Influence de l'injection d'un traceur sur les courbes de restitution en écoulement naturel

Les essais de traceurs sont couramment interprétés à l'aide de modèles analytiques basés sur des hypothèses simplificatrices ou sur des modèles numériques très simplifiés. Les objectifs de ce mémoire étaient d'évaluer l'influence 1) des paramètres d'injection sur les résultats d'un essai de traceur et 2) de la complexité des modèles numériques employés sur les résultats numériques obtenus. Les paramètres d'injection testés en laboratoire et numériquement étaient le volume, la concentration et le débit de la solution injectée. Les essais de traceur ont été réalisés dans un aquifère captif artificiel (modèle réduit, sable homogénéisé) et les modèles numériques ont été développés pour reproduire les conditions rencontrées dans cet aquifère. Les résultats étaient des courbes de concentration du traceur en fonction du temps (C(t), restitution) dans le puits d'injection et les puits d'observation. Ils ont été interprétés suivant un modèle qui tient compte de la forme de la courbe de restitution pour donner le temps d'arrivée moyen et par conséquent la vitesse moyenne et la dispersivité. La moyenne globale des temps d'arrivée a permis de calculer une porosité effective moyenne de 0.35. La dispersivité moyenne observée augmente avec la distance comme suit : 4.5 mm à 46 cm, 6.7 mm à 92.5 cm et 15.1 mm à 137.5 cm. Toutefois, puisque l'aquifère est homogène, cette hausse de la dispersivité est due principalement aux distorsions des écoulements qui sont créées par les puits d'observation. Les essais de traceur ont aussi permis de constater des tendances entre les paramètres d'injection et les résultats de ces essais tel le temps moyen d'arrivée et par conséquent la vitesse de l'eau dans l'aquifère et la dispersivité. Ces tendances ont dans la majorité des cas été confirmées par des modélisations numériques 2D et 3D. Les modèles 3D ont donné des résultats numériques plus proche des tendances observées parce qu'ils ont tenus compte de la pénétration partielle des puits et de l'effet non négligeable de la gravité. L'ajout en 3D du puits d'observation a eu un effet important sur les résultats numériques à petite échelle. Par conséquent, la modélisation détaillée des puits d'observation est primordiale lors d'interprétation par modélisation numérique et si les puits sont partiellement pénétrants, il est préférable de les modéliser en 3D.

Abstract

Tracer tests are usually interpreted with analytical models based on simplifying hypothesis or on very simplified numerical models. The objectives of this master thesis were to evaluate the influence of 1) injection parameters on tracer test results and 2) numerical model complexity on numerical results. Injection parameters tested in laboratory and by numerical models were the volume, the concentration and the injection rate of the injection solution. The tracer tests were conducted in an artificial confined aquifer (small-scale model, homogenised sand) and the numerical models were developed to simulate this aquifer. The results were breakthrough curves C(t) in the injection and observation wells. These were interpreted by an analytical model based on the breakthrough curve form from which the mean arrival time, the mean velocity and the dispersivity were determined. The overall average of the mean arrival time was used to evaluate a mean effective porosity of 0.35. The mean dispersivity showed a rise with distance: 4.5 mm at 46 cm, 6.7 mm at 92.5 cm and 15.1 mm at 137.5 cm. However, as this aquifer is mainly homogenous, this rise is the result of the distortion of the flow field around observation wells. The tracer tests also showed that there were tendencies between the injection parameters and the tracer test results. These tendencies were almost all confirmed by the 2D and 3D numerical models. However, the 3D numerical results were nearer of the observed tendencies because they considered the partially penetrating wells and the gravity effects. Adding or not the observation well in 3D also had a major effect on the numerical results at small scale. Therefore, a detailed numerical modeling of the observation wells is important when interpretation with numerical model is used. Furthermore, if the wells are partially penetrating, a 2D model is not enough acurate, a 3D model is requested.