Modèle d'eau souterraine - Groundwater model

Les modèles d'eaux souterraines sont des modèles informatiques des systèmes d'écoulement des eaux souterraines et sont utilisés par les hydrogéologues . Les modèles d'eaux souterraines sont utilisés pour simuler et prédire les conditions de l' aquifère .

Les caractéristiques

Coupe transversale typique de l'aquifère

Il est difficile de donner une définition sans ambiguïté du « modèle d'eau souterraine », mais il existe de nombreuses caractéristiques communes.

Un modèle d' eau souterraine peut être un modèle à l'échelle ou un modèle électrique d'une situation d'eau souterraine ou d'un aquifère . Les modèles d'eaux souterraines sont utilisés pour représenter l'écoulement naturel des eaux souterraines dans l'environnement. Certains modèles d'eaux souterraines incluent des aspects de qualité (chimique) des eaux souterraines. Ces modèles d'eaux souterraines tentent de prédire le devenir et le mouvement du produit chimique dans un scénario naturel, urbain ou hypothétique.

Les modèles d'eaux souterraines peuvent être utilisés pour prédire les effets des changements hydrologiques (comme le captage des eaux souterraines ou les développements d'irrigation) sur le comportement de l'aquifère et sont souvent appelés modèles de simulation des eaux souterraines. De nos jours également, les modèles d'eaux souterraines sont utilisés dans divers plans de gestion de l'eau pour les zones urbaines.

Comme les calculs dans les modèles mathématiques des eaux souterraines sont basés sur des équations d'écoulement des eaux souterraines , qui sont des équations différentielles qui ne peuvent souvent être résolues que par des méthodes approximatives utilisant une analyse numérique , ces modèles sont également appelés modèles mathématiques, numériques ou informatiques .

Les modèles mathématiques ou numériques sont généralement basés sur la physique réelle suivie par l'écoulement des eaux souterraines. Ces équations mathématiques sont résolues à l'aide de codes numériques tels que MODFLOW , ParFlow , HydroGeoSphere , OpenGeoSys etc. Différents types de solutions numériques comme la méthode des différences finies et la méthode des éléments finis sont abordés dans l'article sur " Hydrogéologie ".

Contributions

Pour les calculs, il faut des entrées telles que :

  • apports hydrologiques,
  • entrées opérationnelles,
  • conditions externes : conditions initiales et aux limites ,
  • paramètres (hydrauliques) .

Le modèle peut avoir des composants chimiques comme la salinité de l'eau , la salinité du sol et d'autres indicateurs de qualité de l'eau et du sol, pour lesquels des intrants peuvent également être nécessaires.

Apports hydrologiques

Facteurs hydrologiques à la surface du sol déterminant la recharge

Le couplage primaire entre les eaux souterraines et les apports hydrologiques est la zone non saturée ou zone vadose . Le sol agit pour répartir les apports hydrologiques tels que les précipitations ou la fonte des neiges en ruissellement de surface , humidité du sol , évapotranspiration et recharge des eaux souterraines . Les flux à travers la zone non saturée qui couplent les eaux de surface à l'humidité du sol et les eaux souterraines peuvent être ascendants ou descendants, selon le gradient de charge hydraulique dans le sol, peuvent être modélisés en utilisant la solution numérique de l'équation différentielle partielle de Richards , ou la différentielle ordinaire équation Méthode de teneur en eau finie telle que validée pour la modélisation des interactions entre les eaux souterraines et la zone vadose .

Entrées opérationnelles

Les apports opérationnels concernent les interférences humaines dans la gestion de l' eau comme l' irrigation , le drainage , le pompage des puits , le contrôle des nappes phréatiques , et l'exploitation des bassins de rétention ou d' infiltration , qui sont souvent de nature hydrologique.
Ces entrées peuvent également varier dans le temps et dans l'espace.

De nombreux modèles d'eaux souterraines sont réalisés dans le but d'évaluer les effets des mesures d' ingénierie hydraulique .

Conditions aux limites et initiales

Conditions aux limites

Les conditions aux limites peuvent être liées aux niveaux de la nappe phréatique , aux pressions artésiennes et à la charge hydraulique le long des limites du modèle d'une part (les conditions de charge ), ou aux entrées et sorties d'eau souterraine le long des limites du modèle d'autre part. (les conditions d'écoulement ). Cela peut également inclure des aspects de la qualité de l'eau comme la salinité.

Les conditions initiales se réfèrent aux valeurs initiales des éléments qui peuvent augmenter ou diminuer au cours du temps à l' intérieur du domaine du modèle et elles couvrent en grande partie les mêmes phénomènes que les conditions aux limites.

Les conditions initiales et aux limites peuvent varier d'un endroit à l'autre. Les conditions aux limites peuvent être soit maintenues constantes, soit rendues variables dans le temps.

Paramètres

Exemple de paramètres d'un modèle d'irrigation et d'eaux souterraines

Les paramètres concernent généralement la géométrie et les distances dans le domaine à modéliser et les propriétés physiques de l'aquifère qui sont plus ou moins constantes dans le temps mais qui peuvent être variables dans l'espace.

Les paramètres importants sont la topographie , des épaisseurs de couches sol / roche et leur horizontal / vertical conductivité hydraulique (perméabilité à l' eau), l' aquifère transmissivité et la résistance , aquifère porosité et coefficient de stockage , ainsi que la capillarité de la zone non saturée. Pour plus de détails voir l'article sur l' hydrogéologie .

Certains paramètres peuvent être influencés par des changements dans la situation des eaux souterraines, comme l'épaisseur d'une couche de sol qui peut diminuer lorsque la nappe phréatique baisse et/la pression hydraulique est réduite. Ce phénomène est appelé affaissement . L'épaisseur, dans ce cas, est variable dans le temps et n'est pas un paramètre à proprement parler.

Applicabilité

L'applicabilité d'un modèle d'eau souterraine à une situation réelle dépend de la précision des données d'entrée et des paramètres . La détermination de ceux-ci nécessite une étude considérable, comme la collecte de données hydrologiques ( pluie , évapotranspiration , irrigation , drainage ) et la détermination des paramètres mentionnés avant d'inclure les essais de pompage . Comme de nombreux paramètres sont assez variables dans l'espace, un jugement d'expert est nécessaire pour arriver à des valeurs représentatives.

Les modèles peuvent également être utilisés pour l' analyse si-alors : si la valeur d'un paramètre est A, alors quel est le résultat, et si la valeur du paramètre est B à la place, quelle est l'influence ? Cette analyse peut être suffisante pour obtenir une impression approximative du comportement des eaux souterraines, mais elle peut également servir à faire une analyse de sensibilité pour répondre à la question : quels facteurs ont une grande influence et lesquels ont moins d'influence. Avec de telles informations, on peut orienter davantage les efforts d'investigation vers les facteurs influents.

Lorsque suffisamment de données ont été rassemblées, il est possible de déterminer certaines des informations manquantes par étalonnage . Cela implique que l'on suppose une plage de valeurs pour la valeur inconnue ou douteuse d'un certain paramètre et que l'on exécute le modèle à plusieurs reprises tout en comparant les résultats avec les données correspondantes connues. Par exemple, si les chiffres de salinité des eaux souterraines sont disponibles et que la valeur de la conductivité hydraulique est incertaine, on suppose une gamme de conductivités et le sélectionne cette valeur de conductivité comme « vraie » qui donne des résultats de salinité proches des valeurs observées, ce qui signifie que le l'écoulement des eaux souterraines tel que régi par la conductivité hydraulique est en accord avec les conditions de salinité. Cette procédure est similaire à la mesure du débit d'une rivière ou d'un canal en laissant goutter de l'eau très salée d'une concentration en sel connue dans le canal et en mesurant la concentration en sel résultante en aval.

Dimensions

Les modèles d'eaux souterraines peuvent être unidimensionnels, bidimensionnels, tridimensionnels et semi-tridimensionnels. Les modèles bidimensionnels et tridimensionnels peuvent prendre en compte l' anisotropie de l'aquifère par rapport à la conductivité hydraulique , c'est-à-dire que cette propriété peut varier dans différentes directions.

Une, deux et trois dimensions

Modèle bidimensionnel de drainage souterrain dans un plan vertical
Grille tridimensionnelle, Modflow
  1. Des modèles unidimensionnels peuvent être utilisés pour l'écoulement vertical dans un système de couches horizontales parallèles.
  2. Les modèles bidimensionnels s'appliquent à un plan vertical alors que l'on suppose que les conditions des eaux souterraines se répètent dans d'autres plans verticaux parallèles (Fig. 4). Les équations d'espacement des drains souterrains et le bilan énergétique des eaux souterraines appliqués aux équations de drainage sont des exemples de modèles d'eaux souterraines bidimensionnels.
  3. Les modèles tridimensionnels comme Modflow nécessitent une discrétisation de l'ensemble du domaine de flux. À cette fin, la région d'écoulement doit être subdivisée en éléments plus petits (ou cellules), à la fois horizontalement et verticalement. A l'intérieur de chaque cellule, les paramètres sont maintenus constants, mais ils peuvent varier entre les cellules (Fig. 5). En utilisant des solutions numériques des équations d' écoulement des eaux souterraines, l'écoulement des eaux souterraines peut être trouvé comme horizontal, vertical et, le plus souvent, comme intermédiaire .

Semi-tridimensionnel

Carte d'un modèle radial semi-tridimensionnel constitué de cylindres concentriques verticaux à travers lesquels l'écoulement passe radialement vers le puits

Dans les modèles semi-tridimensionnels, le flux horizontal est décrit par des équations de flux bidimensionnelles (c'est-à-dire dans les directions horizontales x et y). Les écoulements verticaux (dans la direction z) sont décrits (a) avec une équation d'écoulement à une dimension, ou (b) dérivés d'un bilan hydrique des écoulements horizontaux convertissant l'excès d'eau souterraine entrant horizontalement sur l'eau souterraine sortant horizontalement en écoulement vertical sous l'hypothèse cette eau est incompressible .

Il existe deux classes de modèles semi-tridimensionnels :

  • Modèles continus ou modèles radiaux constitués de sous-modèles bidimensionnels dans des plans radiaux verticaux se coupant les uns les autres sur un seul axe. Le schéma d'écoulement est répété dans chaque plan vertical en éventail à partir de l'axe central.
  • Modèles discrétisés ou modèles prismatiques constitués de sous-modèles formés de blocs verticaux ou de prismes pour le flux horizontal combinés à une ou plusieurs méthodes de superposition du flux vertical.

Modèle radial continu

Un exemple de modèle radial non discrétisé est la description de l'écoulement des eaux souterraines se déplaçant radialement vers un puits profond dans un réseau de puits d'où l'eau est prélevée. L'écoulement radial traverse une section verticale cylindrique représentant l' équipotentielle hydraulique dont la surface diminue en direction de l'axe d'intersection des plans radiaux où se trouve le puits.

Carte d'une grille bidimensionnelle sur un cône alluvial pour un modèle prismatique semi-tridimensionnel, SahysMod

Modèle discrétisé prismatiquement

Les modèles prismatiquement discrétisés comme SahysMod ont une grille sur la surface terrestre uniquement. Le réseau quadrillé à 2 dimensions se compose de triangles, de carrés, de rectangles ou de polygones . Par conséquent, le domaine d'écoulement est subdivisé en blocs verticaux ou prismes . Les prismes peuvent être discrétisés en couches horizontales avec des caractéristiques différentes qui peuvent également varier entre les prismes. L'écoulement des eaux souterraines entre les prismes voisins est calculé à l'aide d'équations d'écoulement des eaux souterraines horizontales à 2 dimensions. Les flux verticaux sont trouvés en appliquant des équations de flux unidimensionnelles dans un sens vertical, ou ils peuvent être dérivés du bilan hydrique : l'excès de flux entrant horizontal sur le flux sortant horizontal (ou vice versa) est traduit en flux vertical, comme démontré dans l'article Hydrologie (agricole) .

Dans les modèles semi-tridimensionnels, le flux intermédiaire entre l'horizontale et la verticale n'est pas modélisé comme dans les modèles véritablement tridimensionnels. Pourtant, comme les modèles véritablement tridimensionnels, ces modèles permettent l'introduction de systèmes de drainage souterrains horizontaux et verticaux .

Les aquifères semi-confinés avec une couche lentement perméable recouvrant l'aquifère (l' aquitard ) peuvent être inclus dans le modèle en simulant un écoulement vertical à travers lui sous l'influence d'une surpression dans l'aquifère proprement dit par rapport au niveau de la nappe phréatique à l'intérieur ou au-dessus de l'aquitard.

Logiciel de modélisation des eaux souterraines et références

Voir également

Notes de bas de page

  1. ^ Rushton, KR, 2003, Hydrologie des eaux souterraines : modèles conceptuels et informatiques. John Wiley and Sons Ltd. ISBN  0-470-85004-3
  2. ^ Richards, LA (1931), Conduction capillaire de liquides à travers des milieux poreux, J. Appl. Phys ., 1(5), 318-333.
  3. ^ Ogden, FL, W. Lai, RC Steinke, J. Zhu, CA Talbot et JL Wilson (2015), Une nouvelle méthode générale de solution de zone de vadose 1-D, Water Resour. Rés. , 51, doi:10.1002/2015WR017126.
  4. ^ Ogden, FL, W. Lai, RC Steinke et J. Zhu (2015), Validation de la méthode de dynamique de zone vadose à teneur en eau finie à l'aide d'expériences sur colonne avec une nappe phréatique en mouvement et un flux de surface appliqué, Water Resour. Rés ., 51, doi:10.1002/2014WR016454.
  5. ^ Le bilan énergétique de l'écoulement des eaux souterraines appliqué au drainage souterrain dans les sols anisotropes par des tuyaux ou des fossés avec résistance à l'entrée , Institut international pour la remise en état et l'amélioration des terres (ILRI), Wageningen, Pays-Bas. Télécharger à partir de : [1] , ou directement en PDF : [2] Archivé le 19-02-2009 à la Wayback Machine Papier basé sur : RJ Oosterbaan, J. Boonstra et KVGK Rao, 1996, The energy balance of groundwater flow . Publié dans VPSingh et B.Kumar (éd.), Subsurface-Water Hydrology, p. 153-160, Vol.2 des Actes de la Conférence internationale sur l'hydrologie et les ressources en eau, New Delhi, Inde, 1993. Kluwer Academic Publishers, Dordrecht, Pays-Bas. ISBN  978-0-7923-3651-8 . Télécharger en PDF : [3] . Le modèle EnDrain correspondant peut être téléchargé à partir de : [4]
  6. ^ Guide en ligne pour MODFLOW-2000 et MODFLOW-2005
  7. ^ Drainage souterrain par puits (tubes) : équations d'espacement des puits pour des puits à pénétration totale et partielle dans des aquifères uniformes ou stratifiés avec ou sans anisotropie et résistance à l'entrée . Document expliquant les bases du modèle WellDrain, Institut international pour la remise en état et l'amélioration des terres (ILRI), Wageningen, Pays-Bas. Version mise à jour de : RJOosterbaan, Formules d'espacement des puits tubulaires pour le drainage souterrain. Publié dans : Smith, KVH et DW Rycroft (eds.) Conception hydraulique dans l'ingénierie des ressources en eau : Drainage des terres. Actes de la 2e Conférence internationale, Université de Southampton, p. 75-84. Springer‑Verlag, Berlin, 1986. Télécharger en PDF : [5] . Téléchargez le modèle WellDrain à partir de : [6]
  8. ^ ILRI, 1995. SahysMod : Modèle spatial d'agro-hydro-salinité. Description des principes, manuel d'utilisation et études de cas . Institut international pour la remise en état et l'amélioration des terres (ILRI), Wageningen, Pays-Bas. En ligne : [7]