Jean-Christophe Comte HYDRIAD, Nîmes Laboratoire d’Hydrogéologie, Université d’Avignon UMR EMMAH

1. Jean-Christophe Comte HYDRIAD, Nîmes Laboratoire d’Hydrogéologie, Université d’Avignon UMR EMMAH Apport de la tomographie électrique à la modélisation des écoulements densitaires dans les aquifères côtiersApplication à trois contextes climatiques contrastés (Canada, Nouvelle-Calédonie, Sénégal)

2. Cadre et enjeux • Contrat CIFRE université - entreprise • Laboratoire d’Hydrogéologie d’Avignon • HYDRIAD Eau & Environnement • Besoins des bureaux d’études • Caractérisation des biseaux salés et des intrusions • Scénarios évolutifs / Vulnérabilité / Risques • Outils existants • Méthodes géophysiques • Modèles mathématiques • Méthode de couplage plus rigoureuse et plus fiable • Amélioration de l’interprétation des données géophysiques • Amélioration de la représentativité des modèles hydrogéologiques

3. Plan de la présentation • Problématique hydrogéologique • Outils d’investigation et de modélisation • Simulation des écoulements densitaires • Tomographie de résistivité électrique (ERT) • Relations entre propriétés géo-électriques et paramètres hydrogéologiques • Exemples de sites d’application • Les intrusions salines aux Îles-de-la-Madeleine (Québec, Canada) • La lentille d’eau douce de l’îlot corallien M’Ba (lagon de Nouméa, Nouvelle-Calédonie) • Le système salin côtier dunaire de Pikine (presqu’île du Cap-Vert, Sénégal) • Proposition d’une méthodologie de validation croisée des modèles géo-électriques et hydrogéologiques

4. Aquifères côtiers : • forte pression démographique industrielle et touristique • forte vulnérabilité de la ressource en eau aux intrusions salines (sur-exploitation) • Impact prévu des changements globaux • Modèles mathématiques d’écoulements densitaires : • gestion et protection de la ressource côtière • modèles sensibles et lourds • validation nécessite des données haute résolution • Prospection géophysique électrique : • Sensible aux changements lithologiques et à la distribution 3D de la salinité • Méthode largement utilisée en prospection hydrogéologique (bureaux d’étude) • Problème de non-unicité des résultats (inversion) Problématique hydrogéologique

5. Modélisation des écoulements densitaires dans les aquifères • Concepts : • Modèles d’interface franche • -> solutions analytiques • Modèles d’interface diffuse • -> solutions numériques

6. Modélisation des écoulements densitaires dans les aquifères • Méthodologie de développement des modèles numériques (SUTRA) : • Discrétisation • -> définition d’un maillage spatial 2D ou 3D • -> définition du pas de temps

7. Modélisation des écoulements densitaires dans les aquifères • Méthodologie de développement des modèles numériques (SUTRA) : • Discrétisation • -> définition d’un maillage spatial 2D ou 3D • -> définition du pas de temps • Paramétrage • -> paramètres du milieu aquifère (perméabilités, emmagasinements, dispersivités) • -> conditions aux limites (recharge, évapotranspiration, niveau et salinité de la mer, prélèvement par les puits, etc.)

8. Modélisation des écoulements densitaires dans les aquifères • Méthodologie de développement des modèles numériques (SUTRA) : • Discrétisation • -> définition d’un maillage spatial 2D ou 3D • -> définition du pas de temps • Paramétrage • -> paramètres du milieu aquifère (perméabilités, emmagasinements, dispersivités) • -> conditions aux limites (recharge, évapotranspiration, niveau et salinité de la mer, prélèvement par les puits, etc.) • Simulations • -> calcul couplé des pressions et vitesses de pore • -> calcul couplé des concentrations en sel

9. Modélisation des écoulements densitaires dans les aquifères • Méthodologie de développement des modèles numériques (SUTRA) : • Discrétisation • -> définition d’un maillage spatial 2D ou 3D • -> définition du pas de temps • Paramétrage • -> paramètres du milieu aquifère (perméabilités, emmagasinements, dispersivités) • -> conditions aux limites (recharge, évapotranspiration, niveau et salinité de la mer, prélèvement par les puits, etc.) • Simulations • -> calcul couplé des pressions et vitesses de pore • -> calcul couplé des concentrations en sel • Calibration/validation • -> comparaison avec des données piézométriques • -> comparaison avec des données de salinité

10. Modélisation des écoulements densitaires dans les aquifères • Le problème du calage/validation : • Données piézométriques généralement suffisantesMAIS parfois : • -> problèmes d’équivalents d’eau douce en milieu salin • -> effets densitaires liés au sel peuvent opposer les écoulements aux gradients calculés en équivalents d’eau douce

11. Modélisation des écoulements densitaires dans les aquifères • Le problème du calage/validation : • Données piézométriques généralement suffisantesMAIS parfois : • -> problèmes d’équivalents d’eau douce en milieu salin • -> effets densitaires liés au sel peuvent opposer les écoulements aux gradients calculés en équivalents d’eau douce • Données de salinité généralement insuffisantesCAR : • -> limitées aux mesures en forage et eaux de surface • -> mélanges verticaux importants dans les forages • -> structure complexe de la zone de transition eau douce – eau salée en 2D ou 3D (forts gradients localisés, remontées coniques, etc.)

12. Modélisation des écoulements densitaires dans les aquifères • Le problème du calage/validation : • Données piézométriques généralement suffisantes MAIS parfois : • -> problèmes d’équivalents d’eau douce en milieu salin • -> effets densitaires liés au sel peuvent opposer les écoulements aux gradients calculés en équivalents d’eau douce • Données de salinité généralement insuffisantes CAR : • -> limitées aux mesures en forage et eaux de surface • -> mélanges verticaux importants dans les forages • -> structure complexe de la zone de transition eau douce – eau salée en 2D ou 3D (forts gradients localisés, remontées coniques, etc.) • Intérêt de la géophysique comme outil de calage/validation : • Résistivité électrique = mesure indirecte de la salinité • ERT fournit une image 2D ou 3D de la distribution des résistivités électriques

13. Modélisation des écoulements densitaires dans les aquifères • Modélisation des écoulements densitaires : Exemple 2D

14. Tomographie de résistivité électrique (ERT) • Distribution 2D (section) ou 3D (volume) des résistivités du sous-sol

15. Tomographie de résistivité électrique (ERT) • Inversion géo-électrique : déconvolution du signal mesuré

16. Relations hydro-pétrophysiques liant les paramètres géo-électriques et hydrochimiques • Relations pétrophysiques (propriétés électriques des roches) • Relations " hydro-physico-chimiques " (propriétés électriques de la solution de pore) • Correction de température (variation de la résistivité avec la température)

17. Relations hydro-pétrophysiques liant les paramètres géo-électriques et hydrochimiques • Relations pétrophysiques : résistivité totale = f (résistivité eau) • Archie (1942) -> matériau non argileux • Waxman & Smits (1968) -> matériaux argileux • Autres modèles plus complexes (ex. Revil et al., 1998) Conduc. Elect. totale (µS/cm) Conduc. Elect. de l’eau de pore (µS/cm) Conduc. Elect. de l’eau de pore (µS/cm) • Relations "hydro-physico-chimiques" : résistivité de l’eau = f (salinité) • Corrélations sur données d’échantillonnage de terrain • Hem (1985) -> milieu côtier (eaux naturelles salées) TDS (mg/l)

18. Exemples de cas d’étude : singularités, acquisitions ERT et simulations • Localisation et singularités des sites d’étude • Résultats ERT et modélisation des écoulements densitaires • Comparaisons et rapprochements ERT/modèles

19. Exemples de cas d’étude : singularités, acquisitions ERT et simulations • Sites d’étude : Québec, Nouvelle-Calédonie, Sénégal

20. Exemples de cas d’étude : singularités, acquisitions ERT et simulations • Sites d’étude : Québec, Nouvelle-Calédonie, Sénégal Îles-de-la Madeleine (Québec)

21. Exemples de cas d’étude : singularités, acquisitions ERT et simulations • Sites d’étude : Québec, Nouvelle-Calédonie, Sénégal Îlot M’Ba (Nouvelle-Calédonie)

22. Exemples de cas d’étude : singularités, acquisitions ERT et simulations • Sites d’étude : Québec, Nouvelle-Calédonie, Sénégal Presqu’île du Cap-Vert (Sénégal)

23. Exemples de cas d’étude : singularités, acquisitions ERT et simulations • Îles-de-la Madeleine :Contexte

24. Exemples de cas d’étude : singularités, acquisitions ERT et simulations • Résultats ERT

25. Exemples de cas d’étude : singularités, acquisitions ERT et simulations • Modélisation des écoulements densitaires : piézométrie

26. Exemples de cas d’étude : singularités, acquisitions ERT et simulations • Modélisation des écoulements densitaires : zone de transition eau douce/eau salée

27. Exemples de cas d’étude : singularités, acquisitions ERT et simulations • Comparaison qualitative ERT/simulations

28. Exemples de cas d’étude : singularités, acquisitions ERT et simulations • Îlot M’Ba : contexte

29. Exemples de cas d’étude : singularités, acquisitions ERT et simulations • Résultats ERT

30. Exemples de cas d’étude : singularités, acquisitions ERT et simulations • Modélisation des écoulements densitaires : piézométrie et salinité

31. Exemples de cas d’étude : singularités, acquisitions ERT et simulations • Presqu’île du Cap-Vert :contexte

32. Exemples de cas d’étude : singularités, acquisitions ERT et simulations • Résultats ERT et écoulements densitaires

33. Méthodologie de validation croisée entre modèles géophysiques et hydrogéologiques • Les résultats obtenus sur les 3 sites montrent une comparaison variable entre résultats géophysiques et simulations densitaires

34. Méthodologie de validation croisée entre modèles géophysiques et hydrogéologiques • Les résultats obtenus sur les 3 sites montrent une comparaison variable entre résultats géophysiques et simulations densitaires • DE PLUS, cette comparaison reste "qualitative"

35. Méthodologie de validation croisée entre modèles géophysiques et hydrogéologiques • Les résultats obtenus sur les 3 sites montrent une comparaison variable entre résultats géophysiques et simulations densitaires • DE PLUS, cette comparaison reste "qualitative" • ET, la modélisation géo-électrique inverse reste soumise au problème de non-unicité de l’image obtenue

36. Méthodologie de validation croisée entre modèles géophysiques et hydrogéologiques • Les résultats obtenus sur les 3 sites montrent une comparaison variable entre résultats géophysiques et simulations densitaires • DE PLUS, cette comparaison reste "qualitative" • ET, la modélisation géo-électrique inverse reste soumise au problème de non-unicité de l’image obtenue • Il est nécessaire de se doter d’un moyen supplémentaire de validation indépendant qui permette : • 1/ de s’affranchir du problème de non-unicité • 2/ d’intégrer les effets 3D (géologie et zone de transition) • 3/ de rendre "quantitative" la comparaison géophysique/simulations

37. Méthodologie de validation croisée entre modèles géophysiques et hydrogéologiques • Approche qualitative classique Comparaison : modèle géophysique inverse / modèle hydrogéologique direct • Approche quantitativecomplémentaire Comparaison : mesures géophysiques de terrain / données équivalentes calculées (à l’aide d’un modèle géo-électrique direct) à partir des résultats du modèle densitaire (terrain virtuel)

38. Méthodologie de validation croisée entre modèles géophysiques et hydrogéologiques

39. Méthodologie de validation croisée entre modèles géophysiques et hydrogéologiques

40. Méthodologie robuste de caractérisation et simulation des aquifères côtiers

41. Conclusions Approche classique des aquifères côtiers : -> caractérisation géophysique (dont ERT) -> modélisation hydrogéologique (dont densitaire) MAIS approche souffrant de 2 principales faiblesses : -> non-unicité des résultats géophysiques -> difficultés de paramétrage et validation des modèles hydrogéologiques Proposition d’une méthodologie permettant : -> le paramétrage et la validation des modèles -> une validation croisée indépendante des portraits géophysiques et hydrogéologiques obtenus Originalité et pertinence de cette méthodologie : -> démarche rigoureuse et scientifique -> utilisation d’outils adaptés et modernes -> applicable par les bureaux d’études et gestionnaires des ressources

42. Perspectives… … pour améliorer la compréhension et la gestion des aquifères côtiers : Utilisation des méthodes géophysiques électro- magnétiques (EM) Assimilation (incorporation) des données géophysiques dans les modèles hydrogéologiques (soft data / hard data) Couplage avec d’autres outils : -> géochimie et isotopes (âge et temps de séjour) -> télédétection (flux des sorties en mer) > Extrapolation de la méthodologie à d’autres milieux

43. Je remercie : HYDRIAD, LHA-EMMAH, ANRT-CIFRE Les projets FAQDD-Îles-de-la-Madeleine, ANR-Interface, PASMI-Sénégal Les collaborateurs AGÉOS, Envir’EauPuits, IRD-Nouméa, GEOTER Les membres du Jury Et l’assistance…

44. Jean-Christophe Comte HYDRIAD, Nîmes Laboratoire d’Hydrogéologie, Université d’Avignon UMR EMMAH Apport de la tomographie électrique à la modélisation des écoulements densitaires dans les aquifères côtiersApplication à trois contextes climatiques contrastés (Canada, Nouvelle-Calédonie, Sénégal)