Encadrants : Jean-Paul GAUDET et Yvan ROSSIER (LTHE équipe TRANPORE)

Transcription

1 Etude d un champ captant : observations et modélisation 3D en focalisant sur le fonctionnement des bassins d infiltration Sébastien LOIZEAU Thèse CIFRE Encadrants : Jean-Paul GAUDET et Yvan ROSSIER (LTHE équipe TRANPORE) Journée des thèses LTHE 15 et 16 Mars 2012

2 Présentation du site LYON Bassins Puits Puits Canal de Miribel Vieux Rhône NORD NORD 100m Canal de Jonage Nord Puits Canal sud 500m

3 Les bassins d infiltration d : un objet complexe Réalimentation de la nappe importante, flux max : 2m/J Le niveau de la nappe monte avec la mise en charge du bassin Préservation d une Zone Non Saturée (ZNS) de 2m sous le radier du bassin Bassin d infiltration Sable calibré (30cm) ZNS Dôme hydraulique Partie saturée e de l aquifl aquifère Substratum

4 Compréhension des processus d infiltration dans un bassin expérimentations / résultats

5 Essais d infiltration d indépendants à différentes échelles Dans le même bassin d infiltration : - Echelle Décimétrique : Essais Beerkan (Surface d infiltration : 0.008m 2 ) Principe d infiltration à charge nulle, flux mesurés - Echelle métrique : Grands Anneaux (Surface d infiltration : 0.8m 2 ) Principe d infiltration à charge imposée et flux mesurés - Echelle globale : le Bassin d infiltration entier (Surface d infiltration : m 2 ) Principe d infiltration à débits imposés et charges mesurées Mesures des paramètres hydrodynamiques à différentes échelles

6 Les essais Beerkan,, analyse avec la méthode m Best : Lassabatère et Al Essais d infiltration à charge nulle. Seule la couche de 20cm de sable calibré concernée par l infiltration 30 essais, seuls 8 exploitables (problèmes de mouillabilité). Estimation des paramètres de forme à partir d une courbe granulométrique du sable Obtention des courbes h(θ) et K(θ) Basée sur la courbe de rétention h(θ) modèle de Van Genuchten (1980), condition de Burdine. Basée sur la courbe de conductivité hydraulique k(θ) selon Brooks and Corey (1964) condition de Burdine. Dans notre analyse, le Ks du sable va être considéré comme le paramètre le plus important. Conductivité hydraulique à saturation du sable comprise entre m/s et m/s. Résultats : Ordre de grandeur Ks Sable = m/s

7 Les essais en simple anneau 3 essais réalisés dans le bassin à différents endroits Durée moyenne par essai : 5h d infiltration Interprétation par modélisation car milieu bicouche : le front d infiltration touche la couche située directement sous le sable Résultats des modélisations en 2D axisymétrique (COMSOL) : Ks Sable calibré = m/s Ks Couche inférieure = m/s Isotropie pour cet exemple A noter : Avec une anisotropie dans la couche inférieure on obtient : - Ks Sable = m/s - Ks Couche inférieure verticale = m/s - Ks Couche inférieure horizontale = m/s Sources JP. Gaudet

8 Fosses d observation d dans le bassin d infiltrationd 100 Sable calibré Alluvions modernes du Rhône Tamisats cummulés (%) Tamis (mm) Granulométrie massique au tamis Seb9 Seb10 Seb11 Seb12 Seb13 Seb14 Présence d hétérogénéités verticales sous la couche de sable calibré : - Des éléments fins entre 30cm et 1.70 m selon les emplacements - Au dessous présence des graves sans éléments fins donc très perméables Assimilation de la superposition des couches alluvionnaires par une couche unique de perméabilité équivalente

9 1 er Bilan : Essais Beerkan et Grand Anneau Beerkan Grand Anneau Sable Calibré Ks = m/s Isotropie Ks = m/s Isotropie Ks = m/s Couche inférieure Isotropie X Ks = m/s Anisotropie Ks verticale = m/s Ks horizontale = m/s Remarque : Tous les essais réalisés précédemment concernent uniquement la zone immédiatement au dessous du radier du bassin.

10 Echelle du bassin d infiltration d entier Débits d alimentation du bassin importants permettent de provoquer un dôme hydraulique dans la nappe. Pas de saturation par l eau entre le bassin et l eau de la nappe (ZNS contrôlée à 2 m minimum). Un essai spécifique a été réalisé pour identifier les paramètres hydrodynamiques du fond de bassin. 2.5 Bassin 3.1 Débit Introduit 2000 Hauteur d'eau bassin 3.1 (m) Débit d'alimentation (m3/h) /07 09/07 11/07 13/07 Temps 15/07 17/07 19/07

11 Essai d infiltration dans le bassin entier Approche par modélisation numérique en3d Miribel Miribel Vieux-Rhône Modélisation en non saturée (Feflow) Vieux-Rhône Résolution par l équation de Richards dans tout le domaine

12 Piézométrie initiale du modèle Miribel Puits de pompage Vieux-Rhône Sens d écoulement de la nappe

13 Paramètres de modélisation Bassin 3.1 Condition de transfert : Ks = m/s sur 20cm T = 43.2 J -1 Ks (nappe) = m/s Perméabilit abilité à saturation (Variable dans le temps) Ks(initial) = m/s à Ks (final) = m/s Substratum Profil simplifié du modèle 3D

14 Conductivité hydraulique de la couche sous le sable qui évolue dans le temps : 1.9 Valeurs adimensionnelles du Ks [ ] Evolution adimensionnelle de la conductivité hydraulique à saturation Temps [Jours] Perméabilité à saturation de la couche de sable : Ks = m/s Perméabilité à saturation de la couche sous le sable (40cm) : Ks(initial) = m/s à Ks (final) = m/s Perméabilité à saturation de la nappe : Ks = m/s L évolution de la perméabilité à saturation dans le temps utilisée dans la modélisation est une hypothèse à consolider.

15 Variation de la hauteur d eau dans le bassin d infiltration 3.1 Comparaison entre mesures et modélisation 169 SimulationBassin3.1-V19 Données Expérimentales Niveau piézométrique (m) Temps [Jours] Représentation correcte par modélisation des hauteurs d eau dans le bassin.

16 Remontée absolue du niveau de nappe (m) B01 - Observation B04 - Observation B01-V19 B04-V19 B01-V22 B04-V Temps [Jours] Simulation de la remontée de la nappe Ks (nappe) = m/s Ks(nappe) = m/s B04 B02 Sensibilité de la perméabilité à saturation de la nappe

17 Acquisition de paramètres hydrodynamiques du réservoir r aquifère Interprétation d un essai de pompage de 6h à 300 m 3 /h sur le site : Méthode de Theis (1935) - Nappe plane, infinie, homogène, isotrope - Ecoulement radial vers le puits - Puits crépiné sur toute la hauteur aquifère - Méthode applicable pour une nappe captive Simulation du rabattement avec la méthode de Theis à 10m du puits Ks (aquifère) = m/s Interprétation des essais de pompage délicate car fortement bruitée par l activité permanente du champ captant.

18 N N 0 jour (état initial) S 2 jours S N N 6 jours S 10 jours S

19 Vue en coupe d axe N-S N S Miribel Bassin Puits Vieux-Rhône N Pas de sous-écoulement 10 Jours S

20 Les essais d infiltration à différentes échelles mettent en jeu des tailles d observation différentes et des méthodes différentes. Malgré cela les valeurs numériques des paramètres sont très comparables. Beerkan Grands Anneaux Bassin d infiltration Sable Calibré Ks = m/s Ks = m/s Ks = m/s Ks = m/s Couche inférieure Isotropie X Ks = m/s Anisotropie Ks verticale = m/s Ks horizontale = m/s Ks = m/s Ks nappe = m/s, bonne estimation par essai de pompage et vérifiée par modélisation de l essai d infiltration à l échelle du bassin entier.

21 Bilan pour le fond de bassin Ks Sable «neuf» calibré > Ks Couche sous jacente Donc La couche de sable calibré ne règle pas la dynamique d infiltration Mais Sable calibré se colmate donc sa perméabilité diminue Si Si Ks Sable calibré colmaté Ks couche sous jacente Alors La couche de sable calibré devient la couche qui règle la dynamique d infiltration Il faut intervenir!

22 Pour former le dôme hydraulique sous le bassin il faut : Caractériser les conditions aux limites : étude des relations nappe/rivière? è Rivière : condition de potentiel, de flux nul, de transfert? Sous-écoulement? Substratum Caractériser plus finement les paramètres hydrodynamiques de l aquifère : Réalisation d essais de pompage sur un dispositif dédié Piézomètres Puits

23 Perméabilité à saturation des couches de surface Colmatage physique et biologique Processus d infiltration Réalimentation de l aquifère Zone non saturée Remontée de la nappe Caractéristiques physiques de l aquifère Conditions aux limites (rivières, puits) Zone saturée

24 Pour aller plus loin hors du cadre de la thèse se Estimation de la variation de la conductivité hydraulique en fonction du temps. Importance des phénomènes de «piégeage» de bulles d air dans les processus d infiltration. Pour les essais de pompage, le paramètre S, coefficient d emmagasinement toujours petit dans la nappe alluviale étudiée. Liens entre S et porosité de drainage dans des aquifères à très fortes perméabilités ( m/s)? Ce problème n est pas crucial dans notre modélisation parce que l on résout l équation de Richards dans tout le domaine.

25 Merci de votre attention