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Utilisation de profils verticaux de charges hydrauliques pour contraindre la représentation géostatistique de l'hétérogénéité dans un aquifère granulaire.

Brunet, Patrick (2014). Utilisation de profils verticaux de charges hydrauliques pour contraindre la représentation géostatistique de l'hétérogénéité dans un aquifère granulaire. Mémoire. Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Maîtrise en sciences de la terre, 1136 p.

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Résumé

La construction de modèles numériques représentatifs de l'écoulement et du transport de masse est nécessaire afin d'adopter des mesures de mitigation efficaces sur les sites contaminés. La modélisation adéquate d'un site dépend toutefois de notre capacité à représenter l'hétérogénéité de l'aquifère à l'échelle appropriée en fonction du problème étudié. Afin d'évaluer la capacité des modèles numériques à reproduire la dynamique aquifère réelle, contrôlée en partie par 1 'hétérogénéité des propriétés hydrauliques, il est essentiel de disposer de données de terrain appropriées (e.g. charges, concentrations ou flux) qui reflètent des conditions hydrogéologiques représentatives. Bien que les données de niveaux d'eau puissent être peu sensibles à la distribution des hydrofaciès (HF; matériaux avec des propriétés hydrauliques distinctes) et leurs conductivités hydrauliques (K) respectives, les profils verticaux détaillés de charges hydrauliques peuvent être sensibles à la distribution et la continuité des HF. Ces travaux ont donc pour objectif d'évaluer si de tels profils pourraient ainsi être utilisés afin de contraindre des représentations déterministes ou stochastiques de l'hétérogénéité utilisées dans des modèles numériques. Une analyse de sensibilité préliminaire des profils de charge hydraulique en fonction de certaines conditions et paramètres hydrauliques a été réalisée à partir de simulations synthétiques d'un modèle simplifié en coupe et en régime permanent. Celles-ci ont permis d'identifier certaines conditions nécessaires à l'utilisation des profils de charge permettant de contraindre les champs de K, soient 1) un contraste de K entre les HF de près de 1.5 ordres de grandeur; 2) un facteur d'anisotropie de près de 1.5 ordres de grandeur; et 3) des gradients hydrauliques suffisants (≥ 0.005). Afin de vérifier le potentiel d'utilisation des profils verticaux de charge hydraulique pour contraindre des représentations de 1 'hétérogénéité des aquifères à l'échelle du sous-bassin versant, une approche de simulations synthétiques a été utilisée, cette fois basée sur des modèles de référence réalistes produits à partir de données d'un site à Saint-Lambert-de-Lauzon (Québec). Ce site, qui a fait l'objet d'une campagne intensive de caractérisation, correspond à un aquifère hétérogène et anisotrope. Des données de sondages au piézocône (CPT), de teneur en eau et de résistivité (SMR), ainsi que des données de radar géologique et de résistivité de surface ont été recueillies sur ce site. Ces données ont été compilées et intégrées afin de générer deux modèles numériques d'écoulement de référence sur une coupe 2D le long d'une ligne d'écoulement. Ces modèles de référence présentent des niveaux de continuité du champ de K distincts afin de vérifier l'impact de cette continuité sur les profils de charge. Les données de K de six puits synthétiques (considérées comme les mesures de puits mesurées) ont été extraites de ces modèles afin de générer 100 réalisations de champs de K par statistiques multi-points. Ensuite, des profils verticaux de charge hydraulique en régime permanent ont été extraits des modèles numériques d'écoulement de référence (charges observées), mais aussi sur les réalisations géostatistiques (charges simulées). Afin d'évaluer la capacité de reproduire la distribution d'HF des modèles de référence à partir des profils de charges extraits, trois approches ont été utilisées sur la base des écarts entre les charge observées et simulées, soient: 1) la sélection des meilleures réalisations géostatistiques multipoints; 2) la méthode de déformation graduelle globale (MDG); et 3) une méthode heuristique basée sur celle des points-pilotes. Bien que les conditions d'application des profils de charge soient assez restrictives, les résultats des simulations illustrent le potentiel de ce type de données pour contraindre la représentation géostatistique de l'hétérogénéité des aquifères, tant pour le cas de référence continu que discontinu. Par contre, cette capacité pourrait être relativement locale suivant la magnitude des gradients du système d'écoulement et l'orientation de l'écoulement par rapport aux couches. Ainsi, bien que de tels profils puissent aider à préciser la distribution de K là où la variance des réalisations géostatistiques est jugée trop importante, la sensibilité hydraulique des profils de charges aux variations de K devrait être évaluée au préalable. L'applicabilité de l'approche de calibration de modèles numériques par des profils de charge se limite aux aquifères granulaires de surface présentant une certaine continuité dans la distribution des HF relativement à l'échelle du problème. La mise en place de puits par enfoncement (direct-push) crépinés sur toute l'épaisseur de l'aquifère facilite l'acquisition de tels profils de charge, tout en réduisant significativement les coûts par rapport aux systèmes d'installation multi-niveaux disponibles.

Abstract

Representative numerical models of flow and contaminant transport are needed to implement adequate and effective remediation actions at contaminated sites. The development of such models depends however on our capability to represent aquifer heterogeneities at the proper scale for the problem considered. To evaluate the ability of numerical models to reproduce the actual aquifer dynamics, which is in part controlled by aquifer heterogeneities, it is essential to have appropriate monitoring data (e.g., heads, concentrations, flux) that reflect representative hydrogeological conditions. Though water level data may be weakly sensitive to hydrofacies (HF; materials with distinct hydraulic properties) distribution and their respective hydraulic conductivities (K), detailed vertical profiles of hydraulic head may be sensitive to distribution and continuity of HF. Thus, the objective of this project is to assess if such profiles could be used to constrain determinist or stochastic representations of heterogeneity integrated in numerical models. A preliminary sensitivity analysis of hydraulic head profiles to certain conditions and hydraulic parameters was carried out using synthetic steady-state flow simulations on a simplified 2D section model. Results show that certain conditions are necessary for effective use of head profile data, namely: 1) K contrasts between HFs near 1.5 orders of magnitude or more; 2) an anisotropy factor of approximately 1.5 orders of magnitude or more; and 3) sufficient hydraulic gradients (≥0.005). To assess the potential of vertical hydraulic head profiles to constrain representations of aquifer heterogeneity at a sub-watershed scale, an approach of synthetic simulations based upon realistic reference models was used. The latter were generated with field data from a highly heterogeneous and anisotropic aquifer system of a study site located in Saint-Lambert-de- Lauzon, Quebec. As part of a characterization program of this littoral aquifer system, cone penetration tests (CPT), soil moisture-resistivity (SMR) measurements, ground penetrating radar and surface electrical tomography profiles were acquired throughout the site. To investigate the impact of HF distribution and continuity on vertical head profiles, some of these data were used in order to generate two reference numerical flow models with different levels of continuity on a 2D vertical section along a groundwater flow line. K data were extracted from six synthetic wells in these models in order to generate 100 realizations of K fields with multiple point geostatistics. The conceptual reference models and geostatistical realizations were integrated in numerical flow models. Following steady-state flow simulations, vertical hydraulic head profiles were then extracted from the reference numerical flow models (observed heads) and from the geostatistical realizations (simulated heads). In order to assess the capacity to reproduce the heterogeneous HF distribution of reference models from extracted head profiles, three approaches were applied based upon observed and simulated head discrepancies, namely: 1) selection of best realizations from multipoint geostatistics; 2) global graduaI deformation method (GDM); and 3) a heuristic approach based upon pilot-points method. Despite the restrictive conditions required for the effective use of vertical head profiles, simulation results illustrate the potential of this type of data to constrain geostatistical representations of aquifer heterogeneity, both for the continuous and discontinuous reference models. However, this diagnostic capacity may be relatively local following the magnitude of flow system gradients and flow directions relative to HF layering. Thus, although such profiles may help define K distribution where variance in geostatistical realizations is considered excessive, hydraulic sensitivity of head profiles to K variations should be assessed beforehand. Applicability of numerical model calibration with head profile data is essentially limited to shallow granular aquifers with a certain continuity of HF distribution relative to the problem scale. Acquisition of vertical head profile data is facilitated by installation of fully screened direst-push wells, which significantly reduce costs compared to common multi-level well systems.

Type de document: Mémoire
Directeur de mémoire/thèse: Lefebvre, René
Co-directeurs de mémoire/thèse: Gloaguen, Erwan
Mots-clés libres: hydrofaciès; modélisation; charges hydrauliques; profils verticaux; champs de K; aquifère granulaire
Centre: Centre Eau Terre Environnement
Date de dépôt: 29 sept. 2014 21:09
Dernière modification: 11 nov. 2015 19:48
URI: http://espace.inrs.ca/id/eprint/2411

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