Response of a multi-layered aquifer system to the paleoclimatic variations and the anthropic pressure - Approach to coupled hydrodynamical, thermal and geochemical modelling
Réponse d'un système aquifère multicouche aux variations paléoclimatiques et aux sollicitations anthropiques - Approche par modélisation couplée hydrodynamique, thermique et géochimique
Résumé
The study of the hydrodynamic parameters and the piezometric level of the aquifers is not enough to understand the hydrogeological behaviour of large sedimentary basins. It is necessary to take into account the whole of the layers and their hydrogeological behaviour on the long term. These aquifer systems are indeed too often analysed on the short term on the supposition that the hydrodynamic state was stabilized before the human exploitation. Thus it is under a new vision that the understanding of the aquifer of the Infra-Molassic Sands is approached in the aim of integrating it in a hydrodynamic model with the overall of the south-Aquitaine multi-layered aquifer system.
The interpretation of the isotopic and geochemical data showed that only vertical flows in addition or not to a horizontal flow can explain the results and it made it possible to present the idea of a major phase of recharge at the end of the Pleistocene. The reconstitution of the local paleoclimate was undertaken in order to propose a scenario of the potential periods of recharge of the south-Aquitain aquifer system over the last 40,000 years. These results revealed the instability of the conditions of recharge of this multi-layered aquifer system and thus its transitory state.
A major study of the geological, hydrogeological and geothermical characteristics was undertaken to suggest a hydrodynamical and thermal 3D model. This model makes it possible to study the recent evolution but also the long-term trends. This model is made up of eleven layers and the extension is approximately 32,000 km². The calibration of the temperature in the model was carried out. The calibration in transient state of exploitation with the pumping and the activity of two storages of gas was done. The simulation of the eustatic variations on the last 100,000 years showed the weak influence of those variations on the Infra-Molassic Sands groundwater. The simulation of the variations of recharge according to the paleoenvironmental fluctuations over 40,000 years, final purpose of this work, was carried out and enabled to establish three principal axis of flow in coherence with the geochemical constraints. The importance of the vertical and horizontal flow could be done using water budget. To finish with, the piezometric fall currently observed would be the principal consequence of the pumping of the last thirty years and of the natural drainage of the system started 150 years ago, following an important recharge during the Little Ice Age.
This study shows the existence of exchanges between the various layers (aquifers and aquitards), the important recharge by vertical drainage in different areas and the transient-state groundwater flow over several hundreds to several thousands of years. In short, the behaviour of this type of multi-layered aquifer of regional extension requires to be detached from the common vision of a functioning which would have begun only with the anthropic exploitation on a hydrodynamical stabilized system.
The interpretation of the isotopic and geochemical data showed that only vertical flows in addition or not to a horizontal flow can explain the results and it made it possible to present the idea of a major phase of recharge at the end of the Pleistocene. The reconstitution of the local paleoclimate was undertaken in order to propose a scenario of the potential periods of recharge of the south-Aquitain aquifer system over the last 40,000 years. These results revealed the instability of the conditions of recharge of this multi-layered aquifer system and thus its transitory state.
A major study of the geological, hydrogeological and geothermical characteristics was undertaken to suggest a hydrodynamical and thermal 3D model. This model makes it possible to study the recent evolution but also the long-term trends. This model is made up of eleven layers and the extension is approximately 32,000 km². The calibration of the temperature in the model was carried out. The calibration in transient state of exploitation with the pumping and the activity of two storages of gas was done. The simulation of the eustatic variations on the last 100,000 years showed the weak influence of those variations on the Infra-Molassic Sands groundwater. The simulation of the variations of recharge according to the paleoenvironmental fluctuations over 40,000 years, final purpose of this work, was carried out and enabled to establish three principal axis of flow in coherence with the geochemical constraints. The importance of the vertical and horizontal flow could be done using water budget. To finish with, the piezometric fall currently observed would be the principal consequence of the pumping of the last thirty years and of the natural drainage of the system started 150 years ago, following an important recharge during the Little Ice Age.
This study shows the existence of exchanges between the various layers (aquifers and aquitards), the important recharge by vertical drainage in different areas and the transient-state groundwater flow over several hundreds to several thousands of years. In short, the behaviour of this type of multi-layered aquifer of regional extension requires to be detached from the common vision of a functioning which would have begun only with the anthropic exploitation on a hydrodynamical stabilized system.
L'étude des paramètres hydrodynamiques et de la charge piézométrique des aquifères ne suffit pas pour appréhender le fonctionnement hydrogéologique des grands bassins sédimentaires. Il est nécessaire de tenir compte de l'ensemble des couches et de leurs comportements hydrogéologiques sur le long terme. Ces systèmes sont en effet trop souvent analysés sur le court terme avec l'hypothèse que le régime hydrodynamique était stabilisé avant l'exploitation humaine. C'est donc sous une vision nouvelle que la compréhension de l'aquifère des Sables Infra-Molassiques, et plus globalement du système multicouche sud-aquitain, est abordée avec comme objectif son intégration dans un modèle hydrodynamique.
L'interprétation des données isotopiques et géochimiques a montré que seuls des transferts verticaux en complément ou non à un écoulement horizontal étaient à même d'expliquer les résultats des analyses et a permis d'exposer l'idée d'une phase de recharge importante à la fin du Pléistocène. La reconstitution du paléoclimat local a été entreprise afin de proposer un scénario des périodes potentielles de recharge du système aquifère sud-aquitain sur les 40000 dernières années. L'ensemble de ces résultats a révélé l'instabilité des conditions d'alimentation de ce multicouche et donc son état transitoire.
Une analyse majeure des caractéristiques géologiques, hydrogéologiques et géothermiques a été engagée et les données mises en cohérence afin de proposer un modèle couplé hydrodynamique et thermique 3D permettant d'étudier l'évolution récente mais également de longue durée. Comportant onze couches, l'extension du modèle est d'environ 32000 km². L'ajustement dans le modèle des données de température a été réalisé. Le calage en transitoire court d'exploitation avec les prélèvements et l'activité de deux stockages de gaz a été effectué. La simulation des variations eustatiques sur les derniers 100000 ans a montré la faible influence de celles-ci sur la nappe des Sables Infra-Molassiques. La simulation des variations de recharge liées aux fluctuations paléoclimatiques sur 40000 ans, objectif final de ce travail, a été exécutée et a permis d'établir trois principaux axes d'écoulement en cohérence avec les contraintes géochimiques. L'importance des transferts verticaux et horizontaux a pu être approchée à l'aide de bilans de flux. Enfin, la baisse piézométrique actuellement observée serait la conséquence des prélèvements de ces trente dernières années et, dans une moindre mesure, de la vidange naturelle du système amorcé il y a 150 ans, suite à une recharge importante au cours du Petit Âge Glaciaire.
Ce travail a mis en exergue l'existence d'échanges entre les différentes couches (aquifères et formations peu perméables), la recharge par drainance verticale importante dans certains secteurs ainsi que le régime transitoire sur plusieurs centaines voire milliers d'années avec un caractère continu. Au final, la compréhension de ce type de multicouche d'extension régionale nécessite de se détacher de la vision commune d'un fonctionnement qui n'aurait débuté qu'avec l'exploitation anthropique sur un système hydrodynamiquement stabilisé.
L'interprétation des données isotopiques et géochimiques a montré que seuls des transferts verticaux en complément ou non à un écoulement horizontal étaient à même d'expliquer les résultats des analyses et a permis d'exposer l'idée d'une phase de recharge importante à la fin du Pléistocène. La reconstitution du paléoclimat local a été entreprise afin de proposer un scénario des périodes potentielles de recharge du système aquifère sud-aquitain sur les 40000 dernières années. L'ensemble de ces résultats a révélé l'instabilité des conditions d'alimentation de ce multicouche et donc son état transitoire.
Une analyse majeure des caractéristiques géologiques, hydrogéologiques et géothermiques a été engagée et les données mises en cohérence afin de proposer un modèle couplé hydrodynamique et thermique 3D permettant d'étudier l'évolution récente mais également de longue durée. Comportant onze couches, l'extension du modèle est d'environ 32000 km². L'ajustement dans le modèle des données de température a été réalisé. Le calage en transitoire court d'exploitation avec les prélèvements et l'activité de deux stockages de gaz a été effectué. La simulation des variations eustatiques sur les derniers 100000 ans a montré la faible influence de celles-ci sur la nappe des Sables Infra-Molassiques. La simulation des variations de recharge liées aux fluctuations paléoclimatiques sur 40000 ans, objectif final de ce travail, a été exécutée et a permis d'établir trois principaux axes d'écoulement en cohérence avec les contraintes géochimiques. L'importance des transferts verticaux et horizontaux a pu être approchée à l'aide de bilans de flux. Enfin, la baisse piézométrique actuellement observée serait la conséquence des prélèvements de ces trente dernières années et, dans une moindre mesure, de la vidange naturelle du système amorcé il y a 150 ans, suite à une recharge importante au cours du Petit Âge Glaciaire.
Ce travail a mis en exergue l'existence d'échanges entre les différentes couches (aquifères et formations peu perméables), la recharge par drainance verticale importante dans certains secteurs ainsi que le régime transitoire sur plusieurs centaines voire milliers d'années avec un caractère continu. Au final, la compréhension de ce type de multicouche d'extension régionale nécessite de se détacher de la vision commune d'un fonctionnement qui n'aurait débuté qu'avec l'exploitation anthropique sur un système hydrodynamiquement stabilisé.
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