Influence des propriétés du réseau d'écoulement sur les processus de transport dans les aquifères fracturés et karstiques : de l'expérience de laboratoire et de terrain jusqu'à la modélisation numérique

Autor: Wang, Chaoqi
Přispěvatelé: Hydrosciences Montpellier (HSM), Institut de Recherche pour le Développement (IRD)-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université de Montpellier (UM), Université de Montpellier, Hervé Jourde, Vincent Guinot
Jazyk: francouzština
Rok vydání: 2022
Předmět:
Zdroj: Ingénierie de l'environnement. Université de Montpellier, 2022. Français. ⟨NNT : 2022UMONG028⟩
Popis: Dye tracing experiments are generally set up to identify karst springs catchments or transport properties of heterogeneous or homogeneous aquifers. They are also relevant methods for characterizing flow and transport processes in fractured and karst aquifers, ang get insights about their complex structure and heterogeneity. A precise analysis of breakthrough curves (BTCs) obtained from dye tracing experiments in synthetic pipe networks and fracture networks of know geometry and topology should thus allow a better assessment of the relationship between drainage network properties and transport processes.In this work, solute transport experiments consisting of step tracing are thus conducted, with a focus on dual-conduit structure. Five groups of experiments have been carried out to investigate how the following factors related to the dual-conduit structure may influence the transport processes: length ratio, total length (fixing the length ratio), connection angle, aperture contrast, and flow rate. Numerical models are then applied to fit the experimental BTCs and quantitatively evaluate the solute transport processes. The single-peaked BTCs are simulated considering i) the Advection Dispersion Equation (ADE) model, ii) the Dual Region Mobile Immobile Model (DRMIM), and iii) the Transfer Function Approach (TFA). The dual-peaked BTCs are simulated considering i) the Dual Region Advection Dispersion (DRAD) model, ii) the Weighted Sum Advection–Dispersion Equation (WSADE) model and iii) the DRMIM. Based on these results, a method has been proposed for estimating underground karstic conduit lengths from experimental dual peaked BTCs. For some experiments, it is shown that the TFA allows a better fitting than the ADE model and DRMIM. In order to assess what physical information contain the TFA parameters, we analyse the equivalence between TFA and Advection Dispersion Equation (ADE). We then obtain two equations that, under certain conditions, make TFA and ADE produce identical BTCs and allow expressing the TFA parameters as a function of the variable and parameters considered in the ADE.Finally, a methodology for characterizing a karst conduit network at the scale of an experimental field site where both pumping test and dye tracing experiment have been performed is proposed. This characterization is based on a hydraulic tomography method which considers a discrete conduit network model to explicitly represent the underground conduit network, integrating hydraulic data and dye tracing data to constrain the diameter distribution of the karst conduit network.The results of these lab scale and field scale experiments, together with the proposed numerical tools, should help hydrogeologists to better interpret the results of the tracing tests realized in real karst aquifers and improve their understanding of transport processes. These results may also guide hydrogeologists to select the most suitable model for interpreting their dye tracing experiment.; Les essais par traçages sont généralement mis en place pour identifier le bassin d’alimentation de sources karstiques ou les propriétés de transport des aquifères hétérogènes ou homogènes. Elles sont également des méthodes pertinentes pour caractériser les processus d'écoulement et de transport dans les aquifères fracturés et karstiques afin mieux appréhender la complexité de leur structure et leur forte hétérogénéité. Ainsi, les relations entre les propriétés du réseau de drainage et les processus de transport peuvent être appréciée par une étude précise des courbes de restitutions de traçages dans un réseau de conduits ou de fractures de géométrie et de topologie connues.Dans ce travail, nous étudions le processus de transport de soluté dans des réseaux synthétiques de conduits ou et de fractures de géométrie et de topologie connues. Pour ce faire, nous réalisons des expériences de transport de soluté consistant en l’injection d’un créneau de concentration, en étudiant tout particulièrement l’influence d’une structure à double conduit. Des modèles numériques sont ensuite appliqués pour ajuster les courbes de restitutions expérimentales et évaluer quantitativement les processus de transport de soluté. Les courbes de restitutions à un seul pic sont simulées en utilisant i) le modèle basé sur l'équation d’advection dispersion (ADE), ii) le modèle DRMIM (Dual Region Mobile Immobile Model), et iii) l'approche de la fonction de transfert (TFA). Les courbes de restitutions à deux pics sont simulés en considérant i) le modèle de dispersion par advection à deux régions (DRAD), ii) le modèle d'équation d'advection-dispersion à somme pondérée (WSADE) et iii) le DRMIM. Sur la base de ces résultats, une méthode a été proposée pour estimer la longueur des conduits karstiques souterrains à partir courbes de restitutions expérimentales à deux pics. Pour certaines expériences, il est montré que le TFA permet un meilleur ajustement que le modèle ADE et le DRMIM. Afin d'évaluer quelles informations physiques contiennent les paramètres de la TFA, nous analysons l'équivalence entre la TFA et l'équation de dispersion par advection (ADE). Nous obtenons alors deux équations qui, sous certaines conditions, permettent de génèrer des courbes de restitutions identiques et d'exprimer les paramètres de la TFA en fonction de la variable et des paramètres considérés dans l'ADE.Enfin, une méthodologie de caractérisation d'un réseau de conduits karstiques à l'échelle d'un site de terrain expérimental où ont été réalisés à la fois des essai par pompage et des expérience de traçages est proposée. Cette caractérisation est basée sur une méthode de tomographie hydraulique qui considère un modèle de réseau de conduits pour représenter explicitement le réseau de conduits souterrains, et intègre des données hydrauliques et des données de traçage de colorant pour contraindre la distribution de diamètre du réseau de conduits karstiques.Les résultats de ces expériences à l'échelle du laboratoire et du terrain, ainsi que les outils numériques proposés, devraient aider les hydrogéologues à mieux interpréter les résultats des tests de traçage réalisés dans des aquifères karstiques réels et à améliorer leur compréhension des processus de transport. Ces résultats peuvent également guider les hydrogéologues à choisir le modèle le plus approprié pour interpréter leur expérience de traçage de colorant.
Databáze: OpenAIRE
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