Risk of subsidence and aquifer contamination due to evaporite dissolution : modelization of flow and mass transport in porous and free flow domains

par Ali Zidane

Thèse de doctorat en Mécanique des fluides

Sous la direction de Anis Younes et de Peter Huggenberger.

Soutenue le 13-12-2012

à Strasbourg en cotutelle avec l'Universität Basel , dans le cadre de École doctorale Sciences de la Terre et Environnement (Strasbourg ; 2000) , en partenariat avec Laboratoire d'hydrologie et de géochimie de Strasbourg (équipe de recherche) .

Le président du jury était Philippe Ackerer.

Le jury était composé de Eric Zechner.

Les rapporteurs étaient Brahim Amaziane, Georg Kaufmann.

  • Titre traduit

    Risque de subsidence et de contamination d'aquifère due à la dissolution des evaporites : modélisation d'écoulement et du transport du masse dans les milieux poreux et les milieux non-poreux


  • Résumé

    La circulation de l’eau souterraine dans les aquifères contenants des roches évaporitiques peut provoquer des problèmes géo-mécaniques tels que l'affaissement du sol ou l'effondrement. Dans ce travail, nous nous intéressons au développement de modèles numériques permettant de simuler les écoulements dans les milieux poreux et non poreux ainsi que les phénomènes de dissolution et d’évolution des fractures dans le temps. La première partie de cette thèse est consacrée au développement de nouvelles solutions pour la validation des modèles numériques simulant les écoulements densitaires en milieux poreux. La nouvelle procédure consiste à résoudre simultanément les deux systèmes d’écoulement et de transport en utilisant l’algorithme de Levenberg-Marquardt. L’utilisation de cette technique nous a permis de développer, pour la première fois, des solutions semi-analytiques d’intrusion d’eau salée dans le cas de faible diffusion ainsi que dans le cas d’un grand contraste de densité. Dans la deuxième partie de ce travail, nous nous sommes intéressés aux écoulements dans les fractures des roches évaporitiques. Un code de calcul a été développé pour résoudre ce système non linéaire en utilisant des méthodes numériques adaptées. Pour valider ce nouveau modèle, nous avons développé une solution semi-analytique pour les écoulements densitaires de Stokes. La troisième partie de ce travail est consacrée au transport avec dissolution de la roche salée. Dans un premier temps, nous avons étudié l’influence de différents paramètres sur la dissolution du sel dans l’Adler tunnel situé à une profondeur de 160 m dans la région de Bâle en Suisse. Dans un second temps, nous nous sommes intéressés à la simulation de l’évolution dune fracture sous l’effet de la dissolution. Le modèle numérique développé prend en compte les écoulements de Stokes ainsi que le transport de masse avec effets densitaires et la dissolution des parois de la fracture.


  • Résumé

    The groundwater flow in aquifers contain evaporite rocks can cause problems such as geo-mechanical subsidence or collapse. In this work, we focus on the development of numerical models to simulate the flow in porous and non-porous domains in order to study the dissolution phenomenon and fractures evolution over time. The first part of this thesis is devoted to developing new solutions for the validation of numerical models to simulate density driven flow in porous media. The new procedure consist of solving simultaneously the flow and the transport equations using the Levenberg-Marquardt algorithm. The use of this technique allowed us to develop, for the first time, semi-analytical solutions of saltwater intrusion in the case of small diffusion and in the case of a large density contrast. In the second part of this work, we studied the flow in evaporitic rocks. A numerical code was developed to solve the nonlinear system using advanced numerical methods. To validate this new model, we have developed a semi-analytical solution for the density Stokes flow. The third part of this work is devoted to transport with dissolution of rock salt. As a first step, we studied the influence of various parameters on the dissolution of salt in Adlertunnel located at a depth of 160 m in the region of Basel in Switzerland. In a second step, we are interested in the simulation of the fracture’s evolution as a result of the dissolution. The numerical model takes into account the Stokes flow and mass transport effects and dissolution of the fracture walls.


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