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Évaluation des effets de pompage sur la subsidence :une approche par des relevés de terrain, la télédétection et la modélisation numérique: (pumping effects on land subsidence: assessment using field data, remote sensing and numerical modeling).

Calderhead, Angus I. (2009). Évaluation des effets de pompage sur la subsidence :une approche par des relevés de terrain, la télédétection et la modélisation numérique: (pumping effects on land subsidence: assessment using field data, remote sensing and numerical modeling). Thèse. Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Doctorat en sciences de la terre, 279 p.

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Résumé

Dans plusieurs villes du monde (e.g. Venise, Las Vegas, Shanghai, Mexico), la surexploitation de l'eau souterraine entraîne la compaction de couches argileuses et crée de multiples problèmes dont l'effondrement des sols, des dommages importants aux infrastructures, et la création de fractures dans les sédiments en surface. L'objectif de cette thèse est de présenter une méthodologie multidisciplinaire, combinant les méthodes utilisées dans les domaines de l'hydrogéologie et de la télédétection, pour mieux quantifier et prédire l'affaissement régional des sols dans un aquifère hétérogène intercalé de couches argileuses. La zone d'étude est localisé dans la vallée de Toluca, Mexique, une zone ayant les critères propices à l'affaissement : soient un pompage excessif avec un bilan d'eau souterraine déficitaire, et la présence de couches argileuses compressibles. Contrairement aux autres villes mentionnées ci-haut, ce bassin a peu de donnés historiques sur l'affaissement régional. La méthodologie entreprise comprend: (1) une revue de la littérature et une revue de rapports avec des données utiles à l'étude de cas, (2) des travaux de terrain (puits, extensomètres, et prélèvement de sol), (3) l'évaluation détaillée du bilan en eau à l'aide d'un modèle numérique de recharge multiparamètres, (4) la génération d'un modèle géologique 3D, (5) l'utilisation de l'interférométrie radar (InSAR) pour obtenir des données de subsidence, (6) le couplage (compaction instantanée + écoulement d'eau souterraine), la vérification, et la mise en oeuvre d'un modèle numérique, (7) la simulation de plusieurs scénarios pour prédire l'affaissement futur. Les travaux détaillés avec les modèles de recharge et la géologie 3D permettent d'avoir une plus grande confiance dans les simulations. De plus, l'utilisation des techniques d'interférométrie radar permettent de localiser et mesurer les zones en affaissement. Aussi, en combinant les données InSAR, les données du bilan d'eau, le modèle géologique, et les données d'affaissement avec les extensomètres, il est possible de mieux estimer les propriétés d'emmagasinement spécifique squelettique et de mieux caler le modèle numérique. Plus spécifiquement, le travail démontre qu'il y a un déficit en eau souterraine dans la vallée de Toluca depuis environ 1962. Des scénarios de recharge (utilisant le modèle HELP3) et de pompage, incluant l'impact des changements climatiques, démontrent une diminution de la recharge et une augmentation du pompage dans les 50 prochaines années. Le déficit continuera à augmenter jusqu'à une moyenne de 292 Mm³/année (million de mètres cubes par année) ou un maximum de 456 Mm³/année en 2050. D'après les simulations, depuis 1950 l'affaissement maximal a atteint près de 2 m. Les taux de compaction sont variables dans le temps et dans l'espace et dépendent du taux de pompage et des caractéristiques géo-mécaniques des sols. Le taux d'affaissement maximum dans la vallée est environ 15 cm/an. Les prévisions moyennes estiment que l'affaissement maximal dans la vallée sera d'environ 1,2 m dans les prochaines 40 années. La subsidence totale maximale en 2050 atteint 2,2 m pour le pire des scénarios, 1,4 m pour le meilleur scénario, et 1,6 m pour la subsidence moyenne attendue. Diminuer les exportations du bassin de 50% et déplacer les centres de pompage à des endroits avec une faible épaisseur d'argile, engendre un effet positif sur le bilan global de l'eau et ralentit la subsidence. Cette étude a permis de contribuer à une meilleure compréhension du bilan en eau, de la structure géologique, et le processus d'affaissement du sol dans la vallée de Toluca. L'utilisation de cette approche multidisciplinaire pour quantifier les processus et les paramètres de compaction d'argile pourrait être appliquée à d'autres bassins ayant des problèmes semblables.

Resumen

En varias ciudades del mundo (por ejemplo, Venecia, Las Vegas, Shanghai, México), la Sobreexplotación de las aguas subterráneas provoca la compactación de las capas de arcilla y crea muchos problemas, inc1uyendo problemas de colapso, daño a la infraestructura, y fractura en los sedimentos de la superficie. El objetivo de esta tésis es presentar una metodoloíga multidisciplinaria, combinando los métodos utilizados en las disciplinas de la hidrogeologia y la teledetección, para tener la capacidad de cuantificar mejor y predecir la subsidencia regional en un acuífero heterogéneo con capas intercaladas de arcilla. El área de estudio se centra en el valle de Toluca, México, una zona con criterios favorables a la subsidencia: el bombeo excesivo de agua con un déficit de las aguas subterráneas, y la presencia de capas de arcilla compresible. A diferencia de las ciudades antes mencionadas, la cuenca del valle de Toluca tiene pocos estudios históricos sobre la subsidencia regional, haciendo la tarea más dificil. La metodologia incluye: (1) una revisión bibliográfica y una revisión de los reportes para obtener los datos disponibles del estudio de caso (2) trabajo de campo (construcción de pozos, extensómetros, caracterización de los arcillas) (3) una evaluación detallada del balance de agua utilizando un modelo digital con varios parámetros, (4) la generación de un modelo 3D geológico, (5) el uso de interferometria radar (InSAR) para obtener los datos de subsidencia regionales, (6) acoplamiento (compactación instantánea + flujo de aguas subterráneas), la verificación y la aplicación de un modelo numérico (7) la simulación de diferentes escenarios para predecir la subsidencia futura. El trabajo detallado sobre los modelos de la geología 3D y la recarga permiten una mayor confianza en las simulaciones. El uso de las técnicas de interferometría radar permite localizar y medir la subsidencia. Además, con los datos InSAR combinado con los datos de la balanza de agua, el modelo geológico, y los datos de compactación de los extensómetros, es posible estimar mejor las propiedades de almacenamiento especifico del esqueleto y calibrar mejor el modelo numérico. Concretamente, el trabajo demuestra que existe una escasez de aguas subterráneas en el valle de Toluca, desde alrededor de 1962. Escenarios de la recarga (utilizando el modelo de HELP3) y de bombeo, incluyendo el impacto del cambio climático, muestran una disminución en la recarga y el aumento de bombeo de agua en los próximos 50 años. Este déficit aumentará a un promedio de 292 Mm³/año (millones de metros cúbicos por año) o un máximo de 456 Mm²/año en 2050. Según las simulaciones, desde 1950 la subsidencia máxima ha alcanzado casi los 2 m. La tasa de compactamiento es variable en el tiempo y el espacio y dependen del ritmo de bombeo y las características géo-mecánicas de los suelos. El porcentaje máximo de hundimiento de la tierra en el valle son de unos 15 cm/año. Las previsiones estiman que el promedio máximo de subsidencia en el valle es de 1.2 m en los próximos 40 años. La subsidencia máxima total en 2050 alcanzó el 2.2 m en el peor de los casos, 1.4 m en el mejor de los casos, y 1.6 m para el caso promedio. Reducir las exportaciones de la cuenca de 50% y desplazar de los centros de bombeo en áreas con bajo contenido de arcilla, crea un efecto positivo en el balance global de agua y la subsidencia disminuye. Este estudio contribuirá a una mejor comprensión del balance hídrico, la estructura geológica y el proceso de subsidencia en el Valle de Toluca. El uso de este enfoque multidisciplinario para la cuantificación de los parámetros del proceso y la compactación de la arcilla podría aplicarse a otras cuencas con problemas similares.

Abstract

Excessive pumping of groundwater from compressible clay layers causes land subsidence. Many cities around the world (eg, Venice, Las Vegas, Shanghai, Mexico) experience subsidence in the form of collapsing ground, the formation of fractures in the surface sediments, and damages to infrastructure. The objective of this thesis is to present a multidisciplinary approach, combining the methods used in the fields of hydrogeology and remote sensing, to better quantify and predict regional land subsidence in a heterogeneous aquifer interbedded with layers of clay. The study area focuses on the Toluca Valley, Mexico where excessive pumping and compressible clay layers are found. Unlike the cities mentioned above, the basin has few historical studies or data on regional subsidence. The methodology includes: (1) a literature review and a review of reports with data of the case study (2) fie1dwork (installing wells, extensometers, and consolidation tests on clays) , (3) a detailed assessment of the water budget using a multi-parameter recharge numerical model (HELP3), (4) generating a 3D geological model, (5) the use of radar interferometry (InSAR) to obtain regional subsidence data, (6) coupling the numerical model (instantaneous compaction + groundwater flow), verification, and implementation of the mode l, and (7) simulating various scenarios to predict future subsidence. Detailed work on the recharge and 3D geology models lead to more confidence in the simulations. Moreover, the use of radar interferometry techniques assists in locating and measuring subsiding areas. Also, combining InSAR data, water budget data, the geological model, and extensometer data, it is possible to better estimate skeletal specific storage parameters and to better calibrate the numerical model. More specifically, the work shows that there has been a groundwater deficit in the Toluca Valley since about 1962. Recharge scenarios (using the HELP3 model) and pumping estimates, including climate change predictions, show a decrease in recharge and increased pumping in the next 50 years. The deficit will increase to an average of 292 Mm³/year (million cubic meters per year) or a maximum of 456 Mm³/year in 2050. According to the simulations, since 1950 the maximum subsidence has reached nearly 2 m. The compaction rate is variable in time and space and depends on pumping rates and geo-mechanical characteristics of soils. The maximum subsidence rate in the valley is about 15 cm/year. The average estimates show that the maximum subsidence in the valley will be approximately 1.2 m in the next 40 years. The total maximum subsidence in 2050 reached 2.2 m for the worst case, 1.4 m for the best scenario, and 1.6 m for the average expected scenario. Reducing exports by 50% and moving the pumping centers to areas with low clay content creates a positive effect on the overall balance of water and slow subsidence. This study contributes to a better understanding of the water balance, the geological structure, and the process of land subsidence in the Toluca Valley, Mexico. Using this multidisciplinary approach for quantifying clay compaction parameters and processes could be applied to other basins with similar problems.

Type de document: Thèse
Directeur de mémoire/thèse: Martel, Richard
Co-directeurs de mémoire/thèse: Rivera, Alfonso; Garfias, Jaime; Therrien, René
Mots-clés libres: pompage; subsidence; relevés de terrain; aquifère hétérogène; hydrogéologie; télédétection; modélisation numérique; affaissement; sol; argile; vallée Toluca; Mexique
Centre: Centre Eau Terre Environnement
Date de dépôt: 18 juin 2013 18:09
Dernière modification: 11 nov. 2015 20:19
URI: http://espace.inrs.ca/id/eprint/1421

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