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1 / I r ' f Détermination du débit d'exploitation des forages d'eau de - Duchassaing, Blanchard et Celcourt destinés à l'aep à l'aide du modèle hydrodynamique des écoulements souterrains de Grande-Terre Rapport finaf BRGM/RP FR Janvier 2010 brgm Géosciences pour une Terre durable

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3 Détermination du débit d'exploitation des forages d'eau de Duchassaing, Blanchard et Celcourt destinés à I'AEP à l'aide du modèle hydrodynamique des écoulements souterrains de Grande-Terre Rapport final BRGM/RP FR janvier 2010 V. Hamm Vérificateur : Nom : Thiéry Dominique Date : 19/01/2010 Signature : Approbateur : Nom : Jean-Marc Mompelat Date : 19/01/2010 Signature : En l'absence de signature, notamment pour les rapports diffusés en version numérique, l'original signé est disponible aux Archives du B R G M. Le système de management de la qualité du BRGM est certifié AFAQ ISO 9001:2000. brgm Géosciences pour une Terre durable M2O3SÜUP -

4 Mots clés : forage d'eau, débit d'exploitation, rabattement, biseau salé, modèle hydrodynamique, Guadeloupe En bibliographie, ce rapport sera cité de la façon suivante : Hamm V. (2010) - Détermination du débit d'exploitation des forages d'eau de Duchassaing, Blanchard et Celcourt destinés à l'aep à l'aide du modèle hydrodynamique des écoulements souterrains de Grande-Terre. BRGM/RP FR. BRGM, 2010, ce document ne peut être reproduit en totalité ou en partie sans l'autorisation expresse du BRGM.

5 Détermination du débit d'exploitation des forages d'eau de Duchassaing, Blanchard et Celcourt Synthèse A la demande du SIAEAG (Syndicat Intercommunal d'alimentation en Eau et d'assainissement de Guadeloupe) le BRGM est chargé de réaliser des simulations afin de déterminer le meilleur mode d'exploitation pour trois forages d'eau destinés à l'aep par utilisation du modèle des écoulements souterrains de Grande-Terre réalisé en 2007 et cofinancé par la région Guadeloupe et la DIREN. Les simulations ont été réalisées sur la base des données disponibles de 1985 à 2005, données à partir desquelles a été calé le modèle élaboré en Par ailleurs afin de prendre en compte le rabattement dû aux caractéristiques propres de l'ouvrage, les résultats des essais de débit par palier réalisés par ANTEA ont été utilisés pour déterminer les pertes de charge additionnelles dans chaque ouvrage. Pour les forages d'eau de Duchassaing et Blanchard, deux seuils de rabattement maximum ont été étudiés, un seuil à la cote de 0 m NGG (niveau de la mer) et un seuil à la cote 0.5 m NGG pour avoir une sécurité supplémentaire vis-à-vis d'une salinisation possible de l'ouvrage. Pour le forage de Celcourt situé plus à l'intérieur des terres, le seuil de rabattement maximum a été pris à la cote estimée de la crépine car la cote de fond de cet ouvrage est bien supérieure au niveau de la mer contrairement aux ouvrages précédents qui sont crépines sous le niveau de la mer. Les résultats des simulations montrent que le débit conduisant à un rabattement à la cote de 0 m NGG est de 56 m^lh pour Duchassaing et de 46 m^/h pour Blanchard. Ce dernier est de respectivement 24 mvh et 20 m^/h dans le cas d'un seuil pris à 0.5 m NGG. Ce rabattement correspond à la somme du rabattement dû à l'ouvrage et du rabattement dû à la nappe. Dans le cas particulier du puits Celcourt, le débit à ne pas dépasser pour ne pas dénoyer la crépine est de 50 m^/h. Le modèle avec les débits d'exploitation proposés ne montre pas d'élévation significative du biseau salé à proximité des forages. Néanmoins comme il n'existe actuellement pas de données de contrôle sur la position «réelle» du biseau, et compte tenu de la zone de mélange non simulée par le modèle, il est fortement recommandé d'initier des essais de débit de longues durées avec suivi de la conductivité de la nappe afin de valider ou invalider les débits proposés issus de l'utilisation du modèle BRGM/RP FR - Rapport final -3 -

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7 Détermination du débit d'exploitation des forages d'eau de Duchassaing, Blanchard et Celcourt Sommaire 1. Introduction OBJECTIF DE LA PRESENTE NOTE RAPPEL DU MODELE HYDRODYNAMIQUE REALISE EN Simulations des débits exploitables pour les trois forages d'eau APPROCHE UTILISEE RESULTATS DES SIMULATIONS Conclusions et recommandations Bibliographie 17 Liste des illustrations Figure 1 : Diagramme de calcul de la charge réelle dans l'ouvrage 10 Figure 2 : Profils ouest-est et sud-nord de la charge hydraulique dans le modèle et de la position du biseau sur une distance de 1 km autour du forage de Duchassaing representé par la ligne pointillée 12 Figure 3 : Profils ouest-est et sud-nord de la charge hydraulique dans le modèle et de la position du biseau sur une distance de 1 km autour du forage de Blanchard representé par la ligne pointillée 13 Liste des annexes Annexe 1 Résultats des simulations 19 BRGM/RP FR - Rapport final -5

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9 Détermination du débit d'exploitation des forages d'eau de Duchassaing, Blanchard et Celcourt 1. Introduction 1.1. OBJECTIF DE LA PRESENTE NOTE Le BRGM est sollicité par le SIAEAG (Syndicat Intercommunal d'alimentation en Eau et d'assainissement de Guadeloupe) pour émettre un diagnostic sur l'utilisation des forages d'eau de Duchassaing, Blanchard et Celcourt dans le cadre de la démarche de régularisation de ces derniers. L'objectif visé est de déterminer le débit d'exploitation (débit fictif journalier sur une durée de 24 h) pour lequel le niveau dynamique de la nappe reste supérieur à la cote des 0.5 m NGG (au minimum 0 m NGG) pour minimiser le risque de salinisation des forages. Dans le cas particulier du forage de Celcourt, dont la cote du fond de puits se situe au-dessus du seuil critique de salinisation (5.7 m NGG), le calcul du débit d'exploitation a été réalisé par rapport à la cote estimée de la crépine soit 9.5 m NGG (prise à 2/3 du niveau d'eau moyen dans le puits) afin de ne pas dénoyer cette dernière. Réserves : nous rappelons que le modèle n'a pas été calé ni validé sur la position de l'interface eau douce-eau salée, il n'a donc a priori pas de caractère prédictif pour la position de cette interface RAPPEL DU MODELE HYDRODYNAMIQUE REALISE EN 2007 Un modèle hydrodynamique des écoulements de la nappe avec calcul de l'interface eau douce - eau salé a été réalisé en 2007 avec le code de calcul MARTHE du BRGM, et cofinancé par la Région Guadeloupe et la DIREN. Le calcul du biseau salé est réalisé suivant une approche multiphasique avec une phase eau douce surmontant une phase eau salée plus dense. Cette approche considère donc une interface abrupte sans zone de mélange entre les deux fluides de densité fixée. C'est donc une approche «simplificatrice» par rapport à un modèle 3D à densité variable où l'on considère un fluide dont la densité varie en fonction de la concentration en chlorures. Cette approche utilisée est avantageuse pour un modèle d'aide à la gestion de la ressource car le modèle résultant est plus souple d'utilisation d'une part, et plus complet qu'un simple modèle hydrodynamique d'autre part, puisque qu'il simule la profondeur du biseau et son évolution dans le temps en fonction des sollicitations externes (recharge, prélèvements). Le modèle a été calé à partir de 46 points de référence piézométrique sur la période de à Néanmoins aucune information de contrôle n'existe sur la position du biseau pendant cette période. Le modèle prend en compte les prélèvements AEP, industriels et agricoles. Le modèle maillé a donc été utilisé pour évaluer le rabattement de la nappe. Néanmoins, afin de tenir compte des caractéristiques propres des trois ouvrages qui ne sont pas directement intégrées dans le modèle (diamètre du puits, ouverture des crépines, diamètre tubages, etc.), il a été rajouté au rabattement dans la nappe un rabattement supplémentaire prenant en compte le diamètre réel de l'ouvrage ainsi que le rabattement dû aux pertes de charge singulières dans l'ouvrage estimé lors d'essais de débit par palier par l'étude d'antea de septembre 2007 (cf. rapport A47363) BRGM/RP FR - Rapport final -7

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11 Détermination du débit d'exploitation des forages d'eau de Duchassaing, Blanchard et Celcourt 2. Simulations des débits exploitables pour les trois forages d'eau 2.1. APPROCHE UTILISEE Le diagramme de la figure 1 résume la méthodologie utilisée afin de déterminer un débit d'exploitation fictif journalier (en m^/h pendant 24h). Une première simulation est réalisée afin de déterminer le niveau «statique» aux trois forages en faisant un calcul en régime permanent avec une infiltration moyennée sur la période de 1985 à 2005 à partir des données du modèle hydrodynamique de 2007 et avec des prélèvements moyens (moyenne sur 2000 à 2005) sur les autres forages. Ce calcul permet de déterminer la charge moyenne de la nappe dans la maille contenant les forages exprimée en m NGG ainsi que la position du biseau correspondante. Les simulations suivantes consistent à calculer la charge d'eau douce et la position relative du biseau pour différents débits appliqués à la maille où se situe chacun des forages d'eau. La transmissivité au puits est alors déduite comme étant le produit de la perméabilité multipliée par l'épaisseur d'eau douce. II est alors possible de déterminer un rabattement supplémentaire du fait du diamètre du puits qui est largement inférieur à la taille de maille du modèle. Cette correction est d'autant plus importante que le débit est grand et que la transmissivité est faible. Enfin au rabattement dans la nappe il convient d'ajouter également les pertes de charge additionnelles liées à l'ouvrage et estimées lors d'essais de pompage par palier réalisés par ANTEA en Au final la charge réelle dans le puits correspond à la charge initiale sans pompage moins la somme des rabattements dus à la nappe et à l'ouvrage lui-même. Ces calculs sont réalisés en régime permanent afin d'avoir la charge et le biseau équilibrés. Un calcul en transitoire est ensuite effectué afin de déterminer le temps de mise à l'équilibre du système. Par ailleurs afin de mieux encadrer les débits d'exploitation issus du modèle, le même calcul a été réalisé avec une perméabilité autour du forage divisée par 5 (hypothèse volontairement pessimiste) pour étudier la sensibilité de la nappe. Les différents résultats des simulations sont présentés dans le tableau en annexe 1. Pour un débit fictif journalier donné sont donc calculés: o Le rabattement dû aux pertes de charge dans l'ouvrage (calcul à partir des coefficients des pertes de charge quadratiques estimés à partir des essais par palier réalisés par ANTEA), G Le rabattement dans la maille du modèle, G La charge hydraulique sur la maille du modèle qui correspond au débit prélevé sur cette maille sans tenir compte du rayon du puits, o La position de l'interface eau douce - eau salée, G La transmissivité (fonction de l'épaisseur saturée en eau douce), G Le rabattement supplémentaire dû au rayon du puits qui est inférieur à la taille de la maille du modèle, BRGM/RP FR - Rapport final -9

12 Détermination du débit d'exploitation des forages d'eau de Duchassaing, Blanchard et Celcourt o o o Le rabattement de la nappe au puits, Le rabattement total {nappe plus ouvrage) La charge hydraulique corrigée prenant en compte l'ensemble des rabattements. Modèle hydrodynamique Essais de débit par palier {ANTEA) Charge eau douce Interface eau douce - eau salée Transmïssivité (perméabilité multipliée par l'épaisseur saturée d'eau douce Pertes de charges singulières dans l'ouvrage Correction rabattement Fonction (débit, transmissivité, taille de la maille du modèle, rayon réel du puits) Calcul de la charge réelle dans l'ouvrage Figure 1. Diagramme de calcul de la charge réelle dans l'ouvrage 2.2. RESULTATS DES SIMULATIONS Pour le puits Celcourt, le rabattement maximal admissible a été étudié par rapport au niveau estimé de la crépine soit 9.5 m NGG. Un débit de 50 m 3 /h permet de ne pas dénoyer la crépine (niveau dynamique quasi équilibré à 9 4 m NGG). Un débit plus grand de 100 m 3 /h donnerait une charge hydraulique de 6.2 m NGG ce qui correspondrait à un ouvrage quasi-dénoyé (fond de l'ouvrage à 5.7 m NGG). L'analyse de sensibilité sur la perméabilité au droit du puits montre qu'en divisant cette dernière par un facteur 5 on aboutit à un rabattement de la nappe de 1.54 m au lieu de 1.39 m, soit 15 cm supplémentaire. Mais comme la charge initiale est aussi plus grande (de 11 cm) du fait que le milieu soit moins perméable, au final pour le même débit, on trouve une charge BRGM/RP FR - Rapport final -10 -

13 Détemiination du débit d'exploitation des forages d'eau de Duchassaing, Blanchard et Celcourt de 9.36 m NGG assez voisine. La charge d'eau douce étant relativement élevée dans cette zone, toute l'épaisseur du milieu est saturée en eau douce, il n'y a pas de biseau salé dans la zone du forage. Pour le puits de Duchassaing, le rabattement maximal admissible est étudié pour la cote de 0 m NGG et 0.5 m NGG afin de tenir compte d'une sécurité supplémentaire vis-à-vis du risque de salinisation de l'ouvrage. Ces cotes sont obtenues respectivement pour un débit de 56 m^/h et 24 m^/h. L'analyse de sensibilité sur la perméabilité au puits montre, qu'en divisant cette dernière par un facteur 5, pour retrouver les cotes minimales admissibles équivalentes de 0 m NGG et 0.5 m NGG, il faudrait respectivement diminuer le débit à 44 mvh et 20 mvh. Selon le modèle, la position du biseau serait stabilisée à -29 m NGG (1.9 m plus haut par rapport à sa position initial) pour un débit de 24 m^/h et à m NGG (4.2 m plus haut) pour un débit de 56 m^/h. Ces valeurs sont à prendre avec précaution du fait que la position «réelle» du biseau n'a pas été mesurée. La figure 2 montre par le biais de deux profils (ouest-est et sud-nord) les variations de la charge hydraulique sur la maille où est localisée le forage et à 1 biseau. km avoisinant ainsi que celles équivalentes pour le Pour le puits de Blanchard, la même analyse que pour le puits Duchassaing a été réalisée. Les résultats obtenus sont un débit de 20 m% pour un rabattement à la cote 0.5 m NGG et un débit de 46 m^ih pour un rabattement à la cote de 0 m NGG. L'analyse de sensibilité de la perméabilité sur ce forage montre peu de variation sur le niveau dynamique de la nappe, on retrouve des débits quasi identiques. On remarquera que pour cet ouvrage le rabattement dû aux pertes de charge dans l'ouvrage est relativement important comparé au rabattement dans la nappe. La position calculée du biseau est alors de m NGG pour un débit de 20 m%, soit une remontée de 30 cm, et de m NGG pour un débit de 46 m%, soit une remontée de 80 cm. Pour cet ouvrage les variations dans la nappe ainsi que celles du biseau sont limitées (cf. figure 3). C'est principalement l'état de l'ouvrage qui explique à lui seul la variation de charge observée au puits. Un calcul réalisé en transitoire montre que le temps d'équilibre de la charge d'eau douce et du biseau est très long, l'état du régime permanent aux puits Duchassaing et Celcourt n'est pas atteint après un an de calcul, ce qui tendrait à démontrer que le système est fortement inertiel. BRGM/RP FR - Rapport final -1 1

14 Détermination du débit d'exploitation des forages d'eau de Duchassaing, Blanchard et Celcourt Ô z E 0.65 CD 0) T3 O a Charge initiale Charge Q=24 m3/h -- Charge Q=56 m3/h - Ù Position biseau initiale * Biseau salé Q=24m3/h -A- Biseau salé Q=56 m3/h fc^-tv-ar-... > - ^ ^S -H ^ " _ ^ - ~ * ^. " " " B B Ü (3 ro - -2R * la D) ro O 0.55 m i^ ~~^m-"" m " " A *- A o a Ouest X Lambert (km) Est 1.2 Ü g 1-.E * 0.8 o E o 0.6- O 0.4 / «I Sud \.-_^-3! Y Lambert (km)... -LZJ^H en J» to Ol Ol Ut Position biseau (m NGG) -65 Nord Figure 2 : Profils ouest-est et sud-nord de la charge hydraulique dans le modèle et de la position du biseau sur une distance de 1 km autour du forage de Duchassaing representé par la ligne pointillée BRGM/RP FR - Rapport final -12 -

15 Détermination du débit d'exploitation des forages d'eau de Duchassaing, Blanchard et Celcourt O 0.66 E J D 0.62 Q) 0.6 Ü Ouest -Charge initiale Charge Q=24 m3/h -- Charge Q=56 m3/h Position biseau initiale Biseau salé Q=24 m3/h -A - Biseau salé Q=56 m3/h X Lambert (km) Ô -28 z E. -29 a S co -31 : s o Q Est C CD z E en n S c o OQ Sud Y Lambert (km) -33 Nord Figure 3 : Profils ouest-est et sud-nord de la charge hydraulique dans le modèle et de la position du biseau sur une distance de 1 km autour du forage de Blanchard representé par la ligne pointillée BRGM/RP FR - Rapport final -13 -

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17 Détermination du débit d'exploitation des forages d'eau de Duchassaing, Blanchard et Celcourt 3. Conclusions et recommandations Les conclusions et recommandations qui résultent de l'utilisation du modèle hydrodynamique sont les suivantes : > Pour l'exploitation du puits Celcourt, la profondeur du forage étant bien au-dessus du niveau de la mer, le seuil critique utilisé afin de déterminer le débit d'exploitation maximal a été pris au niveau estimé de la crépine afin de ne pas dénoyer cette dernière. Le débit d'exploitation estimé (débit fictif journalier sur une durée de 24 h) qui tient compte des caractéristiques propres de l'ouvrage (diamètre, pertes de charge quadratiques) est de 50 mvh. > Pour le forage de Duchassaing, deux seuils de rabattement du niveau d'eau au puits ont été simulés, le premier à la cote minimale de 0 m NGG (niveau de la mer) obtenu pour un débit d'exploitation de 56 mvh et le second à la cote minimal de 0.5 m NGG obtenu pour un débit de 24 m'/h. Le second seuil permet de garder une marge de sécurité vis-à-vis d'une éventuelle salinisation. > Pour le forage de Blanchard, les résultats obtenus sont un débit d'exploitation de 46 m^/h pour un rabattement stabilisé à la cote 0 m NGG et un débit de 20 m'/h pour un rabattement à la cote 0.5 m NGG. > Le modèle avec les débits d'exploitation proposés ne montre pas d'élévation significative du biseau salé à proximité des forages. Néanmoins comme il n'existe actuellement pas de données de contrôle sur la position «réelle» du biseau, et compte tenu de la zone de mélange non simulée par le modèle, il est fortement recommandé d'initier des essais de débit de longues durées avec suivi de la conductivité de la nappe afin de valider ou invalider les débits proposés issus de l'utilisation du modèle. BRGM/RP FR - Rapport final -15

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19 Détemiination du débit d'exploitation des forages d'eau de Duchassaing, Blanchard et Celcourt 4. Bibliographie HAMM V., THIÉRY D, AMRAOUI. N, BEZELGUES-COURTADE S. (2007) - Modélisation hydrodynamique diphasique des écoulements souterrains de Grande-Terre. Rapport BRGM/RP FR, juin Etude de la productivité des forages AEP exploités par le SIAEAG en Grande Terre (GUADELOUPE) Diagnostic physique des ouvrages et définition des conditions optimales d'exploitation. Rapport ANTEA A version 2, septembre THIÉRY, D., (1990) - MARTHE. Modélisation d'aquifères par maillage Rectangulaire en régime Transitoire pour le calcul Hydrodynamique des Écoulements. Version 4.3. Rapport BRGM 4S/EAU n R Fiches descriptives des ouvrages (BSS) BRGM/RP FR - Rapport final -17 -

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21 Détermination du débit d'exploitation des forages d'eau de Duchassaing, Blanchard et Celcourt Annexe 1 Résultats des simulations BRGM/RP FR - Rapport final -19 -

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23 - Détemiination du débit d'exploitation des forages d'eau de Duchassaing, Blanchard et Celcourt Ouvrage Débit (m3/h) Rabattement dû à l'ouvrage (m) Rabattement dans la maille de 200 m de coté (m) Charge hydraulique dans la maille (m NGG) Position de l'interface eau Transmissivité douce -eau salée (m NGG) (m2/s) Rabattement supplémentaire (prise en compte du rayon du puits) (m) Rabattement nappe (m) Rabattement total (nappe + ouvrage) (m) Charge hydraulique corrigée (m NGG) ICelcourt Duchassaing IBIanchard k/5 Celcourt Duchassaing Blanchard BRGM/RP FR - Rapport final -21

24 Géosciences pour une Tere durable brgm Centre scientifique et technique Service géologique régional de Guadeloupe 3, avenue Claude-Guillemin Houëlmont BP Route de l'observatoire Orléans Cedex 2 - France Gourbeyre - Guadeloupe Tél. : Tél. :