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Assimilation de mesures électriques et hydrauliques pour la caractérisation des propriétés hydrauliques des aquifères complexes.

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Gernez, Simon (2019). Assimilation de mesures électriques et hydrauliques pour la caractérisation des propriétés hydrauliques des aquifères complexes. Thèse. Québec, Doctorat en sciences de la terre, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, 130 p.

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Résumé

La conductivité hydraulique a une forte influence sur l’écoulement des eaux souterraines et le transport des solutés dans les aquifères. En raison de la complexité de certains environnements géologiques, cette propriété a une distribution généralement hétérogène et présente une anisotropie à différentes échelles. Bien que la connaissance de l’anisotropie de la conductivité hydraulique soit essentielle pour l’évaluation des ressources en eau et la remédiation des sites contaminés, ce paramètre est souvent négligé car son estimation est complexe. Certaines méthodes hydrauliques basées sur des essais en puits ont récemment été développées pour estimer l’anisotropie de la conductivité hydraulique. La mise en œuvre de ces méthodes est cependant laborieuse, ce qui limite la caractérisation sur de grands territoires. Pour atténuer cette limitation, l’objectif principal de cette thèse est de combiner des essais hydrauliques de l’anisotropie de la conductivité hydraulique à des levés de résistivité électrique. L’intérêt des levés électriques est que ceux-ci ont une sensibilité à l’anisotropie similaire aux essais hydrauliques tout en permettant une plus grande couverture spatiale. Le parachèvement de cet objectif a été réalisé en trois temps. Dans un premier temps, les détails de l’algorithme d’inversion électrique anisotrope développé sont présentés ainsi que son application à travers une étude synthétique d’un milieu fortement anisotrope. Pour ce faire, des levés de résistivité électrique de surface et en puits ont été acquis et inversés selon une procédure spécifique favorisant la reconnaissance de l’anisotropie des matériaux géologiques. L’anisotropie électrique ainsi obtenue se compare favorablement à l’anisotropie de conductivité hydraulique estimée par essais hydrauliques. Ces résultats suggèrent que la circulation du courant électrique dans les matériaux géologiques exempts de particules argileuses se fait de manière similaire à l’écoulement de l’eau, et permet ainsi de substituer l’anisotropie hydraulique à l’anisotropie électrique. Cette étude montre que la tomographie électrique a la capacité de reproduire l’état électrique du sous-sol de manière réaliste avec une erreur faible, même lorsque celui-ci présente une forte anisotropie. Elle a également permis de procéder à une analyse de sensibilité révélant les dispositions d’électrodes aptes à résoudre le problème inverse en milieu anisotrope. Par la suite, les résultats de l’étude synthétique sont appliqués à un aquifère granulaire présentant une forte anisotropie de conductivité hydraulique au site d’étude de Saint-Lambert-de-Lauzon près de Québec. Finalement, en se basant sur la similarité entre les différentes anisotropies, une approche d’assimilation des données hydrauliques et électriques est proposée. Cette approche combinant la simulation stochastique bayésienne et l’optimisation par la méthode de déformation graduelle permet de produire un modèle unique de conductivité hydraulique anisotrope. La vérification avec des essais hydrauliques indépendants du processus d’assimilation indique que l’approche permet de reproduire avec succès le comportement fortement anisotrope de l’écoulement souterrain. Cette thèse montre ainsi que l’hydrogéophysique permet la caractérisation de la conductivité hydraulique des aquifères, en nécessitant une quantité réduite de données hydrauliques du fait de l’apport de la géophysique, ouvrant ainsi la voie vers de nouveaux développements tels que la caractérisation 3D haute résolution à plus grande échelle.

Abstract

Hydraulic conductivity has a strong influence on groundwater flow and solute transport in aquifers. Due to the complexity of some geological environments, this property has a generally heterogeneous distribution and exhibits anisotropy at different scales. Although knowledge of the anisotropy of hydraulic conductivity is essential for the assessment of water resources and the remediation of contaminated sites, this parameter is often neglected because its estimation is complex. Some hydraulic methods based on well tests have recently been developed to estimate the anisotropy of hydraulic conductivity. However, the implementation of these methods is laborious, which limits the characterization over large areas. To mitigate this limitation, the main objective of this thesis is therefore to combine hydraulic tests of hydraulic conductivity anisotropy with electrical resistivity surveys. The interest of electrical surveys is that they have a sensitivity to anisotropy similar to hydraulic tests while allowing a greater spatial coverage. The completion of this objective was achieved in three stages. First, details of the anisotropic electrical inversion algorithm developed are presented as well as its application through a synthetic study of a highly anisotropic medium. For this purpose, surface and borehole electrical resistivity surveys were acquired and inverted according to a specific procedure that promotes the recognition of the anisotropy of geological materials. The electrical anisotropy thus obtained compares favourably with the anisotropy of hydraulic conductivity estimated by hydraulic tests. These results suggest that the flow of electric current in geological materials free of clay particles is similar to the flow of water, thus allowing the substitution of hydraulic anisotropy for electric anisotropy. This study shows that electrical tomography has the ability to realistically reproduce the electrical state of the subsurface with low error, even when the subsurface presents high anisotropy. It also allowed a sensitivity analysis to be carried out, revealing electrode arrangements able to solve the inverse problem in an anisotropic environment. Subsequently, the results of the synthetic study are applied to a granular aquifer with high hydraulic conductivity anisotropy at the Saint-Lambert-de-Lauzon study site near Quebec City. Finally, based on the similarity between the different anisotropies, a hydraulic and electrical data assimilation approach is proposed. This approach, combining Bayesian stochastic simulation and optimization using the gradual deformation method, produces a unique anisotropic hydraulic conductivity model. Verification with hydraulic tests independent of the assimilation process indicates that the approach successfully reproduces the highly anisotropic behaviour of groundwater flow. This thesis shows that hydrogeophysics allows the characterization of hydraulic conductivity in aquifers, requiring a reduced amount of hydraulic data due to the contribution of geophysics, thus opening the way to new developments such as high-resolution 3D characterization at larger scale.

Type de document: Thèse Thèse
Directeur de mémoire/thèse: Gloaguen, Erwan
Co-directeurs de mémoire/thèse: Bouchedda, Abderrezak; Paradis, Daniel; Giroux, Bernard
Mots-clés libres: anisotropie; hydrogéophysique; tomographie de résistivité électrique; assimilation de données; anisotropy; hydrogeophysics; electrical resistivity tomography; data assimilation
Centre: Centre Eau Terre Environnement
Date de dépôt: 22 oct. 2020 17:15
Dernière modification: 22 oct. 2020 17:15
URI: http://espace.inrs.ca/id/eprint/10423

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