Contribution des Systèmes d’Informations Géographiques (SIG) à la gestion et à l'aide à la décision : approche pluridisciplinaire pour l’évaluation des aspects à risques : site d’application : dans le nord de la France

par Hanan Darwishe

Thèse de doctorat en Génie civil

Sous la direction de Erick Carlier.

Soutenue le 21-10-2011

à Lille 1 , dans le cadre de École doctorale Sciences pour l'Ingénieur (Lille) .


  • Résumé

    La nappe de la craie du Nord de la France est actuellement confrontée à des concentrations en nitrates qui dépassent les limites fixées par la directive européenne sur les nitrates. Dans le secteur de Lens (Pas-de-Calais), l’alimentation en eau potable se fait principalement dans cette nappe, où les concentrations en nitrates peuvent atteindre 100 mg/l. A quelques kilomètres au Nord (17 km de Lens), la nappe de la craie devient captive et il se produit une dénitrification naturelle qui assure une bonne qualité de l'eau. La gestion de la ressource en eau dans le secteur de Béthune, nécessite la réalisation d’une modélisation numérique qui s’est avérée comme un outil très performant pour comprendre le fonctionnement hydrodynamique des aquifères.L’utilisation de Systèmes d'Information Géographique (SIG) offre une plate-forme intégrée de gestion, d’analyse, de modélisation, d'affichage et d’aide à la décision. Une méthodologie basée sur la combinaison des SIG, la modélisation hydrogéologique, la modélisation hydrodispersive et les réseaux de neurones artificiels (RNA), a été adoptée pour orienter la gestion des eaux souterraines. Un modèle hydrodynamique a été créé par le code Modflow à l’aide d’un SIG. Un modèle conceptuel de données MCD préparé selon la méthode HBDS a permis de visualiser les liens qui existent entre les différents phénomènes étudiés. Le modèle physique de données MPD représenté par les geodatabases, a été réalisé pour structurer l'information spatiale (géographique) et/ou aspatiale (thématique). Le traitement, la manipulation et la création des données d’entrée ont été réalisés à l’aide d’un modèle conçu dans ArcGIS. Deux simulations ont été faites, en régime permanent pour caler le modèle, puis en régime transitoire pour étudier l’impact de prélèvements dans deux puits situés à Béthune. Le but recherché était de définir les débits optimums de prélèvements d'eau dans ces puits de manière à fournir une alimentation en eau potable dans secteur de Lens tout en préservant la capacité de dénitrification de l'aquifère exploité. Des scénarios de prélèvements, simulés par Modflow et à l’aide du RNA, ont été définis et testés pour des années sèches et humides au cours de la période 1972-2008. Un modèle de transport de nitrates a été créé par le code MT3D, et comparé avec un autre modèle basé sur un couplage entre le (RNA) et le (SIG) pour la prédiction spatiale de pollution par les nitrates des eaux souterraines. Ce modèle couplé permet la création de cartes de distribution spatiale des concentrations en nitrates à différentes échelles de temps, sans création de modèles de transport qui s'appuient sur des équations mathématiques complexes et nécessitent beaucoup de données d'entrée. Afin de mettre à profit les résultats des modèles créés dans cette étude, un outil de consultation et de gestion des données (GWMV) a été créé dans ArcGIS en VBA (Visual Basic for Applications). Cet outil contient des interfaces qui sont crées dans le cadre de la gestion de l’aquifère de Béthune. L’utilisateur peut consulter les bases de données en entrées et en sorties de manière simple et efficace.Ces travaux, bien qu'appliqués à l’aquifère de Béthune, sont génériques. La méthodologie suivie peut être appliquée à plusieurs types d’aquifères. De même, les travaux de modélisation, d'analyses, de simulation, et de création des interfaces sont adaptables à des problématiques différentes.

  • Titre traduit

    Contribution of Geographic Information Systems (GIS) in management and decision support : multidisciplinary approach for the risk evaluation : application area : northern France


  • Résumé

    The chalk aquifer of northern France is currently facing nitrate concentrations above the levels specified in the European Nitrates Directive. In the urban area of Lens, the drinking water resource occurs mainly in this chalk aquifer, but its nitrate concentrations can reach 100mg/l. This modeling study focuses on the chalk aquifer located in Béthune (17 km from Lens), which provides natural denitrification and ensures a good drinking water quality The management of Béthune’s aquifer requires the implementation of a numerical modeling that has proven to be a powerful tool for understanding the hydrodynamic behaviour of this chalk aquifer. Geographic Information Systems (GIS) offers an integrated platform of management, analysis, modeling, display and decision support. In this research, a methodology, based on the combination of GIS, hydrogeological modeling by Modflow, transport modeling by MT3D and Artificial Neural Networks model (ANN), was adopted to support groundwater management. A numerical flow model was created by the code “Modflow” using a Geographic Information System. A conceptual data model CDM has been prepared according to HBDS method and this is to visualize the relationships between the different studied phenomena. The physical data model PDM presenting by geodatabases has been made mainly in order to structure spatial (geographic) and/or no spatial (thematic) information, treatment, handling and creating input data were performed with a model designed in ArcGIS 9.3.1 software. Two simulations were done, steady state simulation in order to calibrate the model and transient simulation to define an optimum level of water use from two wells located in Béthune’s aquifer so as to supply Lens with drinking water without reducing the aquifer’s denitrification capacity. Water usage scenarios are defined and tested (in Modflow and using RNA) for dry and for wet years over the period 1972-2008. A nitrate transport model has been created by the code MT3D, and compared with another model based on a coupling between ANN and Geographic Information Systems (GIS) which build for spatial nitrate prediction of groundwater. This coupled model allows to create spatial distribution maps of nitrates at different time scales without creating transport models that rely on complex mathematical equations and that require a lot of input data. To get better the results of models created in this study, a tool of consulting and data management (GWMV) was created in ArcGIS using the VBA. This tool provides interfaces that are created for Bethune‘s aquifer management. The user can view and consult the inputs and outputs data in a more simple and effective way.


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