Élaboration d'une méthodologie de détection et de caractérisation des courts-circuits hydrauliques entre aquifères causés par un défaut de scellement de puits

par Romain Chesnaux

Thèse de doctorat en Génie civil, hydrosystèmes, géotechnique

Sous la direction de Michel A. Buès.

Soutenue en 2005

à Vandoeuvre-les-Nancy, INPL .


  • Résumé

    Une approche théorique et expérimentale a été développée pour la détection de courtscircuits hydrauliques et la quantification de la contamination croisée dans le contexte de deux aquifères séparés par un aquitard et interceptés par un forage. De tels écoulements peuvent être dus, par exemple, à un défaut de scellement de puits de pompage ou de puits d'observation et peuvent avoir de graves conséquences économiques et de santé publique si l'aquifère inférieur est exploité pour la production d'eau de consommation. L'approche envisagée s'insère dans une perspective de développement durable et de préservation des ressources en eau. Le projet de recherche a consisté à développer et tester d'une part un protocole technique de détection des courts-circuits hydrauliques, et d'autre part une application mathématique pour caractériser et quantifier l'importance des débits de fuite engendrés par les courts-circuits hydrauliques. La méthode a été testée et validée par des modélisations numériques, des expériences de laboratoire à petite échelle, et à grande échelle sur un site de recherche expérimental. La méthode consiste en la réalisation de séries de pompages successifs à débits variables dans l'aquifère inférieur pour lesquelles les débits de fuite associés sont évalués. Le débit de fuite est déterminé à partir d'un essai de traçage non réactif. À chaque palier de pompage, un traceur est injecté en continue et à concentration constante dans un piézomètre installé dans l'aquifère supérieur. Si un défaut de scellement existe, le traceur s'écoulera à travers celui-ci et pourra être récupéré en sortie de pompage dans l'aquifère inférieur. Les équations présentées décrivent la relation existant entre le débit de fuite, la concentration d'injection du traceur, le débit de pompage et la concentration stabilisée mesurée en sortie de pompage. Des propriétés hydrauliques et géométriques du défaut de scellement peuvent ensuite être déterminées. La méthode a été testée sur le terrain, sur le site expérimental de Sorel au Québec, caractérisé par l'existence d'un système aquifère à nappe libre/aquifère à nappe captive séparé par un aquitard. Plusieurs forages ont été réalisés pour lesquels des défauts de scellement artificiels ont été créés. Les essais de terrain ont consisté à injecter une solution diluée de lithium dans l'aquifère à nappe libre et à réaliser une série de pompage dans l'aquifère à nappe captive. Les concentrations en lithium recueillies ont alors été utilisées pour les prédictions des débits de fuite. Les propriétés hydrauliques et géométriques des défauts de scellement ont ensuite été déterminées Les résultats obtenus ont alors été confrontés avec les caractéristiques in situ connues des défauts de scellement. La méthode proposée présente plusieurs avantages. Elle est relativement simple et peu coûteuse pour une application sur le terrain, aussi bien pour tester de nouveaux puits ou d'anciens puits déjà en place. Le piézomètre, qui fonctionne également en puits d'injection, peut être installé dans le même trou de forage que le puits (dans le cas de l'installation d'un nouveau puits) ou bien être installé dans un autre forage à proximité du puits (dans le cas d'un puits déjà en place). Le puits de pompage lui-même permet de recueillir les eaux marquées. Une limite pour l'application de la méthode est à relever. Elle concerne le contraste de conductivité hydraulique entre le défaut de scellement et l'aquitard. Il a été montré numériquement que pour un bon fonctionnement de la méthode, la conductivité hydraulique de l'aquitard doit être au moins de deux ordres de grandeur plus faible que la conductivité hydraulique du défaut de scellement. La théorie sur laquelle se base la méthode suppose que l'écoulement à travers l'aquitard est négligeable par rapport à celui du défaut de scellement. Dans le cas contraire, la méthode ne permettra pas une bonne évaluation des débits de fuite à travers le défaut de scellement. Bien que des hypothèses doivent être réalisées, la méthode fonctionne dans un cadre très général de système aquifères/aquitards. Enfin, il est à signaler que les propriétés du défaut de scellement pouvant évoluer dans le temps, l'importance de la contamination croisée est susceptible d'être modifiée. C'est pourquoi un puits suspect pourrait être amené à être retesté. Si le protocole est suivi et que les hypothèses sont respectées, la méthode développée constitue une approche très pratique et très fiable pour la détection et la caractérisation de courts-circuits hydrauliques engendrés par des défauts de scellement de puits.

  • Titre traduit

    ˜A œmethodology for detecting and characterizing hydraulic short-circuits due to improperly sealed boreholes


  • Résumé

    An experimental and theoretical approach has been developed for detecting and quantifying hydraulic short-circuits and cross-contamination between two aquifers separated by an aquitard and intersected by a borehole. Such leaks can be caused, for example, by improperly sealed pumping or monitoring wells and can have serious economic and health consequences if the underlying aquifer is being pumped for water supply. The research was undertaken within the global perspective of sustainable development and as an application of water resources protection. The research project consisted in developing and testing a technical approach and associated instrumentation for detection of short-circuits, and a mathematical approach to characterize and quantify the fluid and mass leakage rates. The methodology was successfully tested by numerical modelling, small-scale laboratory experiments, then finally at a large-scale field research site. The method consists in executing a series of successive, variable-rate pumping tests in the lower aquifer and measuring the leakage rates associated with each of the pumping steps. The leakage rate is estimated by a non reactive tracer test. At each pumping step, the tracer is injected under constant concentration from a piezometer installed in the upper aquifer. If a seal defect exists, the tracer will leak past the seal defect and will be recovered from the lower aquifer. The theoretical equations presented here describe the relationship between the leakage rate, the initial concentration of the injected tracer, the pumping rate and the recovered concentration. Hydraulic and geometrical properties of the seal defect can then be determined. The methodology was tested at the Sorel, Quebec field site, which is characterized by an unconfined and confined aquifer separated by an aquitard. The site includes several boreholes for which defective seals were artificially created. The field trial consisted of injecting a diluted lithium solution into the upper aquifer and concomitantly executing a series of pumping tests in the confined aquifer. The recovered lithium concentrations were used to confirm the theoretical solution for predicting the leakage rates. The predicted behaviour of the short-circuits and their calculated geometric and physical properties were confirmed with the in situ data. This newly developed methodology has several advantages. It is relatively simple and inexpensive to apply in the field, for wells to be newly dug as well as for existing wells. The piezometer, which also functions as the injection port, can be installed within the same borehole as the well (in the case of a new well), or drilled separately (for an existing well). The pumping well itself is used to monitor the tracer breakthrough. One limitation has been identified in regards to the applicability of this method. It concerns the contrast of hydraulic conductivity between the aquitard and the defective seal. It has been numerically shown that in order for the method to function, the hydraulic conductivity of the aquitard must be inferior to the hydraulic conductivity of the defective seal by at least two orders of magnitude. The theory upon which the method is based supposes that the aquitard leakage rate is negligible compared to that of the defective seal. In the opposite case, the method will not provide an accurate prediction of the leakage rate through the defective seal. Although some assumptions must be made, the method works for a wide range of aquifer/aquitard properties and leakage rates. However it must remembered that the properties of a seal can change with time, which can affect the degree of crosscontamination. Thus a suspect well should be re-tested fairly often. If the protocol is followed and the assumptions are respected, the approach provides a useful and practical method for detecting hydraulic short circuits.

Consulter en bibliothèque

La version de soutenance existe sous forme papier

Informations

  • Détails : 1 vol. (XXXIV - 293 p.)
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : Bibliogr. p. 275-280.

Où se trouve cette thèse ?

  • Bibliothèque : Université de Lorraine. Direction de la documentation et de l'édition. BU Ingénieurs.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : 2005 CHESNAUX R.

Cette version existe également sous forme de microfiche :

  • Bibliothèque : Université Pierre et Marie Curie. Bibliothèque Universitaire Pierre et Marie Curie. Section Sciences de la Terre Recherche - cartothèque - CADIST.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : 05 INPL 029N
Voir dans le Sudoc, catalogue collectif des bibliothèques de l'enseignement supérieur et de la recherche.