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Contributions au développement de la caractérisation de l'hétérogénéité hydraulique des aquifères.

Paradis, Daniel (2014). Contributions au développement de la caractérisation de l'hétérogénéité hydraulique des aquifères. Thèse. Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Doctorat en sciences de la terre, 372 p.

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Résumé

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Cette thèse comprend cinq articles originaux et un article synthèse traitant de la caractérisation hydraulique de l'hétérogénéité des aquifères granulaires. Cette thèse reconnait l'importance des données de caractérisation pour le développement d'une bonne compréhension des processus d'écoulement et de transport dans les aquifères. De nouveaux tests hydrauliques in situ pour caractériser en détails les propriétés hydrauliques des aquifères et leur corrélation non paramétrique avec des propriétés géophysiques indirectes sont utilisés pour définir l'hétérogénéité hydraulique à petite échelle. Le but de cette thèse est d'explorer le contenu en information de ces nouvelles méthodes et d'évaluer leur potentiel pour des applications sur le terrain dans des conditions aquifères hétérogènes et anisotropes. Les tests hydrauliques in situ réalisés pour la région' d'étude sont des adaptations du débitmètre de puits et des essais de perméabilité à choc hydraulique couramment utilisés. Les tests avec débitmètre ont été adaptés pour les aquifères granulaires par l'aménagement de puits par enfoncement dotés de longues crépines en contact direct avec les sédiments, ce qui permet l'acquisition de profils verticaux de la conductivité hydraulique horizontale (Kh), Ce type de puits, sans sable filtrant, réduit les erreurs de mesures dues à la dissipation hydraulique et aux court-circuits hydrauliques associés à la présence du sable filtrant utilisé pour les puits conventionnels, ce qui .est tout indiqué pour la réalisation de tests hydrauliques sur de petits intervalles verticaux dans les aquifères granulaires. Des tests d'interférence verticale à choc hydraulique utilisant un seul puits et la tomographie à choc hydraulique entre puits sont aussi proposés pour définir l'hétérogénéité de Kh, l'anisotropie de K (K,/Kh) et l'emmagasinement spécifique (Ss) par l'analyse simultanée des perturbations hydrauliques transitoires générés par plusieurs tests à choc hydraulique effectués sur de petits intervalles. De plus, une approche non paramétrique par machine d'apprentissage de type RVM (Relevance Vector Machine) est proposée pour prédire Kh à partir de sondages au piézocône (CPT) couplés avec une sonde de teneur en eau et de résistivité électrique (SMR). La machine d'apprentissage est construite à partir de données d'entrainement colocalisées de Kh et de CPT/SMT mises à une échelle verticale commune de 15 cm. Pour acquérir un ensemble de données d'entrainement représentatif de l'aquifère littorale étudié, une approche d'acquisition des données est développée et appliquée avec des méthodes de caractérisation générales précédant les méthodes plus spécifiques. Ceci minimise le nombre de sites d'investigation tout en maximisant la signification des données directes et indirectes acquises. Diverses expérimentations in situ montrent que les estimations des propriétés hydrauliques obtenues avec les nouvelles méthodes sont cohérentes par rapport aux tests in situ et de laboratoire conventionnels. En particulier, le débitmètre et l'approche hydro-géophysique sont très efficaces pour estimer Kh, tandis que les tests d'interférence verticale et la tomographie à choc hydraulique donnent aussi des estimations fiables de Kh, mais en plus permettent d'évaluer K,JKh et Ssqui sont des paramètres difficiles à estimer autrement. Par ailleurs, la conversion de plus de 500 m de données CPT/SMR en estimations de propriétés hydrauliques et leur interpolation sur la région d'étude couvrant 12 km2 révèlent les caractéristiques fondamentales de l'environnement de sédimentation littoral avec l'inter-digitation et les variations spatiales graduelles des propriétés hydrauliques. La contribution majeure de cette thèse est le renforcement des capacités de l'hydrogéologue à représenter de façon détaillée l'hétérogénéité des propriétés hydrauliques à des échelles pertinentes pour l'étude de l'écoulement et du transport dans les aquifères.

Abstract

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This thesis comprises five original papers and one synthesis paper dealing with hydraulic characterization of unconsolidated aquifer heterogeneity. This thesis recognizes the importance of characterization data to develop a sound understanding of processes associated with flow and transport in granular aquifers. Newly developed in-situ hydraulic tests designed to characterize aquifer hydraulic properties in details and their non-parametric correlation with indirect geophysical properties are then used to define aquifer hydraulic heterogeneities at fine scale. The aim of the thesis is to explore the information content of the new methods, and to assess their potential for field application under real heterogeneous and anisotropic aquifer conditions. The in-situ hydraulic tests carried out in this study are adaptations of flowmeter tests and commonly used slug tests. Flowmeter testing provides vertical profiles of horizontal hydraulic conductivity (Kh) following their adaptation for granular aquifers using direct-push wells with long screened sections in direct contact with sediments. Those wells reduce measurement bias associated with skin effects and hydraulic short-circuits of conventional wells using sand packs, and are thus tailored for hydraulic testing over small vertical intervals in unconsolidated aquifers. Vertical interference slug tests in a single direct-push well and tomographic slug tests between direct-push wells are also proposed to resolve heterogeneity in Kh, K anisotropy (or K/Kh) and specific storage (Ss) by the simultaneous analysis of the transient hydraulic perturbations generated by multiple slug tests performed over small intervals. Moreover, a non-parametric leaming machine approach is proposed to predict Kh from cone penetrometer tests (CPT) coupled with a soil moisture and resistivity probe (SMR) using relevance vector machines (RVMs). The learming machine is built from a colocated training data set of Kh and CPT/SMR up-scaled measurements at a common vertical resolution of 15 cm. To acquire a representative training data set of the littoral aquifer found in the study area, a top down data acquisition process is developed and applied using general measurements prior to specific ones to minimize the number of investigated sites while maximizing the quality, extent and significance of the collected direct and indirect data. Field proof-of-concept studies show that estimations of hydraulic properties from the new methods are consistent with conventional field and laboratory tests. In particular, flowmeter tests and a hydro-geophysical approach can provide Kh estimates in a timely fashion, whereas vertical interference tests and tomographic slug tests can also provide Kh data, but also K anisotropy and Ss estimates that are difficult to obtain otherwise. Moreover, the conversion of more than 500 m of CPT/SMR data into hydraulic properties values and their interpolation over the 12 km2 study area are consistent with the littoral depositional environment showing inter-digitation and spatial trends in hydraulic properties. The major contribution of this thesis is to enhance the capability of hydrogeologists to image heterogeneity in hydraulic properties in details at a scale relevant for flow and transport studies in aquifers.

Type de document: Thèse
Directeur de mémoire/thèse: Lefebvre, René
Co-directeurs de mémoire/thèse: Gloaguen, Erwan; Rivera, Alfonso
Informations complémentaires: Résumé avec symboles
Mots-clés libres: aquifère; eaux souterraines; débitmètre; conductivité hydraulique anisotropie; hétérogénéité; tomographie hydraulique; hydrogéophysique
Centre: Centre Eau Terre Environnement
Date de dépôt: 29 mai 2014 20:34
Dernière modification: 17 mars 2016 18:12
URI: http://espace.inrs.ca/id/eprint/2307

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