Stream-aquifer interaction modeling at median-scale: conceptualization, calibration, simulation
Modélisation des échanges nappe-rivière à l'échelle intermédiaire : conceptualisation, calibration, simulation
Résumé
The interactions between surface-water and groundwater are complex and play a significant part in the functioning of the hydrosystems, both in quantitative (low flow support, flood events) and qualitative terms (transport of pollutants from agricultural or industrial origin). These issues are addressed through the characterization and the modeling of stream-aquifer exchanges at median scale [1-10 km], through the case study of the well field of Thil-Gamarde which supplies the city of Bordeaux in drinking water. The well field is crossed by a stream, the Jalle de Saint-Médard, which is a historical vector of pollution.
A first phase is constituted of a theoretical part, aiming to improve the ways of including streams in hydrogeological models from median to regional scale, through a head-dependent flux boundary condition (Cauchy-type). A tool has been developed which allows their integration from prior information on hydrodynamics and geometrics parameters of stream and aquifer, often neglected so far.
The study of Thil-Gamarde’s well field starts with the setting-up of the conceptual model of flow and transport in the aquifer. The considered multidisciplinary approach is constituted of hydrogeological field investigations completed with hydro-chemical and geophysical investigations, which allow the acquisition of prior information on system functioning. A 2D horizontal flow and transport model, in transient condition has then been developed. The model calibration has been performed with the Gauss-Lavenberg Marquardt algorithm implemented in the PEST++ suit code. A Tikhonov-type regularization on prior information of each parameter is carried out so as to regulate the calibration. A mathematical regularization (SVD) has also been lead. The transport calibration step through the resolution of the advective-dispersive equation is too time consuming. To overcome this issue, a fast surrogate model of advective transport with particle tracking has been developed. As the outcome of this calibration step, parametric and predictive uncertainty of the model has been completed by linear analysis and the method of the Null-Space Monte Carlo.
Finally, some prospective management scenarios have been evaluated, so as to answer to the main stress of reducing stream water in pumping wells.
Les interactions entre les eaux souterraines et les eaux de surface sont
complexes et jouent un rôle prépondérant dans le fonctionnement des
hydrosystèmes, tant en termes quantitatifs (soutien des étiages, évènements
de crues) que qualitatifs (transport de polluants d’origines agricole
ou industrielle). Ces problématiques sont abordées à travers la caractérisation
et la modélisation des échanges nappe-rivière à l’échelle
intermédiaire [1-10km] avec pour objet d’étude le champ captant de
Thil-Gamarde qui alimente la métropole de Bordeaux en eau potable.
Ce champ captant est traversé par un cours d’eau, la Jalle de Saint-
Médard, vecteur historique de pollutions. L’objectif principal de ces
recherches, réalisées dans le cadre d’un projet de recherche intitulé
MHYQADEAU, est de proposer un outils d’aide à la gestion de la
ressource en eau.
Une revue bibliographique des méthodes d’étude des échanges napperivière
fait état de la rareté des méthodes disponibles à l’échelle intermédiaire,
et met en avant la nécessité d’employer la modélisation,
conjointe à des mesures de terrain, pour étendre l’information locale
à l’échelle intermédiaire.
Ainsi, une première phase est constituée d’un volet théorique, visant à
améliorer les modalités d’intégration des rivières dans les modèles hydrogéologiques
de l’échelle intermédiaire à régionale. Les rivières sont
généralement modélisées par l’intermédiaire d’une condition de type
Cauchy. Ce type de condition est basé sur une valeur de conductance
(Coefficient RIVière, CRIV). La difficulté majeure étant la détermination
d’une valeur cohérente du CRIV, paramètre qui intègre plusieurs
phénomènes physiques. Un outil a été développé pour estimer cette
valeur à partir d’informations sur les paramètres hydrodynamiques et
géométriques de la nappe et de la rivière. Cet outil consiste en un
modèle conceptuel réalisé avec le code de calcul SUTRA, à l’échelle
locale d’une section d’aquifère en relation avec une rivière. Contrairement
aux autres approches utilisées jusqu’à présent pour obtenir
CRIV, la méthode proposée prend en compte la taille du maillage, et
l’anisotropie de conductivité hydraulique de l’aquifère. Une analyse
de sensibilité globale indique la forte sensibilité de ces paramètres sur
le CRIV. La valeur du CRIV obtenue est assortie d’une distribution
probabiliste a priori et peut constituer une valeur initiale et de régularisation
pour la calibration d’un modèle d’intéraction nappe-rivière.
L’étude du champ captant de Thil-Gamarde, qui constitue le coeur de
ce travail de thèse, débute avec l’établissement d’un modèle conceptuel
des écoulements et du transport en nappe. Cette partie est fondée essentiellement
sur des travaux de terrain visant à acquérir un maximum
d’informations sur la zone d’étude. L’approche multidisciplinaire envisagée
est constituée de travaux hydrogéologiques complétés par des
travaux hydro-chimiques et géophysiques réalisés en parallèle. L’ensemble
des ces études ont permis i) de décrire un contexte structural
fortement hétérogène, ii) de mettre en place un réseau de suivi hydrogéochimique,
iii) de définir les rapports de mélange nappe-rivière en
chacun des points d’observation, et iv) d’obtenir de l’information a
priori sur les propriétés hydrodynamiques de l’aquifère et du lit de la
rivière.
Un modèle 2D horizontal en régime transitoire élaboré avec les codes
de calculs MODFLOW pour l’écoulement et MT3DMS pour le transport,
a été construit. Les propriétés hydrodynamiques de l’aquifère,
transmissivité et coefficient d’emmagasinement, sont paramétrisées à
travers un grand nombre de points pilotes. La calibration du modèle
est réalisée avec l’algorithme de Gauss-Levenberg Marquardt implémenté
dans la suite PEST++. La calibration des paramètres du
modèle est réalisée vis-à-vis des chroniques de charge hydraulique mesurées
en différents points de l’aquifère ainsi que sur les rapports de
mélange nappe-rivière aux ouvrages de production, déduit des campagnes
géochimiques. Une régularisation de type Tikhonov sur les
valeurs a priori de chaque paramètre est effectuée pour contraindre la
calibration. Elle a également été accompagnée par une régularisation
mathématique (SVD).
L’étape de calibration des rapports de mélange nappe-rivière simulée
avec MT3DMS nécessite des temps de calculs importants. Pour pallier
ce problème, un modèle équivalent, rapide, de transport advectif
avec le suivi de particules a été développé avec MODPATH. Cette méthode
se base sur le décompte de particules semées depuis un point
de production (puits) jusqu’à sa source (rivière) (backward particle
tracking).
L’étape de calibration avec régularisation est menée conjointement sur
les modèles d’écoulement et de transport. A l’issue de cette phase de
calibration l’estimation des incertitudes paramétriques et prédictives
du modèle est conduite par analyse linéaire et méthode du Null Space
Monte Carlo (NSMC).
Enfin, quelques scénarios prédictifs de gestion sont présentés afin de
répondre à la contrainte majeure de la réduction des proportions d’eau
de rivière dans les ouvrages de production.
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