Mesure in situ et modélisation de l'hétérogénéité des écoulements dans les milieux géologiques
Résumé
The starting point of this work is the following observation: predictive models of flow and solute
transfer in the subsurface, which are often based on homogeneous porous media type of
representation, are not adapted to natural systems that are characterized by highly heterogeneous
velocity fields at all scales. The current high uncertainty in the prediction of flow and solute transfer
and residence times in these systems is related not only to the uncertainty in model parameter
estimation but also to the uncertainty in the relevance of the models themselves, which is related to the
hypothesis made concerning the representation of the distribution of fluid velocities. To tackle this
problem, the principal objectives of this PhD work was (i) to develop in situ measurement methods
adapted to the characterization of the organization and heterogeneity of the flow field, and (ii) to carry
on a theoretical study on the representation of the flow field organization in predictive models. This
work was done within the framework of the national network of hydrogeological sites ORE H+ and
the European projects SALTRANS (2000-2004) and ALIANCE (2001-2005).
Three main results were obtained. (1) We first demonstrated the fractal nature of flow in fractured
aquifer, from a scaling analysis of pumping tests. This approach allows defining an equivalent model
that is consistent with the mean hydraulic behaviour of a natural site over a large range of temporal
and spatial scales. (2) Concerning the experimental characterization of the flow velocity variability, we
used borehole flow velocity measurement devices in collaboration with Frederick Paillet (University
of Maine, USA). We proposed and tested a method of inversion of these measurements to image flow
paths and quantify there hydraulic properties at different scales in field sites. (3) Finally, we developed
a new method to quantify the flow field organization, based on numerical simulations of flow and
solute transport in heterogeneous permeability fields. The results obtained concerning the detailed
analysis of the flow field correlation structure allow re-examining the hypothesis made in solute
transport models, in order to progress towards a realistic representation of the velocity field in these
models.
transfer in the subsurface, which are often based on homogeneous porous media type of
representation, are not adapted to natural systems that are characterized by highly heterogeneous
velocity fields at all scales. The current high uncertainty in the prediction of flow and solute transfer
and residence times in these systems is related not only to the uncertainty in model parameter
estimation but also to the uncertainty in the relevance of the models themselves, which is related to the
hypothesis made concerning the representation of the distribution of fluid velocities. To tackle this
problem, the principal objectives of this PhD work was (i) to develop in situ measurement methods
adapted to the characterization of the organization and heterogeneity of the flow field, and (ii) to carry
on a theoretical study on the representation of the flow field organization in predictive models. This
work was done within the framework of the national network of hydrogeological sites ORE H+ and
the European projects SALTRANS (2000-2004) and ALIANCE (2001-2005).
Three main results were obtained. (1) We first demonstrated the fractal nature of flow in fractured
aquifer, from a scaling analysis of pumping tests. This approach allows defining an equivalent model
that is consistent with the mean hydraulic behaviour of a natural site over a large range of temporal
and spatial scales. (2) Concerning the experimental characterization of the flow velocity variability, we
used borehole flow velocity measurement devices in collaboration with Frederick Paillet (University
of Maine, USA). We proposed and tested a method of inversion of these measurements to image flow
paths and quantify there hydraulic properties at different scales in field sites. (3) Finally, we developed
a new method to quantify the flow field organization, based on numerical simulations of flow and
solute transport in heterogeneous permeability fields. The results obtained concerning the detailed
analysis of the flow field correlation structure allow re-examining the hypothesis made in solute
transport models, in order to progress towards a realistic representation of the velocity field in these
models.
Le point de départ de cette thèse est le constat suivant : les modèles prédictifs de transfert dans les milieux souterrains, souvent basés sur une représentation de type milieu poreux homogène, ne sont pas adaptés aux milieux naturels, qui sont caractérisés au contraire par une forte hétérogénéité des vitesses écoulement à toutes les échelles. La grande incertitude qui existe actuellement sur la prédiction des transferts et des temps de résidence dans ces systèmes ne provient pas seulement de l'incertitude sur la paramétrisation des modèles mais également de l'incertitude sur leur formulation même, liée aux hypothèses effectuées sur la représentation des distributions de vitesses d'écoulement. Pour aborder ce problème, les objectifs principaux de cette thèse étaient, d'une part de développer des méthodes de mesure in situ adaptées à la caractérisation de l'hétérogénéité des écoulements et de leur organisation, et d'autre part de mener une étude théorique sur la représentation de l'organisation des écoulements dans les modèles prédictifs. Cette thèse a été effectuée dans le cadre des projets européens SALTRANS (2000-2004) et ALIANCE (2001-2005) et du réseau national de sites hydrogéologiques de l'Observatoire de Recherche en Environnement H+.
Trois résultats principaux ont été obtenus. (1) Nous avons tout d'abord apporté une démonstration du caractère fractal des écoulements dans les aquifères fracturés à partir de tests hydrauliques. Cette approche permet de définir un modèle équivalent permettant de rendre compte du comportement hydraulique moyen d'un site naturel sur une large gamme d'échelles de temps et d'espace. (2) Du point de vue de la caractérisation expérimentale de la variabilité des vitesses d'écoulement, nous avons mis en oeuvre des méthodes de mesure de vitesse d'écoulement en forage, en collaboration avec Frederick Paillet (University du Maine, USA). Nous avons proposé et testé une méthode d'inversion de ces mesures permettant d'imager les chemins d'écoulement et de quantifier leurs propriétés hydrauliques à différentes échelles sur les sites naturels. (3) Enfin, à partir d'une étude numérique destinée à simuler les écoulements et le transport de soluté dans des champs de perméabilité hétérogènes, nous avons proposé une nouvelle méthode permettant de quantifier l'organisation des écoulements. Les résultats obtenus concernant l'analyse détaillée de la structure de corrélation du champ de vitesse permettent de mettre en question les hypothèses utilisées dans les modèles de transport de solutés, en vue de progresser vers une représentation plus réaliste des distributions de vitesse dans ces modèles.
Trois résultats principaux ont été obtenus. (1) Nous avons tout d'abord apporté une démonstration du caractère fractal des écoulements dans les aquifères fracturés à partir de tests hydrauliques. Cette approche permet de définir un modèle équivalent permettant de rendre compte du comportement hydraulique moyen d'un site naturel sur une large gamme d'échelles de temps et d'espace. (2) Du point de vue de la caractérisation expérimentale de la variabilité des vitesses d'écoulement, nous avons mis en oeuvre des méthodes de mesure de vitesse d'écoulement en forage, en collaboration avec Frederick Paillet (University du Maine, USA). Nous avons proposé et testé une méthode d'inversion de ces mesures permettant d'imager les chemins d'écoulement et de quantifier leurs propriétés hydrauliques à différentes échelles sur les sites naturels. (3) Enfin, à partir d'une étude numérique destinée à simuler les écoulements et le transport de soluté dans des champs de perméabilité hétérogènes, nous avons proposé une nouvelle méthode permettant de quantifier l'organisation des écoulements. Les résultats obtenus concernant l'analyse détaillée de la structure de corrélation du champ de vitesse permettent de mettre en question les hypothèses utilisées dans les modèles de transport de solutés, en vue de progresser vers une représentation plus réaliste des distributions de vitesse dans ces modèles.