Modélisation de l'hétérogénéité de l'aquifère deltaïque de Valcartier et son impact sur la dispersivité et l'âge de l'eau souterraine.

Millet, Emmanuelle (2013). Modélisation de l'hétérogénéité de l'aquifère deltaïque de Valcartier et son impact sur la dispersivité et l'âge de l'eau souterraine. Mémoire. Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Maîtrise en sciences de la terre, 106 p.

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Résumé

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L'objectif principal de ce travail était d'étudier l'impact de l'hétérogénéité de la conductivité hydraulique (K) sur la dispersion dans le cas d'un aquifère pro-deltaïque ayant déjà été intensivement caractérisé. En particulier, on se propose ici d'utiliser un estimateur in situ de l'âge de l'eau souterraine comme indicateur de la dispersion. Le présent mémoire est composé de deux chapitres complémentaires. Le premier chapitre présente les principes de la modélisation numérique de l'âge de l'eau souterraine par l'entremise de simulations numériques. Notamment, les effets des différentes conditions qui peuvent être présentes dans des aquifères ont été analysés en fonction des résultats de la modélisation numérique. Le transport d'âge étant influencé par deux grands processus: l'écoulement (advection) et le mélange (dispersion). Les deux ont été testés lors de simulation d'âge (par advection et par advection-dispersion) pour différents modèles d'aquifères 2D verticaux, homogènes ou hétérogènes. Les résultats ont permis de mettre en évidence un effet de la dispersion qui lisse les âges obtenus en réduisant les maximums; les âges obtenus par advection étant supérieurs à ceux obtenus par advection-dispersion. La modélisation d'âges advectifs-dispersifs, sur plusieurs aquifères synthétiques, a également permis de simuler l'effet de la structure de l'aquifère sur les âges, avec la présence d'hétérogénéité pouvant induire localement un rajeunissement ou un vieillessement des eaux. La deuxième partie de ce mémoire, sous forme d'article, est une étude sur l'impact de trois niveaux d'hétérogénéité sur la dispersion et la simulation d'âge au sein de l'aquifère deltaïque de Valcartier. Il est reconnu que l'hétérogénéité spatiale de la conductivité hydraulique (K) joue un rôle majeur sur les écoulements et le transport de masse. Cette étude propose de quantifier ces effets sur l'aquifère deltaic de Valcartier qui s'étend sur 15 km². En raison d'une contamination dissoute de tricloroéthène (TCE), le site a été largement caractérisé et inclus de l'information hydrostratigraphique issus de descriptions de forage (7000 m à 430 localisations). Cette caractérisation inclus également des mesures d'âges isotopiques obtenues avec la méthode tritium-hélium. Les âges observés et simulés ainsi que l'étendu du panache de TCE ont été utilisés, au sein d'un modèle numérique d'écoulement, comme indicateurs des effets dispersifs de différents niveaux d'hétérogénéité. La première partie de cette étude présente la définition des champs de K avec trois niveaux d'hétérogénéité. Un champ de K homogène utilise les valeurs horizontale (Kh) et verticale (Kv) de K qui fournissent le meilleur calage des charges avec le modèle numérique. Le deuxième niveau d'hétérogénéité est issu des travaux de Ouellon et al. (2008) qui ont krigé les proportions de quatre hydrofaciès (HF) en se basant sur les descriptions de forage et en dérivant les valeurs de Kh et Kv de formules de moyenne généralisée dans un milieu stratifié. Le troisième niveau d'hétérogénéité de K a été obtenu grâce à l'utilisation conjointe de deux méthodes stochastiques. Premièrement, la méthode de simulation multipoints a permis de définir la distribution spatiale des HFs tout en reproduisant les HFs identifiés sur les descriptions de forage mais aussi en se basant sur l'utilisation d'une image d'entraînnement, permettant d'intégrer une information sur la distribution spatiale des textures des HFs. Deuxièmement, par le biais des simulations séquentielles Gaussiennes, la distribution spatiale de l'hétérogénéité de K a été générée au sein de chaque HF pour chaque réalisation d'HF. Cette méthodologie a aboutit à la création de 60 réalisations de K reproduisant ainsi deux niveaux d'hétérogénéité géologique. Dans la seconde partie de cette étude, l'âge advectif obtenu par traçage de particule a été comparé pour les trois niveaux d'hétérogénéité. Le transport de masse (TCE) et d'âge a également été comparé pour les deux modèles déterministes. Les résultats ont montré que les modèles hétérogènes possédaient des effets dispersifs, même avec un traçage de particule contrôlé par l'advection, induisant une bonne correspondance avec les âges mesurés. De faibles valeurs de dispersivité ont toutefois dues être utilisées pour le transport de masse de TCE et d'âge pour égaler les mesures et les résultats du traçage de particule. Les modèles hétérogènes ont donc montré une intégration des effets dipersifs causés par l'hétérogénéité du champ de K, permettant ainsi de limiter les effets d'échelle de dispersivité dont souffre les modèles numériques homogènes. Le potentiel de l'âge a également été montré en tant qu'indicateur de la dispersivité transversale, mais ne fournit pas de contrainte sur la dispersivité longitudinale. Globalement, le modèle de K krigé restitue de manière plus adéquate les âges mesurés ainsi que la forme du panache, montrant que les modèles stochastiques tels qu'ils ont été produits pourraient exagérer le niveau d'hétérogénéité des HFs, et donc de K. Cette étude fournit un aperçu sur l'impact que peuvent avoir differentes représentations de l'hétérogénéité d'un aquifère sur la dispersion et le transport de masse (représenté par l'âge et le TCE), et illustre l'utilisation potentielle de l'âge comme indicateur de la dispersion.

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The main objective of this study was to evaluate the impact of the heterogeneity of hydraulic conductivity (K) on the dispersion effect in a deltaic aquifer. We propose here to use in situ groundwater age as an indicator of the dispersion. This thesis includes two complementary chapters. The first chapter presents the theory of numerical groundwater age modeling. Two methods of age simulations (advective and advective-dispersive age simulations) were compared on different homogeneous or heterogenous 2D aquifer numerical models. Groundwater age distribution being influenced by two processes: advective and dispersive transport, we analysed the impact of low or high hydraulic conductivity heterogeneity on age distribution. It was also shown how that dispersion smoothes simulated ages by reducing extreme values. Then, advective-dispersive age simulations on different aquifer models also illustrated the impact of aquifer structure on age simulations, causing either locally younger or older ages. The second chapter is a study on the impact of three heterogeneity levels on dispersion and age simulations of the deltaic Va1cartier aquifer. It is recognized that the spatial heterogeneity of hydraulic conductivity (K) plays a major role in groundwater flow and mass transport. This study proposes to quantify these effects at the scale of a 15 km2 study area within the unconfined Val cartier deltaic sand aquifer. As a consequence of a dissolved trichloroethene (TCE) plume, the site has been extensively characterized, including hydrostratigraphic information from borehole logs (7000 m logged from 430 locations). The characterization also involved groundwater dating using the tritium-helium method. Observed and simulated groundwater age and the extent of the TCE plume were used as indicators of the dispersive effect of different levels of heterogeneity in a numerical groundwater flow model. The first part of the study involved the definition of K fields with three different levels of heterogeneity. A homogeneous K field used the horizontal (Kh) and vertical (Kv) values of K that provided the best calibration of the numerical model to hydraulic heads. The second level of heterogeneity was taken from Ouellon et al. (2008) who krigged the proportions of four hydrofacies (HF) based on borehole log descriptions and derived Kh and Kv values using generalized means for layered media. The third level of K heterogeneity was obtained from a two-step stochastic modeling process. First, HF distributions were obtained by multiple point geostatistics based on the HF units identified from borehole logs and a training image providing structural information on the spatial HF distribution. The second step involved the simulation of the K heterogeneity within each HF using sequential Gaussian simulations for each HF simulation obtained in the first step. This procedure lead to the creation of several realizations reproducing the two levels of spatial heterogeneity. In the. second part of the study, advective groundwater ages obtained from particle tracking were compared for the models with the three levels of heterogeneity. Mass (TCE) and age transport were also compared for the two deterministic K models. Results show that heterogeneous K models have .dispersive effects, even on purely advective particle tracking that matches measured groundwater ages. Quite small dispersivity values had to be used in mass transport of TCE and age to match observations and particle tracking results. Heterogeneous models were thus shown to embed dispersive effects related to their heterogeneous K fields, which may limit dispersivity scale effects plaguing homogeneous numerical models. Groundwater age was also shown to have the potential to be used as a transverse dispersivity indicator, but it did not provide constraints on longitudinal dispersivity. Overall, the kriged K model reproduced observed age data and the shape of the plume more accurately, showing that stochastic simulations in the way they were used may exaggerate the level of HF and K heterogeneity. This work provides insights into how different representations of aquifer heterogeneity can affect dispersion and mass transport (as represented by age and TCE), and it illustrates the potential use of groundwater age as an indicator of dispersion.

Type de document:	Thèse Mémoire
Directeur de mémoire/thèse:	Lefebvre, René
Co-directeurs de mémoire/thèse:	Gloaguen, Erwan
Informations complémentaires:	Résumé avec symboles
Mots-clés libres:	hétérogénéité; conductivité hydraulique; aquifère pro-deltaïque; âge; eau souterraine; modélisation numérique; k homogène; k krigé; géostatistique; Valcartier
Centre:	Centre Eau Terre Environnement
Date de dépôt:	05 nov. 2013 21:28
Dernière modification:	23 juill. 2024 13:30
URI:	https://espace.inrs.ca/id/eprint/1690

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