Essais dans un aquifère à partir de stimulations dans le puits

La gestion de l'eau des eaux souterraines nécessite de connaitre précisément les caractéristiques (la transmissivité et l'emmagasinement) de l'aquifère qui la contient. Aujourd'hui, seuls les essais de pompage sont fréquemment utiliser afin d'obtenir ces valeurs sur une grande échelle. Ils nécessitent la mise en place d'un puits et de plusieurs piézomètres, l'utilisation d'une pompe et un délai de réalisation parfois long. Des méthodes existent afin de traiter les variations du rabattement, mais elles concernent des cas idéaux, en considérant par exemple que le diamètre des piézomètres et du puits est nul. De plus, il serait intéressant de développer une autre méthode, indépendante des essais de pompage, afin d'évaluer les paramètres de l'aquifère. Le présent mémoire se penche donc à la fois sur l'étude de l'influence des tuyaux lors d'essai de pompage, et la mise en place, via une analyse numérique, d'essais de propagation d'une onde de pression sinusoïdale. Des études ont montré que les piézomètres et le puits influencent l'évolution du rabattement mesuré due à l'eau qui y est initialement stockée, à leur temps de réponse. Les méthodes conventionnelles d'analyse du rabattement (Theis, Cooper Jacob) donnent alors des valeurs d'emmagasinement supérieures et de transmissivité inférieures aux valeurs réelles. Des méthodes ont été développées afin de tenir compte de ces phénomènes, mais jamais en étudiant leur influence conjointe. Deux campagnes d'essais de pompage ont été menées sur un site instrumenté. Pour chaque campagne deux essais ont été menés : l'un sans obturateur, le second avec obturateur. Les obturateurs sont des tubes pleins, utilisés pour les essais de choc hydraulique par exemple, qui permettent d'isoler les piézomètres de la pression atmosphérique, et que les variations de pression dans l'aquifère soit reflétées par une variation de pression dans le piézomètre. Les résultats des essais avec et sans obturateur ont été comparés et montrent une nette différence dans le comportement du rabattement. L'analyse montre que les transmissivités déterminées par les deux essais sont proches, alors que les emmagasinements sont différents. De plus, ils évoluent tous les deux en fonction de la distance au puits. Ainsi les transmissivités sont plus faibles proches du puits, alors que l'emmagasinement est plus élevé, ce qui est plus marqué dans le cas sans obturateur qu'avec obturateurs. On retrouve alors l'influence du temps de réponse des piézomètres, qui influencent principalement la valeur de la transmissivité, et celle de 'emmagasinement des tuyaux, qui influence la valeur de l'emmagasinement, les obturateurs permettant de limiter cette dernière. Quant au temps de retard, il est en grande partie dû au fait que les piézomètres ne sont pas crépinés sur toute leur hauteur. Un modèle numérique a été mis en place sur SEEP afin d'analyser les essais terrains et modéliser l'influence des paramètres sur les résultats. Trois séries de simulations ont été réalisées : l'une en ne considérant ni le temps de retard, ni l'emmagasinement des tuyaux, la seconde, en considérant uniquement l'emmagasinement des tuyaux, et la troisième en considérant les deux phénomènes. Les résultats montrent qu'il est possible seulement dans le cas considérant les deux phénomènes, d'obtenir des courbes similaires à celles des essais terrains et d'ainsi créer un modèle correspondant à la situation in situ. En complément des essais de pompage, il est possible d'utiliser des essais de propagation d'une onde sinusoïdale. Ils sont basés sur l'étude de la variation de la charge dans les piézomètres, induite par une onde d'amplitude et de phase connue. Ces méthodes ont été initialement utilisées dans les aquifères côtiers, en utilisant la marée comme source du signal. De nombreuses solutions théoriques existent pour différentes configurations de système côtier. Par extension, en appliquant un signal de caractéristiques connues dans un puits, on peut obtenir les valeurs des paramètres de l'aquifère, en utilisant une solution théorique, la variation d'amplitude et celle du déphasage. Une solution analytique considérant un aquifère à nappe captive, tenant compte du rayon du puits de pompage, a été utilisée comme base de l'étude numérique. Différentes configurations ont été étudiées, afin d'évaluer l'influence de la conductivité hydraulique et de l'emmagasinement de l'aquifère, et celle des paramètres de l'onde d'entrée. De plus, deux méthodes ont été développées afin d'obtenir une valeur de la diffusivité de l'aquifère à partir des essais terrains. La première, graphique, permet de valider le choix des paramètres de l'onde dans le puits et d'estimer rapidement la diffusivité, alors que la seconde, numérique, permet de calculer la diffusivité à partir de l'amplitude ou du déphasage. Cette analyse a été étendue à deux cas plus réalistes : le système d'aquifère et l'aquifère en pente. Le premier cas montre que les aquitards entourant la couche à nappe captive étudiée ont une grande influence sur la propagation de l'onde et doivent être pris en compte pendant l'analyse. Le second cas montre que dans la couche à nappe captive, l'onde garde le même comportement sur toute sa hauteur, et qu'il est juste nécessaire de faire attention à l'endroit où se situe la limite entre les deux couches.

Abstract

The management of groundwater implies to know precisely the characteristics transmissivity and storage) of the aquifer. They require the establishment of a well and several piezometers, the use of a pump and last sometimes for a very long time. Methods exist to treat the variations of the hydraulic head, but they relate to ideal cases, considering for example that the diameter of the piezometers and well is zero. Moreover, it would be interesting to develop another method, independent of pumping tests to assess the parameters of the aquifer. This submission therefore focuses on both the study of the influence of pipe during pumping tests, and the establishment, through a numerical analysis, of a test using the propagation of a sinusoidal pressure wave. Studies have shown that the piezometers and wells influence the evolution of the measured drawdown due to their storage and to their response time. The conventional methods of analysis of the drawdown (Theis, Cooper Jacob) give higher values of storage and lower values of transmissivity than the real values. Methods have been developed to take into account these two phenomena, but never by studying their combined influence. Two pumping test campaigns were conducted on an instrumented site. For each campaign, two tests were conducted: one without packer, the second with packers. The packers are full tubes, used for hydraulic shock tests for example, which can isolate piezometers from the atmospheric pressure, and which permits the pressure variations in the aquifer to be reflected by a variation of pressure in the piezometer. The test results with and without packers were compared and show a marked difference in the behavior of the drawdown. The analysis shows that the transmissivity determined by the two tests are similar, while the storage is different. Moreover, they vary according to the distance from the well. Thus, the transmissivity is lower near the well, while the storage is higher, which is more pronounced in the case without packer than with packers. Then, the response time of the piezometers mainly affects the value of the transmissivity and the storage of the pipes influences the value of the storage, the use of packers can limit this latter effect. The response time is largely due to the fact that piezometers are not fully penetrating. A numerical model has been implemented on SEEP to analyze the pumping tests and model the influence of the storage of the pipes and the time response on the results. Three sets of simulations were conducted: one by not considering either the delay time or the storage of the pipes, the second, by considering only the storage of the pipes, and the third by considering the two phenomena. The results show that only in the case with the two phenomena, it is possible to obtain curves similar to those of field drawdown. Testing wave propagation is based on the study of variation of the hydraulic head in the piezometers, induced by a wave, with known amplitude and phase shift. These methods are already used in coastal aquifers, using the tide as a source signal. Many theoretical solutions exist for different configurations of the coastal system. By extension, applying a signal of known characteristics in a well, we can obtain the parameters of the aquifer, using a theoretical solution, the variation of the amplitude and the phase shift. An analytical solution considering a confined aquifer and taking into account the radius of the pumping well has been used as a basis for the numerical study. Different configurations were studied to assess the influence of hydraulic conductivity and storage of the aquifer, and of the parameters of the input wave. In addition, two methods have been developed to obtain a value for the diffusivity of the aquifer from field data. The first, which is a graphical method, validates the choice of parameters of the wave in the well and quickly estimates the diffusivity, while the second which is numeral calculates the diffusivity from the amplitude or phase shift. This analysis was extended to two more realistic cases: aquifer system and sloped aquifer. The first case shows that aquitards surrounding studied confined aquifer layer have a great influence on the wave propagation and must be taken into account during analysis. The second case shows that in the confined aquifer layer, the wave keeps the same behavior over its entire height, and it is just necessary to pay attention to where the boundary lies between two layers.