"Mesure de flux variables d’eau souterraine et de contaminants au sein d’aquifères hétérogènes"
Nous avons le plaisir de vous convier à la défense de thèse de Monsieur Pierre Jamin. Celle-ci se déroulera le jeudi 25 avril, à 14h00, dans l'Amphithéâtre Tocqueville, Bâtiment B31.
Cette recherche doctorale a été menée sous la direction de Serge Brouyère.
Résumé
Les eaux souterraines comptent parmi les ressources naturelles les plus importantes de notre planète et nécessitent une gestion et une protection appropriées afin de garantir leur disponibilité pour les générations futures. D’un point de vue qualitatif, anciennes activités industrielles et rejets accidentels récents peuvent impacter localement les eaux souterraines. La gestion de ces aquifères contaminés est traditionnellement basée sur la comparaison des concentrations en contaminants dans l'eau souterraine par rapport à des normes. Cette approche constitue une étape de caractérisation préliminaire nécessaire mais reste insuffisante pour étudier de manière approfondie le comportement des contaminants dans les eaux souterraines et pour quantifier les risques associés.
Au début des années 2000, un consensus a vu le jour parmi les différents acteurs du domaine des aquifères contaminés sur le fait que la gestion de ces aquifères devait reposer sur des approches basées sur des flux de contaminants plutôt que sur des concentrations. En conséquence, il est nécessaire de disposer de techniques permettant de mesurer avec précision les flux massiques de contaminants dans les aquifères. Le calcul du flux massique de contaminants repose généralement sur des mesures de flux d’eau souterraine et de la concentration en contaminants effectuées au niveau de différents puits. La recherche doit donc proposer de nouvelles solutions, méthodes et techniques, notamment en ce qui concerne la mesure des flux d’eau souterraine. Dans ce travail de recherche, la méthode “Finite Volume Point Dilution Method” (FVPDM) est proposée comme méthode innovante de monitoring des flux d’eau souterraine.
La base mathématique ainsi qu'une première solution analytique permettant d’interpréter les expériences FVPDM réalisées dans des conditions d’écoulement en régime permanent avaient déjà été développées et validées sur quelques applications de terrain. Dans cette recherche, un nouveau cadre d'interprétation généralisé pour le monitoring au cours du temps des flux d'eau souterraine par la méthode FVPDM est proposé. Il est basé sur une discrétisation par différences finies de l'équation différentielle FVPDM et permet de calculer les flux d'eau souterraine à partir d'expériences réalisées dans des conditions d'écoulements transitoires.
Dans un premier temps, la méthode FVPDM a été appliquée lors de différentes expériences en laboratoire et sur le terrain afin d’en évaluer toutes les spécifications à savoir sa précision, son exactitude et sa résolution dans des conditions d'écoulements transitoires. Une première expérience en laboratoire sur un modèle réduit d’aquifère a démontré l’exactitude de la FVPDM pour la mesure des flux d'eaux souterraines dans des conditions d'écoulement permanent et transitoire. La différence entre le flux d’eau imposé dans le modèle réduit et le flux d’eau mesuré par FVPDM était de 0,15%. Lors d’une seconde expérience, la FVPDM a été appliquée pour mesurer des flux d’eau souterraine à différentes profondeurs dans un puits foré dans un aquifère fracturé. Cette manipulation a été la première application de la FVPDM dans un aquifère fracturé en utilisant un système de double packers. Une méthode classique de dilution ponctuelle (PDM) a également été utilisée, ce qui a permis de comparer la sensibilité et les incertitudes des deux méthodes. Il a été démontré que la FVPDM fourni des résultats plus précis que la PDM mais peut requérir une durée de mesure plus longue. Une troisième expérience réalisée dans un aquifère alluvial a permis de valider sur le terrain le monitoring des flux d’eau souterraine variables dans un contexte d'écoulement transitoire contrôlé. Cette première série d'expériences a permis de valider la FVPDM en tant que méthode entièrement opérationnelle pour la mesure des flux d'eau souterraine variables.
Dans un second temps, trois applications de la méthode en conditions de terrain réelles ont été effectuées. La première concerne des mesures directes de flux d’eau souterraine dans un aquifère situé dans la zone de pergélisol discontinu au Nunavik, Québec. Ces mesures ont servi de base à un modèle thermo-hydrodynamique d'un bassin affecté d’un phénomène de dégel du pergélisol. Cette application spécifique a démontré la robustesse et la polyvalence de la méthode FVPDM. Lors d'une deuxième application de terrain, la méthode FVPDM a été utilisée dans le cadre de calculs de débits massiques de soluté au sein d'un aquifère alluvial hétérogène dans lequel un soluté a été injecté de façon contrôlée. Différentes méthodes de calcul du débit massique de soluté reposant sur des mesures de flux d'eau souterraine et de concentration en soluté effectuées au niveau de panneaux de contrôles ont été comparées. Dans une troisième expérience, la méthode FVPDM a été utilisée pour la caractérisation d'un aquifère côtier pollué au sein duquel les conditions d'écoulement des eaux souterraines sont fortement transitoires. Les résultats de cette expérience ont permis d'améliorer significativement le modèle conceptuel du site en fournissant des informations cruciales pour l'optimisation des investigations ultérieures et pour la mise en place de mesures d'atténuation des risques.
Au cours de cette thèse, la méthode FVPDM a été appliquée dans un large éventail de conditions : contextes environnementaux différents, setup expérimentaux complexes, milieu poreux et fracturés, puits superficiels et profonds, conditions de laboratoire et de terrain, échelles de temps variables, conditions d’écoulement stationnaires et transitoires. La FVPDM s’est révélée être une méthode robuste et polyvalente qui fournit des données fiables et de haute qualité pour le monitoring des flux d’eau souterraine et de contaminants, même dans des conditions d’écoulements transitoires. D'un point de vue plus général, cette recherche a démontré l'importance de disposer de mesures in situ fiables des flux des eaux souterraines pour tout type d'études hydrogéologiques. Cette recherche prouve une fois de plus l'intérêt de procéder à des mesures de flux massique de contaminants pour la caractérisation des aquifères, pour l'évaluation des risques et pour la conception des mesures visant à réduire ces risques.
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