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 d’Hydrogéologie, Université d’Avignon UMR EMMAH

Cadre et enjeux Contrat CIFRE université - entreprise Laboratoire d’Hydrogéologie d’Avignon HYDRIAD Eau & Environnement Besoins des bureaux d’études 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 l’interprétation des données géophysiques Amélioration de la représentativité des modèles hydrogéologiques

Plan de la présentation Problématique hydrogéologique Outils d’investigation et de modélisation Simulation des écoulements densitaires Tomographie de résistivité électrique (ERT) Relations entre propriétés géo-électriques et paramètres hydrogéologiques Exemples de sites d’application Les intrusions salines aux Îles-de-la-Madeleine (Québec, Canada) La lentille d’eau douce de l’îlot corallien M’Ba (lagon de Nouméa, Nouvelle-Calédonie) Le système salin côtier dunaire de Pikine (presqu’île du Cap-Vert, Sénégal) Proposition d’une méthodologie de validation croisée des modèles géo-électriques et hydrogéologiques

Problématique hydrogéologique 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 d’écoulements 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 d’étude) Problème de non-unicité des résultats (inversion) Problématique Outils d’approche classiques Cas d’application Méthodologie proposée

Modélisation des écoulements densitaires dans les aquifères Concepts : Modèles d’interface franche -> solutions analytiques Modèles d’interface diffuse -> solutions numériques Problématique Outils d’approche classiques Cas d’application Méthodologie proposée

Modélisation des écoulements densitaires dans les aquifères Méthodologie de développement des modèles numériques (SUTRA) : Discrétisation -> définition d’un maillage spatial 2D ou 3D -> définition du pas de temps Problématique Outils d’approche classiques Cas d’application Méthodologie proposée

Modélisation des écoulements densitaires dans les aquifères Méthodologie de développement des modèles numériques (SUTRA) : Discrétisation -> définition d’un 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.) Problématique Outils d’approche classiques Cas d’application Méthodologie proposée

Modélisation des écoulements densitaires dans les aquifères Méthodologie de développement des modèles numériques (SUTRA) : Discrétisation -> définition d’un 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 Problématique Outils d’approche classiques Cas d’application Méthodologie proposée

Modélisation des écoulements densitaires dans les aquifères Méthodologie de développement des modèles numériques (SUTRA) : Discrétisation -> définition d’un 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 Problématique Outils d’approche classiques Cas d’application Méthodologie proposée

Modélisation des écoulements densitaires dans les aquifères Le problème du calage/validation : Données piézométriques généralement suffisantes MAIS parfois : -> problèmes d’équivalents d’eau douce en milieu salin -> effets densitaires liés au sel peuvent opposer les écoulements aux gradients calculés en équivalents d’eau douce Problématique Outils d’approche classiques Cas d’application Méthodologie proposée

Modélisation des écoulements densitaires dans les aquifères Le problème du calage/validation : Données piézométriques généralement suffisantes MAIS parfois : -> problèmes d’équivalents d’eau douce en milieu salin -> effets densitaires liés au sel peuvent opposer les écoulements aux gradients calculés en équivalents d’eau 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.) Problématique Outils d’approche classiques Cas d’application Méthodologie proposée

Modélisation des écoulements densitaires dans les aquifères Le problème du calage/validation : Données piézométriques généralement suffisantes MAIS parfois : -> problèmes d’équivalents d’eau douce en milieu salin -> effets densitaires liés au sel peuvent opposer les écoulements aux gradients calculés en équivalents d’eau 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 Problématique Outils d’approche classiques Cas d’application Méthodologie proposée

Modélisation des écoulements densitaires dans les aquifères Modélisation des écoulements densitaires : Exemple 2D Problématique Outils d’approche classiques Sites d’étude Méthodologie proposée

Tomographie de résistivité électrique (ERT) Distribution 2D (section) ou 3D (volume) des résistivités du sous-sol Problématique Outils d’approche classiques Cas d’application Méthodologie proposée

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

Relations hydro-pétrophysiques liant les paramètres géo-électriques et hydrochimiques 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) Problématique Outils d’approche classiques Cas d’application Méthodologie proposée

Relations hydro-pétrophysiques liant les paramètres géo-électriques et hydrochimiques 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) Conduc. Elect. totale (µS/cm) Conduc. Elect. de l’eau de pore (µS/cm) Conduc. Elect. de l’eau de pore (µS/cm) Relations "hydro-physico-chimiques" : résistivité de l’eau = f (salinité) Corrélations sur données d’échantillonnage de terrain Hem (1985) -> milieu côtier (eaux naturelles salées) TDS (mg/l) Problématique Outils d’approche classiques Cas d’application Méthodologie proposée

Exemples de cas d’étude : singularités, acquisitions ERT et simulations Localisation et singularités des sites d’étude Résultats ERT et modélisation des écoulements densitaires Comparaisons et rapprochements ERT/modèles Problématique Outils d’approche classiques Cas d’application Méthodologie proposée

Exemples de cas d’étude : singularités, acquisitions ERT et simulations Sites d’étude : Québec, Nouvelle-Calédonie, Sénégal Problématique Outils d’approche classiques Cas d’application Méthodologie proposée

Exemples de cas d’étude : singularités, acquisitions ERT et simulations Sites d’étude : Québec, Nouvelle-Calédonie, Sénégal Îles-de-la Madeleine (Québec) Problématique Outils d’approche classiques Cas d’application Méthodologie proposée

Îlot M’Ba (Nouvelle-Calédonie) Exemples de cas d’étude : singularités, acquisitions ERT et simulations Sites d’étude : Québec, Nouvelle-Calédonie, Sénégal Îlot M’Ba (Nouvelle-Calédonie) Problématique Outils d’approche classiques Cas d’application Méthodologie proposée

Presqu’île du Cap-Vert (Sénégal) Exemples de cas d’étude : singularités, acquisitions ERT et simulations Sites d’étude : Québec, Nouvelle-Calédonie, Sénégal Presqu’île du Cap-Vert (Sénégal) Problématique Outils d’approche classiques Cas d’application Méthodologie proposée

Exemples de cas d’étude : singularités, acquisitions ERT et simulations Îles-de-la Madeleine : Contexte

Exemples de cas d’étude : singularités, acquisitions ERT et simulations Résultats ERT

Exemples de cas d’étude : singularités, acquisitions ERT et simulations Modélisation des écoulements densitaires : piézométrie

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

Exemples de cas d’étude : singularités, acquisitions ERT et simulations Comparaison qualitative ERT/simulations

Exemples de cas d’étude : singularités, acquisitions ERT et simulations Îlot M’Ba : contexte

Exemples de cas d’étude : singularités, acquisitions ERT et simulations Résultats ERT

Exemples de cas d’étude : singularités, acquisitions ERT et simulations Modélisation des écoulements densitaires : piézométrie et salinité

Exemples de cas d’étude : singularités, acquisitions ERT et simulations Presqu’île du Cap-Vert : contexte

Exemples de cas d’étude : singularités, acquisitions ERT et simulations Résultats ERT et écoulements densitaires

Méthodologie de validation croisée entre modèles géophysiques et hydrogéologiques Les résultats obtenus sur les 3 sites montrent une comparaison variable entre résultats géophysiques et simulations densitaires Problématique Outils d’approche classiques Cas d’application Méthodologie proposée

Méthodologie de validation croisée entre modèles géophysiques et hydrogéologiques Les résultats obtenus sur les 3 sites montrent une comparaison variable entre résultats géophysiques et simulations densitaires DE PLUS, cette comparaison reste "qualitative" Problématique Outils d’approche classiques Cas d’application Méthodologie proposée

Méthodologie de validation croisée entre modèles géophysiques et hydrogéologiques 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 l’image obtenue Problématique Outils d’approche classiques Cas d’application Méthodologie proposée

Méthodologie de validation croisée entre modèles géophysiques et hydrogéologiques 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 l’image obtenue Il est nécessaire de se doter d’un moyen supplémentaire de validation indépendant qui permette : 1/ de s’affranchir du problème de non-unicité 2/ d’intégrer les effets 3D (géologie et zone de transition) 3/ de rendre "quantitative" la comparaison géophysique/simulations Problématique Outils d’approche classiques Cas d’application Méthodologie proposée

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 l’aide d’un modèle géo-électrique direct) à partir des résultats du modèle densitaire (terrain virtuel) Problématique Outils d’approche classiques Cas d’application Méthodologie proposée

Méthodologie de validation croisée entre modèles géophysiques et hydrogéologiques Problématique Outils d’approche classiques Cas d’application Méthodologie proposée

Méthodologie de validation croisée entre modèles géophysiques et hydrogéologiques

Méthodologie robuste de caractérisation et simulation des aquifères côtiers

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 d’une 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 d’outils adaptés et modernes -> applicable par les bureaux d’études et gestionnaires des ressources

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 d’autres outils : -> géochimie et isotopes (âge et temps de séjour) -> télédétection (flux des sorties en mer) > Extrapolation de la méthodologie à d’autres milieux

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

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 d’Hydrogéologie, Université d’Avignon UMR EMMAH