Mise en évidence des connexions hydrauliques entres aquifères

Mise en évidence des connexions hydrauliques entres aquifères

Mise en évidence régionale à partir de l’observation des niveaux statiques et des facies hydrochimiques et isotopiques 

Il est possible de faire une première appréciation des liens hydrauliques entre des aquifères en comparant les niveaux statiques observés dans des piézomètres installés dans les différentes unités géologiques, comme l’ont fait Smith et Hunt (2009) et Elliott (2014). La similitude des niveaux statiques observés ou bien leur différence peut donner une indication sur l’existence ou bien l’absence de connexions hydrauliques à l’échelle régionale ou à l’échelle d’un champ captant par exemple. Ces observations permettent de fournir une première hypothèse sur le système d’écoulement régional dans un contexte multi-aquifères.

Santi et al. (2006) comparent les facies hydrochimiques de différentes couches aquifères et aquitards granulaires afin de caractériser les échanges entre ces dernières. Smith et Hunt (2009) ont également comparé les facies hydrochimiques de deux aquifères rocheux fracturés pour démontrer l’absence de connexions hydrauliques verticales entre ceux-ci. Sharma et al. (2014) montrent que la comparaison isotopique des différentes sources d’eau permet de prendre position quant aux risques d’échanges hydrauliques entre différents aquifères.

Dans le cas de trous ouverts dans plusieurs aquifères, la conséquence d’une mise en relation anthropique est investiguée par Betcher et Ferguson (2003). À partir de l’observation sur plusieurs puits, ces auteurs ont mis en évidence une diminution de l’artésiannisme de l’aquifère profond ainsi qu’une dégradation de la qualité de l’eau de l’aquifère sus-jacent au cours du temps, conséquences des échanges hydrauliques entre les deux aquifères créés par les forages ouverts.

Détection de connexions hydrauliques par un essai de traçage

L’essai de traçage consiste à injecter un traceur en un point de l’aquifère et à mesurer l’évolution temporelle de la concentration de ce traceur dans l’eau en un point de prélèvement via un piézomètre ou une résurgence. C’est donc la méthode par excellence qui permet la vérification de la présence d’un lien hydraulique entre deux unités données (e.g. Lauber et al., 2014); bien que la non-détection du traceur au point de prélèvement ne permette pas la conclusion d’une absence de connexion entre deux unités.

Dans la littérature reliée à la thématique des connexions hydrauliques, l’essai de traçage a souvent été utilisé pour la détection de courts-circuits hydrauliques de puits pénétrant complètement deux aquifères séparés par un aquitard (e.g., Meiri, 1989; Chesnaux, 2005; Chesnaux et al., 2006; Chesnaux et Chapuis, 2007) .

Détection de connexions hydrauliques par des méthodes géophysiques

Les études géophysiques par sismique réfraction, de même que la résistivité électrique, l’électromagnétisme dans le domaine du temps et la détection du radon (Reddy et al., 2006) sont des méthodes qui peuvent permettre de détecter la position du socle rocheux ainsi que différencier des zones intactes de zones plus densément fracturées où des échanges hydrauliques avec les unités granulaires sus-jacentes peuvent avoir lieu. Ces méthodes sont coûteuses et ne constituent pas des méthodes directes, elles doivent être couplées à d’autres méthodes.

Les diagraphies géophysiques consistent généralement à analyser certaines propriétés physiques des lithologies en place, à l’aide de différentes sondes effectuant des mesures à l’intérieur des forages. Parmi diverses techniques, la diagraphie acoustique consiste à mesurer la vitesse du son dans les unités géologiques rencontrées et peut être utilisée pour évaluer la qualité du scellement en place dans des milieux granulaires. En effet, Yesiller at al. (1997) ainsi que Christman et al. (2002) montrent que la réponse acoustique varie en fonction des conditions d’hydratation du matériau de scellement, certaines réponses traduisant un mauvais contact entre la bentonite et le tubage du puits ou des fissures internes du matériau. Plusieurs matériaux de scellement sont testés tels que les granulés ou copeaux de bentonite ou encore le mélange ciment-bentonite. Cependant, cette technique ne permet pas de détecter la présence d’un courtcircuit hydraulique, même si un mauvais scellement est détecté. Une autre technique de diagraphie utilise la radioactivité des rayons gamma (traversant les tubages en PVC ou en acier) émise par les lithologies rencontrées. Cette technique permet de localiser les milieux argileux par exemple car la radioactivité y est importante, ou encore les milieux riches en matière organique et les unités détritiques contenant des feldspaths ou enrichies en minéraux lourds. Cette méthode permet également d’évaluer le scellement d’un puits (Dunnivant et al., 1997) en injectant de l’eau contenant un traceur radioactif dans l’espace annulaire scellé et en suivant son cheminement à travers le scellement à l’aide d’une sonde à neutrons et de mesure par spectroscopie gamma. C’est une méthode indirecte qui reste cependant imprécise et coûteuse.

Keys (1988) et Williams et Conger (1990) utilisent la géophysique sur des puits ouverts sur plusieurs aquifères pour déterminer le sens des écoulements verticaux à l’intérieur du trou de forage. En particulier, un forage dans le roc croise potentiellement plusieurs zones de fractures indépendantes dont l’eau provient de sources différentes. Mettre en contact ces zones de fractures par l’intermédiaire d’un forage constitue un risque de contamination croisée, notamment s’il existe un gradient hydraulique positif entre une zone fracturée dont l’eau est contaminée et une zone fracturée non contaminée. Un moyen de détecter ces échanges verticaux entre zones aquifères traversées par le forage est l’utilisation d’un débitmètre qui donne la direction et le débit les écoulements provenant de chaque fracture ou zone fracturée. Cette technique est souvent couplée à un télévisionneur acoustique  ou une géocaméra qui permet de visualiser la position des fractures le long du forage (Morin et al., 1997). Une autre technique (Pehme et al., 2014) consiste à effectuer une perturbation thermale (chauffage) dans le trou de forage; puis à mesurer la magnitude et la direction du gradient géothermal pendant le retour à l’équilibre à l’aide d’une sonde de température spécifique. Ceci permet une plus grande précision quant à la détermination du sens et de la vitesse des écoulements dans le milieu fracturé.

Table des matières

CHAPITRE 1
INTRODUCTION
1.1. Mise en contexte
1.2. Les connexions hydrauliques entre aquifères et leurs conséquences
1.3 Format de la thèse et description succincte du projet
1.4 Références
CHAPITRE 2
ÉTAT DES CONNAISSANCES ET PROBLÉMATIQUE
2.1 Caractérisation hydraulique régionale des aquifères : évaluation des propriétés hydrauliques des aquifères
2.1.1 Méthodes usuelles d’estimation de la transmissivité ou de la conductivité hydraulique
2.1.2 Estimation de la transmissivité ou de la conductivité hydraulique à partir du débit spécifique
2.1.3 Représentativité des valeurs de transmissivité et de conductivité hydraulique calculées
2.2 Mise en évidence des connexions hydrauliques entres aquifères
2.2.1 Mise en évidence régionale à partir de l’observation des niveaux statiques et des facies hydrochimiques et isotopiques
2.2.2 Détection de connexions hydrauliques par un essai de traçage
2.2.3 Détection de connexions hydrauliques par des méthodes géophysiques
2.2.4 Détection d’un court-circuit hydraulique induit par un défaut de scellement de puits par un essai de perméabilité in situ à niveau variable
2.2.5 Détection d’un court-circuit hydraulique induit par un défaut de scellement de puits par la courbe de remontée après pompage
2.2.6 Méthodes de forage favorisant un mauvais ancrage des puits dans le roc
2.2.7 Illustration des conséquences hydrauliques et chimiques des connexions hydrauliques à partir d’études numériques
2.2.8 Applications relatives à l’étude des connexions hydrauliques entre aquifères rocheux fracturés et granulaires
2.3 Problématique spécifique au sujet
2.4 Hypothèse principale et objectifs
2.5 Choix du territoire d’étude : le bassin versant du Saguenay
2.6 Méthodologie utilisée
2.7 Références
CHAPITRE 3
ESTIMATING THE RELIABILITY OF AQUIFER TRANSMISSIVITY VALUES OBTAINED FROM SPECIFIC CAPACITY TESTS: EXAMPLES FROM THE SAGUENAY-LAC-SAINT-JEAN AQUIFERS, CANADA 
3.1 Abstract
3.2 Introduction and background
3.3 Study area and data source
3.3.1 Study area
3.3.2 Characteristics of the data used in the study
3.4 Methodology
3.4.1 Calculating the transmissivity from specific capacity tests
3.4.2 Comparison with long and short duration pumping tests.
3.4.3 Uncertainties and correction of transmissivity values
3.5 Results and interpretation
3.5.1 Transmissivity values from specific capacity tests and comparison with values from short and long duration pumping tests using an ANOVA
3.5.2 Investigation of scale effects
3.5.3 Empirical relationship between transmissivity and specific capacity
3.6 Discussion and conclusion
3.7 Acknowledgements
3.8 References
CHAPITRE 4
FIELD EVIDENCE OF HYDRAULIC CONNECTIONS BETWEEN BEDROCK AQUIFERS AND OVERLYING GRANULAR AQUIFERS: EXAMPLES FROM THE GRENVILLE PROVINCE OF THE CANADIAN SHIELD 
4.1 Abstract
4.2 Introduction and background
4.3 Regional hydrogeology and description of the experimental sites
4.4 Field evidence of hydraulic connections between aquifers
4.4.1 Hydraulic observations
4.4.2 Geophysical observations
4.4.3 Hydrochemical evaluation
4.4.4 Regional observations
4.5 Discussion
4.5.1 Specific sites
4.5.2 General discussion on hydraulic connections between the granular and the bedrock aquifers
CONCLUSION 

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