly deltaic sands of the Champlain Sea. Since the end of World War II, the site is used for military experimental purposes. A geological model of the study site was first built regrouping sediment matter by hydrogeological properties (hydrofacies or HF). The aim of this model was to improve knowledge on geological facies controlling the groundwater fiow and mass transport. This modelling step revealed the presence of a fine silty unit and exposed scenarios of its distribution. This unit mainly contributes to the presence of a perched water system in the north and north-western part of the site. The presence of gravel and coarse sand at depth has also been highlighted. 3D Hydrofacies (HF) distribution scenarios were produced using multiple-point geostatistics. Hence, groundwater and mass transport preferential fiow paths were defined at large scale. Then, a specific hydraulic conductivity distribution was assigned to each hydrogeological unit (HF) using measured data on site. Sequential Gaussian simulations (SGS) enable hydraulic conductivity (K) heterogeneity reproduction within each HF. The variability of hydraulic conductivity values on the studied site has been considered. Hence, groundwater and mass transport preferential fiow paths were defined at a small scale. In total, 500 K models were generated. Using a calibrated hydraulic conductivity model amongst the 500, groundwater fiow simulations were undertaken in a FEFLOW© model. Dirichlet and Neumann boundary conditions were defined considering available data and model reproduction to observed hydraulic heads. Then a selection pro cess was conducted to choose the most realistic models considering observed data reproduction. The selected 3D K models were then used to generate multiple mass transport scenarios assuming a constant source over 20 years. The effect of HF distribution variability and of sub-HF heterogeneities can be observed through 3D maps of simulated concentrations after 20 years. The different mass concentration values obtained from mass transport simulations were compared to simulation results for a mean K model. Transport simulations for the mean K model show underestimation of contaminant travel times and amplitudes probably caused by neglecting preferential fiow paths effect. Finally, a brief statistical analysis over the simulated concentrations values after 20 years enabled the production of a useful decision making tool for site management.

Type de document: Mémoire
Directeur de mémoire/thèse: Martel, Richard
Co-directeurs de mémoire/thèse: Gloaguen, Erwan
Mots-clés libres: géologie; hydrogéologie; modélisation hydrogéologique; modélisation; géostatistiques; aquifères; probabiliste; hétérogénéité; contaminant; hydrofaciès
Centre: Centre Eau Terre Environnement
Date de dépôt: 04 juin 2013 15:15
Dernière modification: 11 nov. 2015 15:17
URI: http://espace.inrs.ca/id/eprint/1398

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