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Apport de la tomographie électrique à la modélisation des écoulements densitaires dans les aquifères côtiers Application à trois contextes climatiques.

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Présentation au sujet: "Apport de la tomographie électrique à la modélisation des écoulements densitaires dans les aquifères côtiers Application à trois contextes climatiques."— Transcription de la présentation:

1 Apport de la tomographie électrique à la modélisation des écoulements densitaires dans les aquifères côtiers Application à trois contextes climatiques contrastés (Canada, Nouvelle-Calédonie, Sénégal) Jean-Christophe Comte HYDRIAD, Nîmes Laboratoire dHydrogéologie, Université dAvignon UMR EMMAH

2 Contrat CIFRE université - entreprise Laboratoire dHydrogéologie dAvignon HYDRIAD Eau & Environnement Besoins des bureaux détudes Caractérisation des biseaux salés et des intrusions Scénarios évolutifs / Vulnérabilité / Risques Outils existants Méthodes géophysiques Modèles mathématiques Méthode de couplage plus rigoureuse et plus fiable Amélioration de linterprétation des données géophysiques Amélioration de la représentativité des modèles hydrogéologiques Cadre et enjeux

3 Problématique hydrogéologique Outils dinvestigation et de modélisation Simulation des écoulements densitaires Tomographie de résistivité électrique (ERT) Relations entre propriétés géo-électriques et paramètres hydrogéologiques Exemples de sites dapplication Les intrusions salines aux Îles-de-la-Madeleine (Québec, Canada) La lentille deau douce de lîlot corallien MBa (lagon de Nouméa, Nouvelle-Calédonie) Le système salin côtier dunaire de Pikine (presquîle du Cap-Vert, Sénégal) Proposition dune méthodologie de validation croisée des modèles géo-électriques et hydrogéologiques Plan de la présentation

4 Problématique hydrogéologique ProblématiqueOutils dapproche classiquesCas dapplicationMéthodologie proposée Aquifères côtiers : forte pression démographique industrielle et touristique forte vulnérabilité de la ressource en eau aux intrusions salines (sur-exploitation) Impact prévu des changements globaux Modèles mathématiques découlements densitaires : gestion et protection de la ressource côtière modèles sensibles et lourds validation nécessite des données haute résolution Prospection géophysique électrique : Sensible aux changements lithologiques et à la distribution 3D de la salinité Méthode largement utilisée en prospection hydrogéologique (bureaux détude) Problème de non-unicité des résultats (inversion)

5 Modélisation des écoulements densitaires dans les aquifères ProblématiqueOutils dapproche classiquesCas dapplicationMéthodologie proposée Concepts : Modèles dinterface franche -> solutions analytiques Modèles dinterface diffuse -> solutions numériques

6 Modélisation des écoulements densitaires dans les aquifères ProblématiqueOutils dapproche classiquesCas dapplicationMéthodologie proposée Méthodologie de développement des modèles numériques (SUTRA) : Discrétisation -> définition dun maillage spatial 2D ou 3D -> définition du pas de temps

7 Modélisation des écoulements densitaires dans les aquifères ProblématiqueOutils dapproche classiquesCas dapplicationMéthodologie proposée Méthodologie de développement des modèles numériques (SUTRA) : Discrétisation -> définition dun maillage spatial 2D ou 3D -> définition du pas de temps Paramétrage -> paramètres du milieu aquifère (perméabilités, emmagasinements, dispersivités) -> conditions aux limites (recharge, évapotranspiration, niveau et salinité de la mer, prélèvement par les puits, etc.)

8 Modélisation des écoulements densitaires dans les aquifères ProblématiqueOutils dapproche classiquesCas dapplicationMéthodologie proposée Méthodologie de développement des modèles numériques (SUTRA) : Discrétisation -> définition dun maillage spatial 2D ou 3D -> définition du pas de temps Paramétrage -> paramètres du milieu aquifère (perméabilités, emmagasinements, dispersivités) -> conditions aux limites (recharge, évapotranspiration, niveau et salinité de la mer, prélèvement par les puits, etc.) Simulations -> calcul couplé des pressions et vitesses de pore -> calcul couplé des concentrations en sel

9 Modélisation des écoulements densitaires dans les aquifères ProblématiqueOutils dapproche classiquesCas dapplicationMéthodologie proposée Méthodologie de développement des modèles numériques (SUTRA) : Discrétisation -> définition dun maillage spatial 2D ou 3D -> définition du pas de temps Paramétrage -> paramètres du milieu aquifère (perméabilités, emmagasinements, dispersivités) -> conditions aux limites (recharge, évapotranspiration, niveau et salinité de la mer, prélèvement par les puits, etc.) Simulations -> calcul couplé des pressions et vitesses de pore -> calcul couplé des concentrations en sel Calibration/validation -> comparaison avec des données piézométriques -> comparaison avec des données de salinité

10 Modélisation des écoulements densitaires dans les aquifères ProblématiqueOutils dapproche classiquesCas dapplicationMéthodologie proposée Le problème du calage/validation : Données piézométriques généralement suffisantes MAIS parfois : -> problèmes déquivalents deau douce en milieu salin -> effets densitaires liés au sel peuvent opposer les écoulements aux gradients calculés en équivalents deau douce

11 Modélisation des écoulements densitaires dans les aquifères ProblématiqueOutils dapproche classiquesCas dapplicationMéthodologie proposée Le problème du calage/validation : Données piézométriques généralement suffisantes MAIS parfois : -> problèmes déquivalents deau douce en milieu salin -> effets densitaires liés au sel peuvent opposer les écoulements aux gradients calculés en équivalents deau douce Données de salinité généralement insuffisantes CAR : -> limitées aux mesures en forage et eaux de surface -> mélanges verticaux importants dans les forages -> structure complexe de la zone de transition eau douce – eau salée en 2D ou 3D (forts gradients localisés, remontées coniques, etc.)

12 Modélisation des écoulements densitaires dans les aquifères ProblématiqueOutils dapproche classiquesCas dapplicationMéthodologie proposée Le problème du calage/validation : Données piézométriques généralement suffisantes MAIS parfois : -> problèmes déquivalents deau douce en milieu salin -> effets densitaires liés au sel peuvent opposer les écoulements aux gradients calculés en équivalents deau douce Données de salinité généralement insuffisantes CAR : -> limitées aux mesures en forage et eaux de surface -> mélanges verticaux importants dans les forages -> structure complexe de la zone de transition eau douce – eau salée en 2D ou 3D (forts gradients localisés, remontées coniques, etc.) Intérêt de la géophysique comme outil de calage/validation : Résistivité électrique = mesure indirecte de la salinité ERT fournit une image 2D ou 3D de la distribution des résistivités électriques

13 Modélisation des écoulements densitaires dans les aquifères ProblématiqueOutils dapproche classiquesSites détudeMéthodologie proposée Modélisation des écoulements densitaires : Exemple 2D

14 Tomographie de résistivité électrique (ERT) ProblématiqueOutils dapproche classiquesCas dapplicationMéthodologie proposée Distribution 2D (section) ou 3D (volume) des résistivités du sous-sol

15 Tomographie de résistivité électrique (ERT) Inversion géo-électrique : déconvolution du signal mesuré

16 Relations hydro-pétrophysiques liant les paramètres géo-électriques et hydrochimiques ProblématiqueOutils dapproche classiquesCas dapplicationMéthodologie proposée Relations pétrophysiques (propriétés électriques des roches) Relations " hydro-physico-chimiques " (propriétés électriques de la solution de pore) Correction de température (variation de la résistivité avec la température)

17 Relations hydro-pétrophysiques liant les paramètres géo-électriques et hydrochimiques ProblématiqueOutils dapproche classiquesCas dapplicationMéthodologie proposée Relations pétrophysiques : résistivité totale = f (résistivité eau) -Archie (1942) -> matériau non argileux -Waxman & Smits (1968) -> matériaux argileux -Autres modèles plus complexes (ex. Revil et al., 1998) Relations "hydro-physico-chimiques" : résistivité de leau = f (salinité) -Corrélations sur données déchantillonnage de terrain -Hem (1985) -> milieu côtier (eaux naturelles salées) Conduc. Elect. de leau de pore (µS/cm) TDS (mg/l) Conduc. Elect. totale (µS/cm) Conduc. Elect. de leau de pore (µS/cm)

18 Exemples de cas détude : singularités, acquisitions ERT et simulations ProblématiqueOutils dapproche classiquesCas dapplicationMéthodologie proposée Localisation et singularités des sites détude Résultats ERT et modélisation des écoulements densitaires Comparaisons et rapprochements ERT/modèles

19 Exemples de cas détude : singularités, acquisitions ERT et simulations ProblématiqueOutils dapproche classiquesCas dapplicationMéthodologie proposée Sites détude : Québec, Nouvelle-Calédonie, Sénégal

20 Exemples de cas détude : singularités, acquisitions ERT et simulations ProblématiqueOutils dapproche classiquesCas dapplicationMéthodologie proposée Sites détude : Québec, Nouvelle-Calédonie, Sénégal Îles-de-la Madeleine (Québec)

21 Exemples de cas détude : singularités, acquisitions ERT et simulations ProblématiqueOutils dapproche classiquesCas dapplicationMéthodologie proposée Sites détude : Québec, Nouvelle-Calédonie, Sénégal Îlot MBa (Nouvelle- Calédonie)

22 Exemples de cas détude : singularités, acquisitions ERT et simulations ProblématiqueOutils dapproche classiquesCas dapplicationMéthodologie proposée Sites détude : Québec, Nouvelle-Calédonie, Sénégal Presquîle du Cap-Vert (Sénégal)

23 Exemples de cas détude : singularités, acquisitions ERT et simulations Îles-de-la Madeleine : Contexte

24 Exemples de cas détude : singularités, acquisitions ERT et simulations Résultats ERT

25 Exemples de cas détude : singularités, acquisitions ERT et simulations Modélisation des écoulements densitaires : piézométrie

26 Exemples de cas détude : singularités, acquisitions ERT et simulations Modélisation des écoulements densitaires : zone de transition eau douce/eau salée

27 Exemples de cas détude : singularités, acquisitions ERT et simulations Comparaison qualitative ERT/simulations

28 Exemples de cas détude : singularités, acquisitions ERT et simulations Îlot MBa : contexte

29 Exemples de cas détude : singularités, acquisitions ERT et simulations Résultats ERT

30 Exemples de cas détude : singularités, acquisitions ERT et simulations Modélisation des écoulements densitaires : piézométrie et salinité

31 Exemples de cas détude : singularités, acquisitions ERT et simulations Presquîle du Cap-Vert : contexte

32 Exemples de cas détude : singularités, acquisitions ERT et simulations Résultats ERT et écoulements densitaires

33 Méthodologie de validation croisée entre modèles géophysiques et hydrogéologiques ProblématiqueOutils dapproche classiquesCas dapplicationMéthodologie proposée Les résultats obtenus sur les 3 sites montrent une comparaison variable entre résultats géophysiques et simulations densitaires

34 Méthodologie de validation croisée entre modèles géophysiques et hydrogéologiques ProblématiqueOutils dapproche classiquesCas dapplicationMéthodologie proposée Les résultats obtenus sur les 3 sites montrent une comparaison variable entre résultats géophysiques et simulations densitaires DE PLUS, cette comparaison reste "qualitative"

35 Méthodologie de validation croisée entre modèles géophysiques et hydrogéologiques ProblématiqueOutils dapproche classiquesCas dapplicationMéthodologie proposée Les résultats obtenus sur les 3 sites montrent une comparaison variable entre résultats géophysiques et simulations densitaires DE PLUS, cette comparaison reste "qualitative" ET, la modélisation géo-électrique inverse reste soumise au problème de non-unicité de limage obtenue

36 Méthodologie de validation croisée entre modèles géophysiques et hydrogéologiques ProblématiqueOutils dapproche classiquesCas dapplicationMéthodologie proposée Les résultats obtenus sur les 3 sites montrent une comparaison variable entre résultats géophysiques et simulations densitaires DE PLUS, cette comparaison reste "qualitative" ET, la modélisation géo-électrique inverse reste soumise au problème de non-unicité de limage obtenue Il est nécessaire de se doter dun moyen supplémentaire de validation indépendant qui permette : 1/ de saffranchir du problème de non-unicité 2/ dintégrer les effets 3D (géologie et zone de transition) 3/ de rendre "quantitative" la comparaison géophysique/simulations

37 Méthodologie de validation croisée entre modèles géophysiques et hydrogéologiques Approche qualitative classique Comparaison : modèle géophysique inverse / modèle hydrogéologique direct Approche quantitative complémentaire Comparaison : mesures géophysiques de terrain / données équivalentes calculées (à laide dun modèle géo-électrique direct) à partir des résultats du modèle densitaire (terrain virtuel) ProblématiqueOutils dapproche classiquesCas dapplicationMéthodologie proposée

38 Méthodologie de validation croisée entre modèles géophysiques et hydrogéologiques ProblématiqueOutils dapproche classiquesCas dapplicationMéthodologie proposée

39 Méthodologie de validation croisée entre modèles géophysiques et hydrogéologiques

40 Méthodologie robuste de caractérisation et simulation des aquifères côtiers

41 Conclusions Approche classique des aquifères côtiers : -> caractérisation géophysique (dont ERT) -> modélisation hydrogéologique (dont densitaire) MAIS approche souffrant de 2 principales faiblesses : -> non-unicité des résultats géophysiques -> difficultés de paramétrage et validation des modèles hydrogéologiques Proposition dune méthodologie permettant : -> le paramétrage et la validation des modèles -> une validation croisée indépendante des portraits géophysiques et hydrogéologiques obtenus Originalité et pertinence de cette méthodologie : -> démarche rigoureuse et scientifique -> utilisation doutils adaptés et modernes -> applicable par les bureaux détudes et gestionnaires des ressources

42 Perspectives… … pour améliorer la compréhension et la gestion des aquifères côtiers : Utilisation des méthodes géophysiques électro- magnétiques (EM) Assimilation (incorporation) des données géophysiques dans les modèles hydrogéologiques (soft data / hard data) Couplage avec dautres outils : -> géochimie et isotopes (âge et temps de séjour) -> télédétection (flux des sorties en mer) > Extrapolation de la méthodologie à dautres milieux

43 Je remercie : HYDRIAD, LHA-EMMAH, ANRT-CIFRE Les projets FAQDD-Îles-de-la-Madeleine, ANR-Interface, PASMI-Sénégal Les collaborateurs AGÉOS, EnvirEau Puits, IRD-Nouméa, GEOTER Les membres du Jury Et lassistance…

44 Apport de la tomographie électrique à la modélisation des écoulements densitaires dans les aquifères côtiers Application à trois contextes climatiques contrastés (Canada, Nouvelle-Calédonie, Sénégal) Jean-Christophe Comte HYDRIAD, Nîmes Laboratoire dHydrogéologie, Université dAvignon UMR EMMAH


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