fonctionnements hydrodynamiques transitoires

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Apport d’une approche couplée physique et chimie des eaux souterraines pour l’analyse des fonctionnements hydrodynamiques transitoires. Cas de la plaine du Forez.

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Apport d’une approche couplée physique et chimie des eaux souterraines pour caractériser la diversité des fonctionnements hydrodynamiques transitoires. Cas de la plaine du Forez.:

Géo-environnement Jordan Ré-Bahuaud Réunion de travail Angers – 21 et 22 novembre 2012 Apport d’une approche couplée physique et chimie des eaux souterraines pour caractériser la diversité des fonctionnements hydrodynamiques transitoires. Cas de la plaine du Forez. Union européenne Fonds européen de développement régional (FEDER) 1

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Jordan Ré-Bahuaud 2 Assistance méthodologique: M. Batton-Hubert; D. Graillot; D. Mimoun; C. Renac (UJM); Y. Rossier (LTHE) Equipe terrain: J. Villot; G. Bouron; C. Retrus; A. Da Silva; F. Catimel; S. Lefebvre. Modélisation des ressources en eau Apport d’une approche couplée physique et chimie des eaux souterraines pour l’analyse des fonctionnements hydrodynamiques transitoires. Cas de la plaine du Forez. Modélisation des ressources en eau Jordan Ré-Bahuaud Cadre: PLGN Plan Loire Grandeur Nature (plate-forme RDI)

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Modélisation des ressources en eau Sommaire I- Présentation du site d’étude II- Problématique, objectif et méthodologie du travail de thèse III- Mise en œuvre de la méthodologie de caractérisation hydrodynamique De l’observation piézométrique aux hypothèses de fonctionnement hydrodynamique Mise en œuvre des expériences numériques 2D coupes Intégration de la dimension géochimique (objectifs de caractérisation et choix de la méthode) IV- Résultats Approche physique Approche chimique V – Conclusions et perspectives 3

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Cara ctéristiques de la plaine du Forez : - 750 km² (environ 40 km de long sur 20 km de large), massifs cristallins du Forez à l’Ouest et monts du Lyonnais à l’Est - Zone en plein développement démographique et économique dont l’activité agricole est intense - Conflits d’usage (Irrigation, AEP) - SAGE Loire en Rhône-Alpes I- Présentation du site d’étude Contexte géographique 4

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Objectif: Assurer une gestion durable et équilibrée de la ressource en eau souterraine Diagnostic SAGE Loire: Nappe sensible aux risques de sécheresse (étiage sévère) Faible épaisseur de la nappe superficielle Fleuve sensible aux crues (nov 2008: 3000 m 3 /s) Incision du lit de la Loire et relations nappe/rivière Vulnérabilité aux pollutions agricoles et urbaines Connaissances éparses du fonctionnement de l’hydrosystème Usages: AEP, Irrigation, Industriel  conflits d’usage coupe d’une formation alluviale aquifère (gravière) Photo : G. Bouron I- Présentation du site d’étude Objectifs de gestion 5

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Kilomètres L’Anzieux La Coise Le Lignon Le Vizézy Le Furan La Loire Chalain-le-Comtal Cleppé Montrond-les-Bains Saint-Galmier Villes principales Traits de coupe Sélection d’affluents Piézomètres de suivi A B Légende carte Socle I aire (Socle cristallin) Sédiments III aire (sables-argileux) Alluvions Anciennes IV aire (sablo-graveleux) Alluvions Récentes IV aire (sablo-graveleux) I- Présentation du site d’étude Contexte géologique et hydrogéologique 6

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Modélisation des ressources en eau Sommaire I- Présentation du site d’étude II- Problématique, objectif et méthodologie du travail de thèse III- Mise en œuvre de la méthodologie de caractérisation hydrodynamique De l’observation piézométrique aux hypothèses de fonctionnement hydrodynamique Mise en œuvre des expériences numériques 2D coupes Intégration de la dimension géochimique (objectifs de caractérisation et choix de la méthode) IV- Résultats Approche physique Approche chimique V – Conclusions et perspectives 7

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Sources : - Bases de données nationales (BD Alti, ADES, BSS, Infoterre, Carthage, etc.), - Anciennes études hydrogéologiques (CPGF, BRGM, SOGREAH, EMSE, UJM, etc.), - Nouvelles campagnes hydrogéologiques d’acquisition (233 puits sondés). Synthèse des données brutes : Géométrie des formations aquifères et niveaux piézométriques, Singularités hydrogéologiques (pompages, rivières, drain, zone de recharge, …), Propriétés hydrodynamiques (perméabilité et coefficient d’emmagasinement). Imprécisions (pouvant atteindre 5 m en altitude), Inégale densité et répartition spatiale des données. Synthèse des données interprétées : Cartes piézométriques BE, HE, Carte résistivité, Carte substratum, Résultats de modèles déterministes ( Balbigny , Bonson et Feurs). Inégale répartition spatiale des données interprétées, Vision statique du problème hydrogéologique (régime permanent des écoulements), Contradictions entre différentes études. 8 TV Argiles sableuses Sables argileux Sables fins Sables argileux Argiles 1.0 - 3.0 - 5.0 - 9.0 - 11.5 - 24.5 - Log forage Sables grossiers et graviers (formation aquifère) II- Problèmes, objectifs et méthodologie Synthèse de l’existant

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Bilan : Connaissance éparse, incomplète et statique du fonctionnement hydrogéologique, Modélisation des écoulements transitoires à l’échelle de la plaine du Forez difficilement envisageable. Problématique scientifique : Comment dans un contexte pauvre en données et en connaissances peut-on améliorer significativement la compréhension du fonctionnement de l’ hydrosystème ? Objectifs du travail de thèse : Mise en œuvre d’une méthodologie permettant de caractériser la diversité des fonctionnements hydrodynamiques transitoire des aquifères superficiels, Mise en évidence des interactions entre les aquifères profonds et superficiels dans un hydrosystème complexe. Méthodologie : Modélisation physique transitoire des écoulements (coupes transversales), Acquisition et interprétation de données géochimiques (Ions majeurs, δ 18 0, δ 2 H, δ 13 C et A 14 C). II- Problématique, objectifs et méthodologie 9 Coupe d’un affleurement d’alluvions en bord de Loire Craintilleux (42) Photo : R. Déchomets

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II- Problématique, objectifs et méthodologie Méthodologie générale 10

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Modélisation des ressources en eau Sommaire I- Présentation du site d’étude II- Problématique, objectif et méthodologie du travail de thèse III- Mise en œuvre de la méthodologie de caractérisation hydrodynamique De l’observation piézométrique aux hypothèses de fonctionnement hydrodynamique Mise en œuvre des expériences numériques 2D coupes Intégration de la dimension géochimique (objectifs de caractérisation et choix de la méthode) IV- Résultats Approche physique Approche chimique V – Conclusions et perspectives 11

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III- Mise en œuvre de la méthodologie de caractérisation hydrodynamique De l’observation piézométrique aux hypothèses de fonctionnement 12 - Corrélation avec précipitations - Cycle saisonnier (BE et HE) - Pas de corrélation avec précipitations - Pas de cycle saisonnier apparent (BE et HE)

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B III- Mise en œuvre de la méthodologie de caractérisation hydrodynamique Mise en œuvre des expériences numériques 2D coupes OUTPUT : river Loire Discharge zone (BC RIVER) OUTPUT : Seepage face (BC DRAIN) INPUT : Recharge from rainfall (BC RECHARGE) NO FLOW A B Physical properties : Quaternary alluvium 10 -3 < K < 5.10 -4 m.s -1 0.05 < Sy < 0.1 % 10 -5 < Ss < 10 -4 m -1 Tertiary sediments 10 -8 < K < 10 -7 m.s -1 10 -5 < Sy < 10 -4 % 10 -7 < Ss < 10 -6 m -1 13 Irregular grid with approximately 22000 mesh

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III- Mise en œuvre de la méthodologie de caractérisation hydrodynamique Intégration de la dimension géochimique 14 Objectifs de la caractérisation géochimique :  Chimie des eaux (IS, TDS, PCO 2 , NO 3 - ) et fractionnement en isotopes stables ( 13 C, 18 O, 2 H) permettant : - Caractérisation interactions eau-atmosphère-sol-roche, - Caractérisation mélanges entre eaux d’origines différentes (par ex: apports profonds).  Activité des isotopes radioactifs ( 14 C), deux situations possibles : - Datation absolue (si pas de mélange) - Datation relative (si mélange) ? ? ? ? ? ? ? ? ?  Déterminer l’origine de la recharge des aquifères superficiels

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Modélisation des ressources en eau Sommaire I- Présentation du site d’étude II- Problématique, objectif et méthodologie du travail de thèse III- Mise en œuvre de la méthodologie de caractérisation hydrodynamique De l’observation piézométrique aux hypothèses de fonctionnement hydrodynamique Mise en œuvre des expériences numériques 2D coupes Intégration de la dimension géochimique (objectifs de caractérisation et choix de la méthode) IV- Résultats Approche physique Approche chimique V – Conclusions et perspectives 15

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Loire Vizézy Chalain Montrond Equipotentielle 5 m Suivi piézométrique superficiel continu + datation? Datation des eaux profondes Ligne d’écoulement avec isochrones 1000 ans Z X IV- Résultats Approche physique des écoulements (régime permanent) 16

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2009 2010 2007 2008 2006 IV- Résultats Approche physique des écoulements (régime transitoire) 17 Montrond/Cleppé Critère de Nash : 51 Impact des pompages? Arrêt de l’exploitation AEP (Montrond)

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IV- Résultats Approche physique des écoulements (régime transitoire) 18 Chalain/Saint-Galmier Critère de Nash : 77

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IV- Résultats Approche chimique des écoulements (analyse en ions majeurs) 19  Pas de mise en évidences d’échanges entre compartiments aquifères à partir de l’analyse en ions majeurs

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A 14 C en PCM δ 13 C en ‰ v-PDB δ 18 O en ‰ v-SMOW δ 2 H en ‰ v-SMOW PCO 2 (eq. Atm.) IS calcite NO 3 - (mg/L) TDS Chalain-le-Comtal 103.7 ± 0.6 -18.88 ± 0.1 -8.4 ± 0.1 -58.5 ± 0.1 0.04506 -0.39 3.7 813 Cleppé 105.7 ± 0.5 -24.05 ± 0.1 -9.44 ± 0.1 -67.1 ± 0.1 0.05383 -1.05 < 1 390 Montrond-les Bains 97 ± 0.5 -19.46 ± 0.1 -8.46 ± 0.1 -59.2 ± 0.1 0.0147 -0.62 49.6 491 St-Galmier 28.1 ± 0.3 -9.03 ± 0.1 -8.84 ± 0.1 -55.5 ± 0.1 0.09367 -1.46 26.1 440 IV- Résultats Approche chimique des écoulements (indices géochimiques) 20

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IV- Résultats Approche chimique des écoulements (indices géochimiques) 21 COMPOSANTE PROFONDE (située entre 50 et 200 m) COMPOSANTE SUPERFICIELLE CAPTIVE COMPOSANTE SUPERFICIELLE LIBRE

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IV- Résultats Approche chimique des écoulements (conséquences hydrogéologiques) 22 MELANGE ENTRE COMPOSANTES : - SUPERFICIELLE CAPTIVE ≈ 25 % - PROFONDE ≈ 75 % COMPOSANTE SUPERFICIELLE CAPTIVE MELANGE ENTRE COMPOSANTES : - SUPERFICIELLE CAPTIVE ≈ 60 % - SUPERFICIELLE LIBRE ≈ 30 % - PROFONDE ≈ 10 % COMPOSANTE SUPERFICIELLE LIBRE

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Modélisation des ressources en eau Sommaire I- Présentation du site d’étude II- Problématique, objectif et méthodologie du travail de thèse III- Mise en œuvre de la méthodologie de caractérisation hydrodynamique De l’observation piézométrique aux hypothèses de fonctionnement hydrodynamique Mise en œuvre des expériences numériques 2D coupes Intégration de la dimension géochimique (objectifs de caractérisation et choix de la méthode) IV- Résultats Approche physique Approche chimique V – Conclusions et perspectives 23

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Conclusions : Apport de connaissances sur la caractérisation du fonctionnement transitoire des aquifères de la plaine du Forez, Mise en évidence des interactions entre les aquifères profonds et superficiels, Complémentarité des approches chimiques et physiques, Ce travail de thèse définit les modalités de mise en œuvre d’une modélisation à l’échelle de l’hydrosystème (acquisition de nouvelles données et éléments à prendre en compte pour la modélisation). Perspectives : Identification des « hydrogéofaciès » (signature piézométrique + chimique et géochimique) représentant le fonctionnement hydrodynamique à l’échelle de la plaine du Forez, Réflexion sur l’applicabilité de la méthodologie à d’autres contextes, Amélioration de la méthodologie existante se basant notamment sur l’analyse physique et chimique d’un plus grand nombre de points d’observations. V- Conclusions et perspectives 24

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25 Merci de votre attention

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