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

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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 d’Hydrogéologie, Université d’Avignon UMR EMMAH

2 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

3 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

4 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

5 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

6 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

7 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

8 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

9 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

10 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

11 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

12 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

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

14 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

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

16 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

17 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

18 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

19 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

20 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

21 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

22 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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

33 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

34 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

35 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

36 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

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 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

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

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 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

43 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…

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 d’Hydrogéologie, Université d’Avignon UMR EMMAH