INERIS. Projet TRANSPOL Complément de calage du modèle hydrodynamique. Juin 2001 A 23549/A

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1 Projet TRANSPOL Complément de calage du modèle hydrodynamique Juin 2001 A 23549/A

2 Parc Technologique ALATA Verneuil-en-Halatte Projet TRANSPOL Complément de calage du modèle hydrodynamique Juin 2001 A 23549/A Direction Stockages Service Hydrogéologie et Modélisation 3, avenue Claude Guillemin B.P ORLÉANS Cedex 02

3 Synthèse Le projet TRANSPOL est une intercomparaison des méthodes et des modèles numériques utilisés aujourd hui par les bureaux d étude, centres de recherche et universités concernés par les problèmes de migration de polluants. La phase 1 de l étude, sur laquelle ANTEA est intervenu en septembre 2000, consistait à simuler à l aide d un modèle hydrodispersif la migration du naphtalène dans un contexte hydrogéologique non perturbé, caractérisé par l existence de deux aquifères superposés (nappe de la Craie et nappe des Graves), séparés par la formation argileuse régionale des argiles de Louvil. Lors du calage du modèle hydrodynamique en régime hydraulique permanent, ANTEA a mis en évidence que l absence de données de débit et de sollicitation des aquifères impliquait une incertitude sur le couple perméabilité / recharge choisi pour représenter correctement les charges. Cette incertitude pouvait être critique vis-à-vis des simulations de transport, puisque la perméabilité des couches aquifères et du semi-perméable conditionnait très fortement les vitesses de migration du polluant par convection. Le but de l étude objet du présent rapport est de simuler un pompage d essai, à l aide du modèle numérique élaboré en Le pompage d essai à simuler a été réalisé à un débit moyen de 3,95 m 3 /h. Il s est déroulé sur un doublet de forages (un forage traversant l aquifère des Graves et captant l aquifère de la Craie, et l autre captant l aquifère des Graves). L essai a consisté à enchaîner un pompage dans la Craie puis un pompage dans les Graves, avec enregistrement des rabattements dans les 2 nappes sollicitées. La simulation en régime transitoire du pompage d essai a permis d améliorer l estimation des paramètres hydrodynamiques des formations hydrogéologiques étudiées (aquifère des Graves, semi-perméable formé par les argiles de Louvil et aquifère de la Craie). Pour chaque formation, le couple de paramètres perméabilité/emmagasinement captif a été optimisé pour simuler au mieux les rabattements observés dans chacun des aquifères lors du pompage d essai. Les valeurs obtenues lors de cet ajustement sont résumées dans le tableau suivant : 2/24

4 Paramètres hydrodynamiques utilisés lors de la simulation de référence Couche Perméabilité Transmissivité Emmagasinement Emmagasinement (m/s) (m²/s) spécifique (m -1 ) captif (-) Graves , Argiles , Craie 1, , Les analyses de sensibilité menées à partir de cette simulation de référence montrent que les coefficients d emmagasinement captif des différentes formations hydrogéologiques modélisées ont un impact fort sur les simulations de rabattements. En revanche, le gradient de charge vertical régnant initialement entre les 2 aquifères sollicités ne semble pas influer fortement sur les résultats. Le calage en régime hydraulique permanent avec ces nouvelles perméabilités nécessite l introduction de recharges très supérieures à celles utilisées lors du précédent calage sur le modèle en septembre La distinction de 4 zones de recharge différentes est nécessaire pour reproduire correctement les cartes piézométriques observées, fournies dans le cahier des charges du 20 juillet Il faut cependant bien être conscient que la distinction de zones de recharges différentes au sein du modèle est probablement arbitraire, en l absence d informations relatives à l hétérogénéité des paramètres hydrodynamiques des deux aquifères et de la couche argileuse. La zonation des recharges qu on est amené à introduire dans le modèle n est ainsi probablement qu un reflet d une zonation des perméabilités non prise en compte faute de données, ou encore de la variabilité d épaisseur ou de perméabilité verticale de la couverture argileuse des Graves, influant sur la proportion des précipitations efficaces participant à la recharge effective des aquifères. 3/24

5 Sommaire Page 1. INTRODUCTION RAPPEL DU CONTEXTE GÉOLOGIQUE ET HYDROGÉOLOGIQUE CONTEXTE GÉOLOGIQUE CONTEXTE HYDROGÉOLOGIQUE OBJECTIFS POURSUIVIS SIMULATION DU POMPAGE D ESSAI DONNÉES DISPONIBLES GÉOMÉTRIE ET CONDITIONS AUX LIMITES DU MODÈLE PLAGE DE VARIATION THÉORIQUE DES PARAMÈTRES HYDRODYNAMIQUES Perméabilités Coefficients d emmagasinement SIMULATION DE RÉFÉRENCE (OFFRANT LE MEILLEUR CALAGE) Paramètres hydrodynamiques obtenus Commentaires sur les rabattements simulés ANALYSES DE SENSIBILITÉ MENÉES À PARTIR DE LA SIMULATION DE RÉFÉRENCE Test de l influence d une augmentation de l emmagasinement des argiles de Louvil (simulation 1) Test de l influence d une augmentation de l emmagasinement captif de la Craie (simulation 2) Test de l influence d une augmentation de la perméabilité et de l emmagasinement de l aquifère des Graves (simulation 3) Test de l influence d une augmentation de la perméabilité des argiles de Louvil (Simulation 4) Test d une augmentation du gradient de charge entre la nappe des Graves et la nappe de la Craie au droit du pompage d essai (simulation 5) CONCLUSION DE LA SIMULATION DU POMPAGE D ESSAI ACTUALISATION DU CALAGE EN RÉGIME HYDRODYNAMIQUE PERMANENT AVEC LES NOUVEAUX PARAMÈTRES HYDRODYNAMIQUES SIMULATION AVEC LA RECHARGE UTILISÉE LORS DE L ÉTUDE DE SEPTEMBRE AJUSTEMENT DES RECHARGES PLUVIALES APPLIQUÉES AUX GRAVES CONCLUSION /24

6 Liste des tableaux Tableau 1 : Conditions expérimentales du pompage d essai Tableau 2 : Perméabilités déterminées dans l aquifère des Graves par essai Lefranc Tableau 3 : Perméabilités déterminées dans les argiles de Louvil par essai d infiltration Tableau 4 : Plages de variation des perméabilités des différentes formations hydrogéologiques modélisées Tableau 5 : Compressibilité des roches Tableau 6 : Coefficient d emmagasinement spécifique théorique de l aquifère des Graves Tableau 7 : Coefficient d emmagasinement spécifique théorique des argiles de Louvil Tableau 8 : Coefficient d emmagasinement spécifique théorique de l aquifère de la Craie Tableau 9 : Paramètres hydrodynamiques utilisés lors de la simulation de référence Tableau 10 : Recharges pluviométriques imposées lors du calage en régime permanent Liste des annexes Annexe 1 : Simulation du pompage d essai Figure 1 : Évolution des rabattements mesurés dans la nappe des Graves et la nappe de la Craie Figure 2 : Comparaison des rabattements simulés et mesurés dans la nappe des Graves et la nappe de la Craie lors de la simulation de référence Figure 3 : Comparaison des rabattements simulés et mesurés dans la nappe des Graves et la nappe de la Craie lors de la simulation 1 Figure 4 : Comparaison des rabattements simulés et mesurés dans la nappe des Graves et la nappe de la Craie lors de la simulation 2 Figure 5 : Comparaison des rabattements simulés et mesurés dans la nappe des Graves et la nappe de la Craie lors de la simulation 3 Figure 6 : Comparaison des rabattements simulés et mesurés dans la nappe des Graves et la nappe de la Craie lors de la simulation 4 Figure 7 : Comparaison des rabattements simulés et mesurés dans la nappe des Graves et la nappe de la Craie lors de la simulation 5 Annexe 2 : Calage en régime hydrodynamique permanent Figure 1 : Comparaison entre la piézométrie simulée et la piézométrie mesurée de la nappe des Graves lors du calage initial de septembre 2000 Figure 2 : Comparaison entre la piézométrie simulée et la piézométrie mesurée de la nappe de la Craie lors du calage initial de septembre /24

7 Figure 3 : Zones de recharge introduites pour l actualisation du calage en régime permanent Figure 4 : Comparaison entre la piézométrie simulée et la piézométrie mesurée de la nappe des Graves lors du calage actualisé Figure 5 : Comparaison entre la piézométrie simulée et la piézométrie mesurée de la nappe de la Craie lors du calage actualisé 6/24

8 1. Introduction La présente étude s inscrit dans le cadre du projet TRANSPOL, initié par le Ministère de l Environnement et animé par l. Il s agit d une intercomparaison des méthodes et des modèles numériques utilisés aujourd hui par les bureaux d étude, centres de recherche et universités concernés par les problèmes de migration de polluants. Dans le cadre du Cas réel n 1 (cahier des charges du 20 juillet 1999, et rapport d étude ANTEA A de septembre 2000), ANTEA a été chargé par l de simuler la migration du naphtalène dans un contexte hydrogéologique non perturbé, caractérisé par l existence de deux aquifères superposés (nappe de la Craie et nappe des Graves), séparés par la formation argileuse régionale des argiles de Louvil. Au vu des contributions des différentes équipes, l a été amenée à préciser un certain nombre d hypothèses relatives aux caractéristiques hydrodispersives des différents HAP et à mettre en œuvre un pompage d essai dans les deux aquifères dans l objectif de mieux contraindre hydrauliquement les différents modèles et d affiner les estimations des paramètres hydrodynamiques. Cette réflexion a fait l objet d un nouveau cahier des charges en date du 9 février Le but de l étude, objet du présent rapport, est de simuler, à l aide du modèle numérique réalisé en 2000, les évolutions des rabattements mesurés lors des pompages réalisés dans la nappe inférieure (nappe de la Craie), puis la nappe supérieure (nappe des Graves), et ainsi de mieux préciser les paramètres hydrodynamiques des 3 couches hydrogéologiques (perméabilités et coefficients d emmagasinement). 7/24

9 2. Rappel du contexte géologique et hydrogéologique 2.1. Contexte géologique Le contexte géologique au droit du secteur d étude est simple. De haut en bas, les formations géologiques recoupées en forages sont : une couche de silts argileux, affleurants ou surmontés par des remblais, une couche de graves, d une épaisseur de 6 m environ, une couche d argiles (argiles de Louvil), d une épaisseur de 4 m environ, la Craie du Sénonien, d une épaisseur fracturée de 20 m environ. D après les données fournies, les pendages des différentes couches sont très faibles, et les couches peuvent donc être considérées comme quasi-horizontales Contexte hydrogéologique Le site est caractérisé par la présence d une succession de couches alternativement aquifères et peu perméables. Ce sont, de haut en bas : les silts argileux, peu perméables, surmontés par des remblais, les Graves de silex, aquifères (perméabilité tirée d essais Lefranc comprise selon les piézomètres entre 10-5 et m/s), les argiles de Louvil, très peu perméables (perméabilité comprise selon les données entre 10-9 et 10-8 m/s), la Craie, aquifère régional, avec une transmissivité comprise d après les données entre 10-3 et 10-2 m²/s (soit une perméabilité de à m/s). Sur le plan piézométrique, la nappe des Graves s écoule du Nord-Ouest vers le Sud-Est, perpendiculairement au ruisseau de direction NE/SW qui la traverse. Les gradients piézométriques sont assez forts à l Ouest du ruisseau (de l ordre de 0,8%) et beaucoup plus faible à l Est de la rivière (proches de 0,1%). La nappe de la Craie s écoule du Nord-Est vers le Sud-Ouest, avec un gradient de l ordre de 0,3% en amont hydraulique, diminuant progressivement jusqu à 0,1% en aval. 8/24

10 La nappe des Graves est captive sous la couche de silts argileux, et la nappe de la Craie est en charge sous les argiles de Louvil. La formation des argiles de Louvil joue le rôle d un écran hydraulique vis-à-vis des 2 formations aquifères, puisqu on mesure une différence de charge pouvant atteindre plus de 6 m entre la nappe des Graves et la nappe de la Craie. Les cotes piézométriques de la nappe des Graves sont supérieures aux cotes de la nappe de la Craie sur la plus grande partie du secteur d étude, hormis dans la partie Nord-Est. 9/24

11 3. Objectifs poursuivis Lors de la précédente phase de l étude, un calage avait été réalisé en régime hydraulique permanent. L objectif de ce calage était de reproduire au mieux les cartes piézométriques observées dans les aquifères des Graves et de la Craie, en jouant sur les perméabilités des 3 couches prises en compte dans le modèle et sur la recharge pluviale appliquée aux affleurements. Les perméabilités choisies étaient de 2, m/s dans les Graves, m/s dans les argiles et m/s dans la Craie. Avec ces valeurs de perméabilités, les cotes piézométriques étaient correctement reproduites dans les aquifères en affectant une recharge de 20mm/an sur la plus grande partie du domaine, hormis dans la partie Sud où cette dernière passait à 80mm/an. Cependant, en l absence de données de débit dans le cours d eau et de sollicitation des aquifères, le couple perméabilité/recharge n était déterminé qu à une constante multiplicative près. L objectif de la présente étude est de mieux estimer les perméabilités et emmagasinements des trois formations, grâce à l utilisation d un pompage d essai sollicitant les deux aquifères. L actualisation du calage sera donc réalisée en deux étapes successives : simulation en régime transitoire du pompage d essai, en jouant sur les perméabilités et les coefficients d emmagasinement des différentes formations hydrogéologiques ; simulation en régime hydraulique permanent des deux cartes piézométriques de référence, avec les perméabilités estimées lors de l étape précédente. Les écarts éventuels constatés vis-à-vis des observations seront le reflet d une hétérogénéité des perméabilités, facteur très peu connu en l état actuel des données, et/ou d une variabilité spatiale de la recharge pluviométrique à travers les silts argileux, dont les caractéristiques hydrodynamiques sont inconnues mais dont l épaisseur, accessible au travers des coupes verticales fournies par l, semble largement variable à l échelle du site. En l absence de critère objectif permettant de privilégier une approche plutôt qu une autre, on supposera arbitrairement une perméabilité homogène par formation et la réduction des écarts constatés passera par une zonation des recharges pluviométriques dont on vérifiera a posteriori le caractère réaliste. 10/24

12 4. Simulation du pompage d essai 4.1. Données disponibles Le pompage d essai à simuler a été réalisé à un débit moyen de 3,95m 3 /h pendant 6 heures et a concerné le doublet de piézomètres Pz7/Pz16 (le forage Pz7 traverse l aquifère des Graves et capte l aquifère de la Craie, et le forage Pz16 capte l aquifère des Graves). Les mesures ont été effectuées à un pas de temps d une seconde grâce à un capteur de pression 1bar dans Pz7 (nappe de la Craie) et 375mbar dans Pz16 (nappe des Graves). Le tableau 1 résume les caractéristiques du pompage d essai : Tableau 1 Conditions expérimentales du pompage d essai Temps Pz7 (nappe de la Craie) Pz16 (nappe des Graves) Pompage au débit de T = 00 h 00 à 05 h 42 3,95 m 3 /h Enregistrement des Enregistrement des rabattements rabattements T = 05 h 42 Arrêt du pompage T = 05 h 42 à 05 h 55 Enregistrement de la Enregistrement des remontée piézométrique rabattements T = 05 h 55 T = 05 h 55 à 06 h 20 Enregistrement de la remontée piézométrique Début du pompage Pompage au débit de 3,95 m 3 /h Enregistrement des rabattements 4.2. Géométrie et conditions aux limites du modèle Le modèle hydrogéologique utilisé pour simuler le pompage d essai est exactement le même que lors de la première phase du projet. Le domaine modélisé a la même extension que les deux cartes piézométriques fournies pour la nappe des Graves et la nappe de la Craie. Le maillage utilisé est de type écossais, avec des mailles carrées de 40m de côté en bordure de modèle, affinées à 10m de côté au centre de la zone d étude (extension globale de 1200m autour du site). Le modèle intègre les trois couches hydrogéologiques des Graves, des argiles de Louvil et de la Craie. Les formations sont supposées horizontales, avec des 11/24

13 épaisseurs de 6m pour les Graves, 4m pour les argiles et 20m pour la Craie aquifère. Le toit des Graves est supposé à 14m NGF ; les murs des couches géologiques sont donc à 8m NGF pour les Graves, 4m NGF pour les argiles et -16m NGF pour la Craie. Comme lors de la phase précédente de l étude, les conditions aux limites sont des conditions de potentiel imposé pour les couches du modèle représentant l aquifère des Graves et de la Craie, et des conditions de flux nul en bordure de la couche des argiles de Louvil (compte tenu de la très faible perméabilité de cette couche). Par ailleurs, le fond du modèle est également à flux nul, puisqu on suppose que les circulations verticales sont extrêmement réduites entre la craie fracturée, aquifère, et la craie saine sous-jacente, faiblement perméable. En surface, on adopte des conditions de recharge par les précipitations efficaces. Afin de représenter le caractère captif de la nappe des Graves sous le recouvrement des silts argileux, on interdit tout débordement. Les charges piézométriques de la nappe des Graves peuvent donc être supérieures à la cote de la topographie. Le cours d eau est simulé par des mailles à potentiel imposé. Remarque : Dans le modèle actuel, le doublet de forages Pz7/Pz16 est situé à proximité de la bordure Nord à potentiel imposé (à une distance de 200 m environ). Cette disposition peut biaiser considérablement les résultats, car lorsque le rayon d action du pompage dans la craie atteint la bordure à potentiel imposé, une partie du débit prélevé par pompage peut provenir artificiellement de l extérieur du modèle, via les mailles à potentiel imposé. Afin de résoudre ce problème, le pompage est simulé au centre du modèle, au voisinage du piézomètre Pz14. Afin de respecter le rôle hydraulique de la rivière lors du pompage (la rivière, simulée par des mailles à potentiel imposé, joue le rôle d une limite de réalimentation), le pompage est supposé à la même distance de la rivière que Pz16. Les charges imposées en bordure du modèle, homogènes par couche, respectent le gradient vertical mesuré entre la nappe des Graves et celle de la Craie en Pz7/Pz16. On peut ainsi effectuer assez facilement une analyse de sensibilité sur le gradient de charge régnant entre les deux couches aquifères, de part et d autre du semi-perméable. 12/24

14 4.3. Plage de variation théorique des paramètres hydrodynamiques Il est important avant de débuter le calage en régime transitoire (et donc d évaluer les couples perméabilité/coefficient d emmagasinement de chaque formation hydrogéologique permettant de reproduire au mieux les variations de charge dans chacun des aquifères lors de la mise en œuvre du pompage d essai) d estimer les valeurs théoriquement acceptables de chacun des paramètres Perméabilités Les valeurs de perméabilité supposées dans chacune des formations hydrogéologiques prises en compte dans le modèle ont été fournies par l dans les cahiers des charges du 20 juillet 1999 et du 9 février La perméabilité de l aquifère des Graves a été estimée au moyen d essais de mesure de perméabilité de type Lefranc, dans les piézomètres Pz16, Pz18 et Pz19. Les valeurs obtenues sont résumées dans le tableau 2 : Tableau 2 Perméabilités déterminées dans l aquifère des Graves par essai Lefranc Piézomètre Perméabilité moyenne (m/s) Pz16 3, Pz18 1, Pz19 4, La perméabilité des argiles de Louvil a été estimée par essai spécifique d infiltration. Les résultats obtenus sont reportés dans le tableau 3 ci-dessous : Perméabilités déterminées dans les Tableau 3 argiles de Louvil par essai d infiltration Perméabilité avant saturation (m/s) Perméabilité après saturation (m/s) 1, , Pour l aquifère de la Craie, aucun essai ne semble avoir été effectué pour déterminer la perméabilité de la couche. En revanche, les cahiers des charges indiquent une plage de transmissivité probable. Le tableau 4 résume la plage de variation des perméabilités (et transmissivités pour la Craie) proposées par l, que le calage en régime transitoire devra respecter dans la mesure du possible. 13/24

15 Tableau 4 Formation hydrogéologique Plages de variation des perméabilités des différentes formations hydrogéologiques modélisées Valeur retenue Paramètre Plage de variation lors du calage de septembre 2000 Graves Perméabilité 10-5 à m/s 2, m/s Argiles de Louvil Perméabilité 10-9 à 10-8 m/s m/s Transmissivité 10-3 à 10-2 m²/s 10-2 m²/s Craie Perméabilité (pour une épaisseur de 20 m) à m/s m/s Coefficients d emmagasinement L emmagasinement d un milieu poreux saturé caractérise sa capacité à stocker et à restituer de l eau. En nappe libre (milieu ouvert), il s apparente à la porosité efficace de la formation. En nappe captive (milieu confiné sous pression), il correspond à la quantité d eau que l on peut extraire en décomprimant la formation saturée. On peut distinguer le coefficient d emmagasinement et le coefficient d emmagasinement spécifique. Le premier (noté S et sans dimension) correspond, pour une formation géologique saturée, à la proportion d eau récupérée sur toute sa hauteur pour une baisse de pression d un mètre de colonne d eau douce. Le second (noté Ss et exprimé en m -1 ) correspond à la proportion d eau récupérée, rapportée à une hauteur unité de la formation saturée. Donc Ss = S/e (avec e l épaisseur de la formation saturée). En milieu captif, le coefficient d emmagasinement spécifique s exprime en fonction de la porosité totale (φ) et des compressibilités de la matrice rocheuse (Cm) et du fluide de formation (Cf) de la manière suivante : [ φcf + ( φ ) Cm] Ss = ρg 1 Avec ρ la masse volumique du fluide et g l accélération de la pesanteur. La compressibilité de l eau pure à 20 C vaut 4, Pa -1. Les valeurs de compressibilité des roches (Freeze et Cherry, 1979 ; Domenico et Lifflin, 1965) sont données dans le tableau 5 : 14/24

16 Tableau 5 Compressibilité des roches Roche Compressibilité (Pa -1 ) Argiles plastiques 10-7 à 10-6 Argiles consolidées 10-8 à 10-7 Sables, graviers, grès à 10-7 Roches fissurées à 10-8 Roches compactes à 10-9 Avec l ensemble de ces données, on peut déterminer une fourchette théorique d emmagasinement captif spécifique pour chacune des couches hydrogéologiques modélisées, qui servira de référence lors de la simulation du pompage. Aquifère des Graves : La fourchette de porosité totale indiquée dans le cahier des charges est de 20 à 40%. Les coefficients d emmagasinement captifs spécifiques théoriques sont indiqués dans le tableau 6 : Tableau 6 Coefficient d emmagasinement spécifique théorique de l aquifère des Graves Porosité totale (%) Compressibilité Cm (Pa -1 ) , , , , Nous retiendrons donc pour les graves une fourchette théorique du coefficient d emmagasinement spécifique de 1, à 7, m -1. Argiles de Louvil : La porosité totale des argiles est comprise, d après le cahier des charges fourni, entre 30 et 50%. Les valeurs d emmagasinement spécifique ainsi obtenues sont reportées dans le tableau 7 : Tableau 7 Coefficient d emmagasinement spécifique théorique des argiles de Louvil Porosité totale (%) Compressibilité Cm (Pa -1 ) , , , Nous retiendrons que les emmagasinements spécifiques des argiles sont compris en théorie dans la fourchette 5, à 6, m /24

17 Aquifère de la Craie : Pour une porosité totale comprise entre 15 et 25%, les coefficients d emmagasinement spécifiques correspondants sont : Tableau 8 Coefficient d emmagasinement spécifique théorique de l aquifère de la Craie Porosité totale (%) Compressibilité Cm (Pa -1 ) , , , , Nous retiendrons donc pour la Craie une gamme théorique de variation du coefficient d emmagasinement spécifique de 1, à 8, m Simulation de référence (offrant le meilleur calage) Un certain nombre de simulations a été nécessaire pour parvenir à un ajustement satisfaisant des rabattements simulés sur les rabattements mesurés lors du pompage d essai. Nous présentons ici la simulation offrant le calage jugé le meilleur. Cette simulation sera appelée «simulation de référence», car elle servira de base aux analyses de sensibilité menées sur les différents paramètres hydrodynamiques Paramètres hydrodynamiques obtenus La démarche adoptée est la suivante : Ajustement de la perméabilité de la Craie pour respecter globalement la pente de descente des niveaux de la nappe de la Craie lors du pompage en Pz7, Ajustement de l emmagasinement pour respecter les valeurs de rabattement dans la Craie. Cependant, les pertes de charges linéaires et quadratiques générées dans Pz7 lors de la mise en œuvre du pompage sont inconnues, Ajustement du couple perméabilité/emmagasinement des argiles de Louvil, pour obtenir une diffusivité réaliste des argiles, permettant le transfert de la dépression engendrée par le pompage dans la Craie jusqu aux Graves en un temps réaliste, Ajustement de la perméabilité des Graves pour respecter la pente de descente des niveaux sous l effet du pompage dans la Craie, et de l emmagasinement pour respecter l amplitude des rabattements. À l issue de ces différentes étapes, les paramètres hydrodynamiques obtenus dans chacune des formations hydrogéologiques sont : 16/24

18 Tableau 9 Paramètres hydrodynamiques utilisés lors de la simulation de référence Couche Perméabilité Transmissivité Emmagasinement Emmagasinement (m/s) (m²/s) spécifique (m -1 ) captif (-) Graves , Argiles , Craie 1, , Il apparaît donc que : Dans les Graves, une perméabilité et un emmagasinement relativement faibles (aux bornes inférieures des fourchettes théoriques) sont nécessaires pour que la perturbation générée par le pompage dans la Craie entraîne des variations des niveaux simulés dans les Graves du même ordre de grandeur que les observations, Dans les argiles, il est nécessaire d introduire une forte diffusivité (perméabilité à la limite supérieure de la fourchette théorique, et emmagasinement inférieur à la limite théorique basse). Dans la Craie, des valeurs moyennes de perméabilité et d emmagasinement offrent de bons résultats Commentaires sur les rabattements simulés La comparaison des rabattements simulés et des rabattements observés dans la nappe des Graves et la nappe de la Craie est montrée sur la figure 2 de l annexe 1. On peut apporter les commentaires suivants à l examen des résultats : La descente simulée des niveaux dans la nappe de la Craie est satisfaisante, et la pente en fin de pompage (la plus significative) est bien respectée. Les rabattements simulés sont inférieurs aux rabattements mesurés, mais les rabattements mesurés sont en partie dus aux pertes de charge dans le forage, et de plus, les rabattements mesurés doivent être majorés d un facteur de correction maille-puits. On peut donc estimer que la représentation de la baisse des niveaux dans la Craie est satisfaisante. La remontée des niveaux dans la Craie à l arrêt du pompage est elle aussi bien représentée, les niveaux simulés et mesurés en fin d observation étant très proches. Dans les Graves, l impact du pompage dans la Craie est bien reproduit, aussi bien pour la pente de descente que pour les valeurs elles-mêmes de rabattements. On peut noter qu entre et 15000s de pompage, les rabattements fournis sont constants dans les Graves et dans la Craie, ce qui est probablement du à un défaut d enregistrement de la centrale d acquisition. Le démarrage de la descente simulée des niveaux dans les Graves est légèrement plus précoce que le démarrage observé, ce qui indiquerait une diffusivité légèrement surestimée des argiles. Cependant, un test montre 17/24

19 qu une baisse de cette diffusivité diminue considérablement les rabattements simulés dans les Graves, détériorant ainsi le calage. En revanche, la descente simulée des niveaux dans les Graves sous l effet du pompage en Pz16 est très supérieure aux observations. Les rabattements observés dans les Graves sous l effet du pompage dans Pz16 sont du même ordre de grandeur que les rabattements mesurés dans la Craie sous l effet du pompage dans Pz7, alors que la transmissivité théorique de la Craie est au moins 3 fois supérieure à la transmissivité théorique dans les Graves. Le point de rejet des eaux pompées étant situé à 20 m seulement du forage Pz16, tout laisse à penser que la descente des niveaux dans les Graves sous l effet du pompage en Pz16 a été limitée par une réinfiltration des eaux pompées. Dans tous les cas, nous avons privilégié pour le calage un ajustement sur les rabattements engendrés par le pompage dans la Craie, plutôt que cette dernière partie de l essai, sujette à caution Analyses de sensibilité menées à partir de la simulation de référence La simulation de référence a permis de définir pour chaque formation hydrogéologique un couple de paramètres perméabilité/emmagasinement permettant de bien reproduire les rabattements mesurés dans les deux aquifères lors du pompage d essai. Le but des analyses de sensibilité suivantes est de tester la sensibilité des résultats, lorsqu un paramètre est légèrement modifié. Plus l impact d une légère modification d un paramètre sera important, plus les paramètres du calage pourront être considérés comme fiables Test de l influence d une augmentation de l emmagasinement des argiles de Louvil (simulation 1) Objectifs Lors de la simulation de référence, la réaction de la nappe des Graves sous l effet du pompage dans la Craie est rapide (environ 1000 s), alors que la réaction observée se produit plutôt vers 4000 s. La diffusivité des argiles est peut-être légèrement surestimée. Nous diminuons donc lors de cette analyse de sensibilité la diffusivité des argiles, en augmentant le coefficient d emmagasinement captif (de m -1 à m -1 ), tous les autres paramètres étant inchangés par rapport à la simulation de référence Résultats (figure 3 de l annexe 1) Cette modification retarde effectivement le temps de réaction de la nappe des Graves (jusqu à environ 5000 s). L impact sur les rabattements dans la Craie est 18/24

20 très faible. En revanche, les rabattements simulés dans les Graves sont diminués de moitié ; la simulation est donc nettement moins satisfaisante que la simulation de référence. La diffusivité des argiles de Louvil est donc un paramètre très important Test de l influence d une augmentation de l emmagasinement captif de la Craie (simulation 2) Objectifs Les rabattements simulés par le modèle dans la Craie lors du pompage en Pz7 ne tiennent pas compte des éventuelles pertes de charge dans le forage. Ces pertes de charge linéaires et quadratiques ne sont pas connues. De plus, même si les pertes de charge étaient nulles dans le forage, les rabattements simulés devraient être inférieurs aux rabattements mesurés, d une valeur appelée «correction maille-puits», qui traduit le fait que l écart entre le rabattement simulé dans une maille et le rabattement mesuré dans un forage (point singulier) est d autant plus grand que la maille est grande. Ce rabattement supplémentaire est difficile à estimer dans ce contexte hydrogéologique complexe avec une drainance entre aquifères. Ces deux considérations montrent qu il est difficile d estimer précisément les rabattements à simuler pour représenter correctement les rabattements mesurés dans la nappe de la Craie. Le but de cette analyse de sensibilité est ainsi de déterminer l impact d une diminution des rabattements simulés dans la nappe de la Craie sur les rabattements simulés dans la nappe des Graves, et ainsi mieux quantifier l incertitude sur les rabattements à simuler dans la Craie. On modifie donc pour cette analyse de sensibilité l emmagasinement spécifique de la Craie, qui est augmenté de 10-5 à m -1, tous les autres paramètres étant inchangés par rapport à la simulation de référence Résultats (figure 4 de l annexe 1) L impact de cette modification est fort, puisque les rabattements en fin de pompage dans la Craie sont diminués de 12% pour la nappe de la Craie et 36% pour la nappe des Graves. Ces résultats montrent donc que les rabattements calculés dans la nappe de la Craie lors de la simulation de référence sont du bon ordre de grandeur, puisqu une diminution de ces rabattements détériore fortement l ajustement dans les Graves. 19/24

21 Test de l influence d une augmentation de la perméabilité et de l emmagasinement de l aquifère des Graves (simulation 3) Objectifs La descente simulée dans les Graves sous l effet du seul pompage dans les Graves est très fortement surestimée lors de la simulation de référence. Le but de cette analyse de sensibilité est de vérifier si en prenant les bornes maximales de la perméabilité et de l emmagasinement théoriques des Graves, les rabattements simulés lors de cette phase de pompage sont plus en adéquation avec les mesures. Nous testons donc une perméabilité de m/s et un emmagasinement spécifique de 7, m -1 dans les Graves, tous les autres paramètres étant inchangés par rapport à la simulation de référence Résultats (figure 5 de l annexe 1) Avec ces nouveaux paramètres hydrodynamiques dans les Graves, les rabattements simulés générés par le pompage dans cette couche sont réduits de moitié par rapport à la simulation de référence. Ils restent cependant encore presque 2 fois trop forts par rapport aux mesures. Cette simulation confirme donc qu une réalimentation a du se produire pendant l essai, puisque même avec des paramètres limitant aux maximum les rabattements, les observations ne peuvent pas être respectées Test de l influence d une augmentation de la perméabilité des argiles de Louvil (Simulation 4) La simulation 3, grâce à une forte augmentation de la perméabilité et de l emmagasinement des Graves (les paramètres hydrodynamiques étant à présent à la borne maximale de la fourchette théorique), a permis de réduire les rabattements simulés dans les Graves lors du pompage dans cette couche. Cependant, les rabattements simulés dus au pompage dans la Craie sont aussi très fortement réduits, et le calage est ainsi détérioré. Le but de cette nouvelle analyse de sensibilité est de déterminer si une forte augmentation de la perméabilité des argiles de Louvil peut en partie augmenter les réactions de la nappe des Graves lors du pompage dans la Craie. Nous conservons donc pour cette simulation les fortes valeurs de perméabilité et d emmagasinement spécifiques dans les Graves de la simulation 3, et nous augmentons fortement la perméabilité des argiles de Louvil (qui passe de 10-8 à 10-7 m/s, valeur très forte pour une argile saine) Résultats (figure 6 de l annexe 1) Par rapport à la simulation 3, les rabattements dans les Graves dus au pompage dans la Craie sont en effet légèrement augmentées, mais ils restent très inférieurs 20/24

22 (d un facteur 5) aux rabattements mesurés. Aucune simulation ne semble donc être en mesure d apporter un ajustement correct entre les rabattements simulés et les rabattements mesurés dans la nappe des Graves, à la fois pendant la première phase de pompage (dans la Craie), et pendant la seconde phase de pompage (dans les Graves). Compte-tenu de la réinfiltration supposée des eaux de pompage, il convient encore une fois de privilégier le début de l essai, comme lors de la simulation de référence Test d une augmentation du gradient de charge entre la nappe des Graves et la nappe de la Craie au droit du pompage d essai (simulation 5) Objectifs Lors de la simulation de référence, le gradient de charge entre la nappe des Graves et la nappe de la Craie est de 0,5 m en bordure (au niveau des potentiels imposés), car la différence de charge mesurée au droit de Pz7/Pz16 est de cet ordre. Cependant, cette différence de charge n est plus que de 0,28 m au droit des mailles du modèle où est simulé le pompage. Nous testons donc au cours de cette analyse de sensibilité l impact d une augmentation du gradient de charge imposé en bordure (de manière à mieux représenter le gradient de charge mesuré au droit des forages Pz7/Pz16) sur les rabattements simulés. Le gradient de charge ainsi créé au droit des mailles pompages vaut à présent 0,72 m Résultats (figure 7 de l annexe 1) L impact du gradient de charge entre la nappe des Graves et la nappe de la Craie est infime sur les rabattements simulés, dans la gamme de valeurs testées Conclusion de la simulation du pompage d essai La simulation de référence permet un ajustement correct entre les rabattements simulés et les mesures dans les deux aquifères concernés par le pompage d essai réalisé par l. Nous retiendrons pour la suite de l étude les paramètres hydrodynamiques issus de ce calage, et présentés dans le tableau 9. Les analyses de sensibilité menées à partir de cette simulation de référence montrent que les coefficients d emmagasinement captif des différentes formations hydrogéologiques modélisées ont un impact fort sur les simulations de rabattement. En revanche, le gradient de charge vertical régnant initialement entre les 2 aquifères sollicités ne semble pas influer fortement sur les résultats. 21/24

23 5. Actualisation du calage en régime hydrodynamique permanent avec les nouveaux paramètres hydrodynamiques L objectif de cette phase de l étude est de simuler en régime hydraulique permanent les deux cartes piézométriques de référence (fournies dans le cahier des charges du 20 juillet 1999 et déjà utilisées lors de l étude de septembre 2000), tout en utilisant les perméabilités déterminées lors de la simulation du pompage d essai en régime transitoire. Les figures 1 et 2 de l annexe 2 rappellent les calages obtenus pour la nappe des Graves et la nappe de la Craie lors de l étude de septembre Simulation avec la recharge utilisée lors de l étude de septembre 2000 Dans un premier temps, on intègre les perméabilités du tableau 9 dans le modèle sans modifier les recharges pluviométriques. Par rapport au calcul de septembre 2000, les perméabilités sont ainsi diminuées d un facteur 2,5 dans les Graves, d un facteur 4 dans la Craie et augmentées d un facteur 2 dans les argiles. On observe avec les nouveaux paramètres : Que les charges dans les Graves sont fortement réduites (Cf. figure 3 de l annexe 2), sous l effet de la drainance accrue depuis cette couche vers la Craie sous-jacente, rendue possible par l augmentation de la perméabilité des argiles de Louvil. Les charges baissent ainsi au maximum de 1,6 m dans la zone où la nappe des graves a une piézométrie supérieure à la nappe de la Craie, et augmentent de 19 cm au maximum dans la zone où la drainance se fait de la Craie vers les Graves (zone Nord-Est). À l Ouest de la rivière, un point bas piézométrique se forme, modifiant la direction normale d écoulement de la nappe des Graves, d Ouest en Est. Inversement, dans la nappe de la Craie (Cf. figure 4 de l annexe 2), les charges piézométriques augmentent légèrement grâce à la prise en compte des nouvelles perméabilités (augmentation de 25 cm au maximum). Cette augmentation des charges est cependant beaucoup moins marquée sur la carte des charges simulées que pour les Graves, et les directions d écoulement, ainsi que les gradients restent très proches des valeurs obtenues lors de la simulation initiale. 22/24

24 5.2. Ajustement des recharges pluviales appliquées aux Graves Afin de compenser l affaissement de la piézométrie de l aquifère des Graves, on choisit d augmenter la recharge pluviale voir paragraphe 3-. L ajustement le meilleur est obtenu en distinguant quatre zones de recharge différentes (présentées sur la figure 5 de l annexe 2), et en appliquant les valeurs de recharge suivantes dans chacune des zones : Recharges pluviométriques imposées lors du Tableau 10 calage en régime permanent Zone de recharge Recharge annuelle (mm) Le calage obtenu avec ces paramètres est représenté en figure 6 de l annexe 2 pour la nappe des Graves et en figure 7 de l annexe 2 pour la nappe de la Craie. Le caractère a priori peu réaliste de la zonation obtenue montre bien la difficulté, en l absence de données fiables, de faire la part des choses entre une hétérogénéité des perméabilités des Graves, probable mais non quantifiable spatialement, et une hétérogénéité des recharges pluviométriques à travers des silts argileux dont l épaisseur est déjà très variable mais dont on ignore les caractéristiques hydrodynamiques. 23/24

25 6. Conclusion La simulation en régime transitoire du pompage d essai ayant été réalisé dans la Craie puis dans les Graves au voisinage du site d étude de l permet d améliorer localement la fiabilité des estimations des paramètres hydrodynamiques des formations hydrogéologiques étudiées (aquifère des Graves, semi-perméable formé par les argiles de Louvil et aquifère de la Craie). Pour chaque formation, le couple de paramètres perméabilité/emmagasinement captif a été optimisé pour simuler au mieux les rabattements observés dans chacun des aquifères lors du pompage d essai. Les valeurs obtenues lors de cet ajustement sont résumées dans le tableau suivant : Paramètres hydrodynamiques utilisés lors de la simulation de référence Couche Perméabilité Transmissivité Emmagasinement Emmagasinement (m/s) (m²/s) spécifique (m-1) captif (-) Graves , Argiles , Craie 1, , Le calage en régime hydraulique permanent avec ces nouvelles perméabilités nécessite l introduction de recharges très supérieures à celles utilisées lors du précédent calage de septembre La distinction de quatre zones de recharge différentes est nécessaire pour reproduire correctement les cartes piézométriques observées, fournies dans le cahier des charges de La confiance à accorder à une telle zonation reste toutefois toute relative ; cette zonation n est probablement qu une conséquence d une hétérogénéité des perméabilités des Graves non prise en compte faute de données fiables et/ou d une hétérogénéité de la couche de silts argileux la surmontant. Seule la réalisation d autres pompages d essai, avec des suivis des perturbations dans des piézomètres, permettrait de mieux cerner la variabilité spatiale des propriétés hydrodynamiques des formations aquifères. 24/24

26 Annexe 1 Simulation du pompage d essai (7 figures)

27 Figure 1 : Évolution des rabattements mesurés dans la nappe des Graves et la nappe de la Craie Nappe des Graves Nappe de la Craie 0.1 Rabattement (m) Temps de pompage (s)

28 Figure 2 : Comparaison des rabattements simulés et mesurés dans la nappe des Graves et la nappe de la Craie lors de la simulation de référence Rabattement (m) Rabattements simulés nappe de la Craie (Pz7) Rabattements simulés nappe des Graves (Pz16) Rabattements mesurés nappe de la Craie (Pz7) Rabattements mesurés nappe des Graves (Pz16) Temps de pompage (s)

29 Figure 3 : Comparaison des rabattements simulés et mesurés dans la nappe des Graves et la nappe de la Craie lors de la simulation Rabattement (m) Rabattements simulés nappe de la Craie (Pz7) Rabattements simulés nappe des Graves (Pz16) Rabattements mesurés nappe de la Craie (Pz7) Rabattements mesurés nappe des Graves (Pz16) Temps de pompage (s)

30 Figure 4 : Comparaison des rabattements simulés et mesurés dans la nappe des Graves et la nappe de la Craie lors de la simulation Rabattement (m) Rabattements simulés nappe de la Craie (Pz7) Rabattements simulés nappe des Graves (Pz16) Rabattements mesurés nappe de la Craie (Pz7) Rabattements mesurés nappe des Graves (Pz16) Temps de pompage (s)

31 Figure 5 : Comparaison des rabattements simulés et mesurés dans la nappe des Graves et la nappe de la Craie lors de la simulation Rabattement (m) Rabattements simulés nappe de la Craie (Pz7) Rabattements simulés nappe des Graves (Pz16) Rabattements mesurés nappe de la Craie (Pz7) Rabattements mesurés nappe des Graves (Pz16) Temps de pompage (s)

32 Figure 6 : Comparaison des rabattements simulés et mesurés dans la nappe des Graves et la nappe de la Craie lors de la simulation 4 Rabattement (m) Rabattements simulés nappe de la Craie (Pz7) Rabattements simulés nappe des Graves (Pz16) Rabattements mesurés nappe de la Craie (Pz7) Rabattements mesurés nappe des Graves (Pz16) Temps de pompage (s)

33 Figure 7 : Comparaison des rabattements simulés et mesurés dans la nappe des Graves et la nappe de la Craie lors de la simulation Rabattement (m) Rabattements simulés nappe de la Craie (Pz7) Rabattements simulés nappe des Graves (Pz16) Rabattements mesurés nappe de la Craie (Pz7) Rabattements mesurés nappe des Graves (Pz16) Temps de pompage (s)

34 Annexe 2 Calage en régime hydrodynamique permanent (5 figures)

35 Fiche signalétique Rapport Titre : Projet TRANSPOL Complément de calage du modèle hydrodynamique Numéro : A 23549/A Date d'envoi : Juin 2001 Statut du rapport : Définitif Nombre de pages : 24 Nombre d'annexes dans le texte : 2 Nombre d'annexes en volume séparé : 0 Diffusion (nombre et destinataires) : 3 ex. clients 1 ex. service de documentation 3 ex. (unité) Client Coordonnées complètes : Parc technologique ALATA BP Verneuil-en-Halatte Téléphone : Télécopie : Nom et fonction des interlocuteurs : Melle Claire ROLLIN. Direction des Risques Sol et Sous-Sol ANTEA Unité réalisatrice : Direction Stockages Nom des intervenants et fonction remplie dans le projet : Interlocuteur commercial : Y. BARTHÉLEMY Auteur : B. VIDART Secrétariat : S. DELAROQUE Qualité : Contrôlé par : J. SCHWARTZ Approbateur : M. VANDENBEUSCH (signature) Date :... - Version A... - Version B Traçabilité N du projet : STOP Références et date de la commande : Commande n CNS du 24 avril 2001 Mots clés : ÉTUDE DE SITE, POMPAGE D ESSAI, MODÉLISATION Propriété ANTEA Reproduction interdite IT 05 A/F1