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Distribution spatiale de la conductivité hydraulique dans le système aquifère de Valcartier et influence de l'hétérogénéité sur la modélisation de l'écoulement.

Ouellon, Thomas (2006). Distribution spatiale de la conductivité hydraulique dans le système aquifère de Valcartier et influence de l'hétérogénéité sur la modélisation de l'écoulement. Mémoire. Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Maîtrise en sciences de la terre, 121 p.

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Résumé

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Cette étude a deux objectifs principaux: la représentation spatiale de l'hétérogénéité d'un aquifère et l'intégration de cette connaissance dans un modèle numérique pour vérifier l'effet de l'hétérogénéité sur l'écoulement des eaux souterraines. L'aquifère de Valcartier a été caractérisé de façon détaillée depuis la découverte de trichloroéthène (TCE) dissous dans l'eau souterraine. Le jeu de données qui y est associé est donc considérable et ce site représente une bonne opportunité d'étudier l'hétérogénéité d'un aquifère. Les unités stratigraphiques observées sont, du roc à la surface, les diamictons (sédiments proglaciaires sur till), les sédiments glaciomarins et le complexe deltaïque (sables et graviers deltaïques et unité silteuse prodeltaïque). Le complexe deltaïque est le plus densément caractérisé, représente l'aquifère principal du secteur et est 1 'hôte de la presque totalité de la contamination en TCE. Il est donc l'objet de l'étude d'hétérogénéité. Selon Kolterman et Gorelick (1996), trois grandes catégories de techniques permettent de décrire l'hétérogénéité des dépôts sédimentaires: les techniques descriptives, d'imitation de la structure et d'imitation de processus. Les approches descriptives et d'imitation de la structure (par les géostatistiques) ont été utilisées afin de décrire la structure d'hétérogénéité de l'aquifère de Valcartier. Puisque de très nombreuses descriptions stratigraphiques sont disponibles au site, elles ont été utilisées pour produire des distributions 3D d'hydrofaciès qui permettent de mieux comprendre l'hétérogénéité sédimentaire de l'aquifère et de complémenter les mesures de conductivité hydraulique (K) conventionnelles provenant d'essais de perméabilité. L'approche d'imitation de la structure par les statistiques non gaussiennes permet d'intégrer des données qualitatives «catégoriques». Les différents faciès identifiés dans les forages sont des exemples de variables en catégories. D'abord, l'exploration de diverses données sur les lithologies (granulométries, essais de perméabilité et CPT) a permis d'identifier 4 hydrofaciès. Les descriptions de forage ont alors été converties en données ponctuelles de proportions d'hydrofaciès qui ont par la suite été interpolées. Les krigeages imbriqués, une technique de type indicatrice, ont été utilisés pour l'interpolation. Les hydrofaciès sont interpolés à tour de rôle, chaque krigeage tenant compte du précédent afin d'obtenir un résultat cohérent, qui implique que la somme des proportions d'hydrofaciès pour chaque point de l'espace soit égale à un. Les quatre distributions 3D d'hydrofaciès obtenues sont cohérentes avec les travaux antérieurs au site de même qu'avec le modèle conceptuel de sédimentation du complexe deltaïque dans la mer post-glaciaire de Champlain. Par la suite, les distributions d'hydrofaciès ont été converties en distributions 3D de K horizontale (KH) et verticale (Kv) en se basant sur des distributions de K par hydrofaciès spécifique. L'hétérogénéité du complexe deltaïque est donc représentée par la distribution 3D des hydrofaciès et de K. Le deuxième objectif de ce projet est d'évaluer l'influence d'utiliser des distributions spatiales de K présentant divers niveaux d'hétérogénéité sur les simulations de l'écoulement des eaux souterraines. En plus de la distribution de K décrite plus haut, deux autres distributions présentant des niveaux inférieurs d'hétérogénéité ont été testées. Toutes les distributions de K ont été intégrées à un même maillage numérique d'écoulement en éléments finis construit sur la base d'un modèle géologique 3D de la distribution des unités dans l'aquifère de Valcartier. Les distributions de K intégrées au maillage du modèle numérique d'écoulement sont appelées les «modèles de K». Le plus simple des modèles de K est entièrement basé sur les techniques descriptives et une seule combinaison de KH et Kv est utilisée par unité stratigraphique d'un modèle géologique 3D. Il s'agit du modèle de K homogène. Le second modèle de K utilise l'approche d'imitation de la structure par les statistiques gaussiennes. Le krigeage 2D direct des mesures de K y est utilisé pour représenter l'hétérogénéité. Il s'agit du modèle de K par zonage qui est couramment utilisé pour la modélisation numérique de l'écoulement. Le troisième modèle, décrit au paragraphe précédent, est le modèle de K hétérogène. Les résultats des simulations d'écoulement des trois modèles de K sont comparés selon le calage, les patrons d'écoulement et les aires d'alimentation de puits de captage. Les 3 modèles de K ont été capables de reproduire la structure globale relativement complexe de l'écoulement dans le système aquifère de Valcartier de même que de respecter la position et la forme du panache de TCE. En regardant plus en détail les résultats des simulations d'écoulement, on note toutefois des différences concernant le cheminement de l'eau souterraine d'un modèle à l'autre. Les courbes de contour de charge hydraulique sont beaucoup plus droits et lisses pour le modèle de K homogène que pour les modèles de K par zonage et hétérogène. Aussi, les aires de captage ont été modélisées pour deux puits de pompage de la Garnison Valcartier. Les formes différentes des aires de captage simulées pour les trois modèles indiquent des différences locales dans les directions d'écoulement des eaux souterraines. De plus, le fait que l'étendue de l'aire de captage augmente avec la complexité du champ de K utilisé suggère que l'hétérogénéité à l'échelle macroscopique tend à introduire une dispersivité «apparente» dans les résultats des simulations d'écoulement de l'eau souterraine. Suivant ce raisonnement, les modèles de type homogène devraient utiliser une plus grande dispersivité au moment de solutionner les équations de transport de masse afin de reproduire l'effet de l'hétérogénéité sur l'écoulement de l'eau souterraine. La dispersivité peut ainsi être considérée comme un facteur permettant de gérer l'incertitude par rapport à connaissance de l'hétérogénéité d'échelle macroscopique de l'aquifère.

Abstract

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This project has two main objectives: the spatial representation of the heterogeneity of an aquifer and the integration of this knowledge in a numerical model to assess the effect of heterogeneity on groundwater flow. The Valcartier aquifer has been extensively characterized since dissolved TCE was discovered in its groundwater. The dataset associated with the aquifer is extensive and the site offers a good opportunity to study heterogeneity. The observed stratigraphic units are, from bedrock to surface: diamictons (proglacial sediments overlying till), glaciomarine sediments and the deltaic complex (deltaic sands and gravels 10ca11y vertica11y split in two by a prodeltaic silty unit). The deltaic complex has a greater data density than the other units, is the main aquifer of the sector and is the host of almost a11 the dissolved TCE contamination. This heterogeneity study thus focuses on this part ofthe aquifer system. According to Kolterman and Gorelick (1996), three main families of techniques are used to describe the heterogeneity of sedimentary deposits: descriptive, structure-imitation and process-imitation. Descriptive and structure-imitation (using geostatistics) methods were used to de scribe the heterogeneity structure of the Valcartier aquifer. Since numerous stratigraphic descriptions are available, they were used to create 3D distributions of hydrofacies that a110w a better understanding of the heterogeneity of the aquifer and to supplement conventional hydraulic conductivity (K) measurements by slug tests. The structure-imitation approach a110ws the integration of qualitative "categorical" data through non-Gaussian geostatistics. The different geologic facies observed in borehole logs are categorical data. First, four hydrofacies were defined on the basis of the various lithologic data (grain size analyses, slug tests and CPT). The lithologic descriptions were then converted to point hydrofacies proportions and their 3D distributions were interpolated. Imbricated krigings, an indicator-type technique, were used to interpolate lithologic information. The four hydrofacies proportions are interpolated successively, each kriging taking into account the previous one in order to obtain consistent results, which implies that the sum of hydrofacies proportions for each point in space is equal to one. These four 3D hydrofacies distributions are consistent with previous studies of the Valcartier aquifer and with a conceptual model elaborated for the deposition of the deltaic complex in post-glacial Champlain Sea. Finally, the 3D hydrofacies distributions were converted to horizontal (KH) and vertical (Kv) hydraulic conductivity using site specific K distributions for each hydrofacies. The heterogeneity of the deltaic complex is thus represented by 3D distributions of hydrofacies and K. The second objective of this project is to evaluate the influence of using K distributions with different levels of heterogeneity on groundwater flow simulations. In addition to the K model previously described, two other lower heterogeneity models were tested. All use the same grid, based on a 3D geological model of the distribution of units in the Va1cartier aquifer. K distributions integrated to the grid of the numerical groundwater flow model are referred to as "K models". The first mode1 is purely descriptive and a single combination of KH and Kv was used for each of the stratigraphic units. This is the homogeneous mode!. The second model uses the structure-imitation approach by directly kriging K measurements in 2D to generate the heterogeneity field. This is the zoned model that is commonly used in numerical groundwater flow mode1s. The third mode1, described in the previous paragraph, is the heterogeneous mode!. Simulation results of the three models were compared on the basis of calibration, flow patterns and the capture zones of two Va1cartier Garrison extraction wells. The three models were able to globally reproduce the complex structure of the Va1cartier aquifer flow system. When looking at the three mode1s in details, groundwater flow patterns are different, however. Contours of hydraulic head for the homogeneous model are straighter and smoother than those of the zoned and heterogeneous mode1s. Moreover, the capture zones of two extraction wells were modelled. The shapes of the capture zones were different in all the models, indicating locally different groundwater flow directions. Also, since modelled capture zones areas increase with the complexity of the K field, it suggests that heterogeneity found at the macroscopic scale tends to introduce an "apparent" dispersivity in groundwater flow results. Therefore, re1atively homogeneous models should use a greater dispersivity value while solving mass transport equations to correctly reproduce the effect of heterogeneity on groundwater flow. Dispersivity can thus be considered as a factor representing the uncertainty III the knowledge of the aquifer heterogeneity at the macroscopic scale.

Type de document: Mémoire
Directeur de mémoire/thèse: Lefebvre, René
Co-directeurs de mémoire/thèse: Marcotte, Denis; Parent, Michel; Therrien, René
Informations complémentaires: Résumé avec symboles
Mots-clés libres: aquifère; hétérogénéité; modèle numérique; eau souterraine; distribution spatiale; conductivité; écoulement; hydraulique; Valcartier
Centre: Centre Eau Terre Environnement
Date de dépôt: 11 févr. 2014 16:20
Dernière modification: 16 mars 2016 20:04
URI: http://espace.inrs.ca/id/eprint/1880

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