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Projet de fin d’études (6GLG604) Hiver 2011 Estimation de la conductivité hydra

Projet de fin d’études (6GLG604) Hiver 2011 Estimation de la conductivité hydraulique des aquifères à plusieurs échelles : exemples d’aquifères granulaires de la région du Saguenay-Lac-St-Jean, Québec Réalisé par Cécile BAUDEMENT Directeur du projet : Romain CHESNAUX Co-directeur du projet : Alain ROULEAU Le 29 Avril 2011 Université du Québec à Chicoutimi ii Résumé Cette étude porte sur l’évaluation des effets d’échelle pour la détermination de la conductivité hydraulique des aquifères de type granulaire. La détermination de la conductivité hydraulique constitue un élément clé en hydrogéologie pour la compréhension des écoulements des eaux souterraines. En effet, cette propriété nous indique avec quelle facilité le milieu poreux aquifère laisse s’écouler l’eau dans le sous-sol. Ainsi, plusieurs essais sont comparés en observant leur échelle d’influence sur l’aquifère. Une analyse comparative des résultats de la conductivité hydraulique (K) est réalisée entre trois types d’essais représentant trois échelles différentes sur le même aquifère. Les analyses granulométriques sont basées sur des formules empiriques dont les variables dépendent de certaines propriétés granulométriques du milieu poreux et représentent une petite échelle d’étude sur l’aquifère de l’ordre de quelques dm3. Les essais de perméabilité in- situ représentent en revanche une échelle moyenne d’étude de l’ordre du m3 alors que les essais de pompage s’opèrent sur une plus grande échelle d’étude de l’ordre de plusieurs dizaines de m3 d’aquifère. La région d’étude est la région du Saguenay-Lac-St-Jean (SLSJ) qui est une zone présentant une variété d’environnements de dépôts Quaternaire (marin peu profond deltaïque, marin profond, fluvioglaciaire, et lacustre) représenté par des aquifères à nappe libre ou captive. Cette région offre des contextes de dépôts granulaires appropriés pour la réalisation d’une telle étude. Dans le travail présenté, deux environnements de dépôts sont considérés : marin peu profond et fluvioglaciaire. Tous les contextes sont à nappe libre. Quatre sites ont été sélectionnés par rapport à plusieurs critères concernant les contextes hydrogéologiques (types de dépôts, hétérogénéités et stratification…) ainsi que la quantité de données disponible par rapport aux essais hydrauliques réalisés et répertoriés dans les rapports de consultants. Il est à noter que toute l’information disponible pour notre étude à été extraite de la base de données hydrogéologique rendue disponible dans le cadre du projet SLSJ Programme d’Acquisition des Connaissances sur les Eaux Souterraines du Québec (Projet PACES). L’analyse comparative des résultats obtenus pour les différents sites montre que les effets d’échelle ne sont pas associés aux types d’essais réalisés mais sont liés au degré de l’hétérogénéité de l’aquifère testé. En effet, les valeurs de K calculées avec les trois types de méthodes sont très voisines, et ce pour tous les sites, et des effets d’échelle ne sont pas véritablement observés. Nous attribuons de tels résultats au fait que chacun des 4 sites sont d’après les observations stratigraphiques qui en sont faites, plutôt homogènes. Une seconde conclusion est d’affirmer que les résultats des méthodes empiriques de prédiction de K basées sur la granulométrie concordent bien avec ceux des essais hydrauliques in-situ. Ceci montre que ces méthodes de prédictions sont parfaitement valides lorsqu’applicables. iii Remerciements Tout d’abord je souhaite remercier le directeur de ce projet, Romain Chesnaux pour m’avoir fait partager ses connaissances ainsi que ses idées et pour m’avoir soutenue tout au long du projet. Je remercie le co-directeur de ce projet Alain Rouleau qui m’a fournit les connaissances nécessaires pour faire avancer le projet. Je remercie également toute l’équipe du projet SLSJ du « Programme d’Acquisition des Connaissances sur les Eaux souterraines » (PACES) en me permettant d’accéder à leurs données hydrogéologiques et particulièrement, Julien Walter, Denis Germaneau, Mélanie Lambert et Annie Moisan pour leur discussion scientifique ainsi que l’encouragement et leur aide qu’ils m’ont apporté. Je tiens à remercier toutes les autres personnes qui m’ont soutenue tout au long de ce projet. iv Table des matières Remerciements ............................................................................................................................... iii 1/ Introduction .................................................................................................................................. 1 2/ Problématique et objectifs ............................................................................................................ 2 3/ Présentation des sites d’étude ....................................................................................................... 4 4/ Méthodologie ............................................................................................................................. 20 5/ Résultats et interprétations ......................................................................................................... 28 6/Discussion et conclusion ............................................................................................................. 44 Références ...................................................................................................................................... 46 Figure 1 Colonne stratigraphique de la région du Saguenay Lac Saint Jean d’après Walter, J. ...... 5 Figure 2 : Localisation des sites d'étude ainsi que des dépôts meubles de la région du SLSJ d’après Walter, J. ...................................................................................Erreur ! Signet non défini. Figure 3 Carte des dépôts meubles de L'Ascension-de-Notre-Seigneur selon Lasalle et Tremblay (1978) ............................................................................................................................................... 7 Figure 4 Carte de L'Ascension de Notre Seigneur selon les domaines régionaux tels que présentés dans Chesnaux et al., (2011). ........................................................................................................... 8 Figure 5 Colonne stratigraphique du puits d'exploitation F8 de la municipalité de l’Ascension-de- Notre-Seigneur ................................................................................................................................. 9 Figure 6 Carte des dépôts meubles de Labrecque selon Lasalle et Tremblay (1978) .................... 11 Figure 7 Carte de Labrecque selon les domaines régionaux tels que présentés dans Chesnaux et al. (2011) ........................................................................................................................................ 12 Figure 8 Colonne stratigraphique du puits P-3/01 ......................................................................... 13 Figure 9 Carte des dépôts meubles de Saint Honoré selon Lasalle et Tremblay (1978) ................ 14 Figure 10 Carte de Saint Honoré selon les domaines régionaux tels que présentés dans Chesnaux et al. (2011) .................................................................................................................................... 15 Figure 11 Colonne stratigraphique du puits PW-3 de St Honoré ................................................... 16 Figure 12 Carte des dépôts meubles de Sainte Monique selon Lasalle&Tremblay (1978) ........... 17 Figure 13 Carte de Sainte Monique selon les domaines régionaux tels que présentés dans Chesnaux et al. (2011) .................................................................................................................... 18 Figure 14 Colonne stratigraphique du puits P-1 de Ste-Monique .................................................. 19 Figure 15 Courbes granulométriques obtenues pour le site de L’Ascension de Notre Seigneur ... 28 Figure 16 Essai de pompage longue durée : puits F8 de L’Ascension de Notre Seigneur ............ 30 Figure 17 Courbes granulométriques : puits P-3/01 du site de Labrecque .................................... 32 Figure 18 Essai de pompage longue durée : puits P-1/79 à Labrecque .......................................... 34 Figure 19 Courbes granulométriques du puits PW-3 à Saint Honoré ............................................ 36 Figure 20 Essai de pompage longue durée (168h) : puits PW-3 de St-Honoré.............................. 38 Figure 21 Courbes granulométriques du piézomètre STM-1 à Sainte Monique ............................ 40 Figure 22 Essai de pompage de longue durée : puits P-1 de Sainte Monique ............................... 42 1 1/ Introduction La détermination de la conductivité hydraulique d’un aquifère constitue un élément clé en hydrogéologie pour la compréhension des écoulements des eaux souterraines. En effet, la conductivité hydraulique nous indique avec quelle facilité le milieu poreux aquifère laisse s’écouler l’eau dans le sous-sol. La connaissance de cette propriété a de nombreuses applications comme la détermination des temps d’écoulement de l’eau souterraine essentielle par exemple à définir le transport d’un contaminant dans un aquifère, mais aussi elle permet à l’hydrogéologue de savoir avec quel degré de difficulté il sera possible d’extraire de l’eau d’un réservoir aquifère. Par ailleurs, lorsque l’on s’intéresse à la modélisation des systèmes aquifères et à la simulation numérique des écoulements d’eau souterraine, la conductivité hydraulique est un paramètre qui doit être connu afin de pouvoir prédire les écoulements ainsi que leur évolution dans le temps et dans l’espace dépendamment des facteurs qui peuvent les influencer. Une évaluation la plus exacte possible de la conductivité hydraulique par l’hydrogéologue est donc requise afin de garantir une bonne connaissance de la dynamique des eaux souterraines dans un aquifère avant d’entreprendre une éventuelle exploitation de cette ressource, mais aussi d’en assurer une protection adéquate. Plusieurs outils et méthodes sont disponibles pour déterminer la conductivité hydraulique; il existe des méthodes de prédiction, des méthodes de laboratoire, ainsi que des méthodes in situ : -Les méthodes de prédiction se basent sur des formules empiriques qui relient la conductivité hydraulique à certaines propriétés géométriques du matériau poreux. Ces méthodes s’appliquent uniquement pour les matériaux granulaires et sont par ailleurs valables sous certaines conditions. Dans tous les cas, l’application de ces méthodes nécessite la prise d’un échantillon de l’ordre du décimètre cube prélevé par forage (ou prélevé par simple pelletage lorsque le matériau est superficiel) et la réalisation d’une analyse granulométrique au laboratoire. C’est suite à cette analyse des dimensions des particules du matériau et de leur tri à partir d’un simple échantillon que la détermination empirique de la conductivité hydraulique est possible. -Les méthodes expérimentales de laboratoire sont à distinguer des méthodes empiriques de prédiction puisque cette fois-ci elles consistent à une mesure de la conductivité hydraulique à partir d’un écoulement dans un milieu poreux (qui peut-être de type granulaire, mais aussi de type roc fracturé discontinu). Un échantillon de faible volume, de l’ordre également du décimètre cube est placé dans une cellule dans laquelle l’opérateur contrôle ensuite un écoulement en appliquant un gradient hydraulique à travers l’échantillon. La mesure du débit d’écoulement en fonction du gradient hydraulique et de certains paramètres géométriques permet de déterminer la conductivité hydraulique de l’échantillon à partir de la loi de Darcy. Ces expérimentations sont qualifiées d’essais de perméabilité au laboratoire et on en distingue deux types : l’essai de perméabilité à différence de charge constante et l’essai de perméabilité à différence de charge variable. -Les méthodes in situ consistent à tester directement les propriétés hydrauliques des aquifères en leur occasionnant une perturbation hydraulique artificielle. L’observation de leur uploads/Geographie/ estimation-de-la-conductivite-hydraulique-pdf.pdf