Faculté des sciences

3D stochastic modeling of karst aquifers using a pseudo-genetic methodology

Borghi, Andrea ; Renard, Philippe (Dir.)

Thèse de doctorat : Université de Neuchâtel, 2013.

The focus of this thesis is the development of a methodology to model karst aquifers. First the geometry of the karst conduits is simulated. Their geometry is controlled by the geology at large scale (geological model) and by the fracturation at smaller scale (stochastic model of fractures). Secondly, these geometrical models (3D geological formation together with conduits) are used as base... More

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    Résumé
    Le but de cette thèse est le développement d'une méthodologie de modélisation des aquifères karstiques. Premièrement, la géométrie des conduits karstiques est simulée. La géométrie de ces conduits est contrôlée à large échelle par la géologie (modèle géologique), et à plus petite échelle par la fracturation (modèle stochastique de fracturation).
    Deuxièmement, ces modèles géométriques (formations 3D et conduits ensemble) sont utilisés comme base pour la simulation d'écoulement et de transport.
    En dernière partie, le simulateur de conduits SKS ("Stochastic Karst Simulator") est couplé avec la simulation d'écoulement et transport pour investiguer une approche inverse qui permette d'utiliser cette méthodologie dans une étude d'incertitude.
    La méthodologie de simulation des conduits karstiques développée ici se base sur une approche dite "pseudo-génétique", càd qui mime les résultats des processus de spéléogénèses, sans pour autant simuler toute la dynamique complexe de ces processus, comme la dissolution et le transport réactif de calcite, etc. Dans cette approche pseudo-génétique les conduits karstiques sont simulés par une physique approchée, qui se base sur le principe de minimisation de l'énérgie. L'eau se déplace dans un milieu en cherchant le chemin de moindre résistance. Ce principe est utilisé ici, par l'utilisation d'un algorithme de Fast Marching, qui permet de calculer le chemin de moindre effort.
    Summary
    The focus of this thesis is the development of a methodology to model karst aquifers. First the geometry of the karst conduits is simulated. Their geometry is controlled by the geology at large scale (geological model) and by the fracturation at smaller scale (stochastic model of fractures).
    Secondly, these geometrical models (3D geological formation together with conduits) are used as base for flow and transport simulation.
    Finally, the karst conduit generator called SKS ("Stochastic Karst Simulator") is coupled with the physical simulation (flow and transport) to investigate an inverse approach which allows to use this methodology in an uncertainty analysis.
    The karst conduits simulation methodology is called pseudo genetic because it mimic the results of the speleogenetic processes, without simulating all the complex kinetic of karst systems genesis, like reactive transport, calcite dissolution and precipitation. In this approach, the karst conduits are simulated by approaching the physical principle of minimization of energy using a Fast Marching Algorithm. This algorithm allow to compute the minimum effort path, which is assumed to be the one used by water, and consequently the preferential dissolution.
    Zusammenfassung
    Das Ziel dieser Dissertation besteht in der Entwicklung einer Methode zur Modellierung von Karstaquiferen. In einem ersten Schritt wird die Geometrie des Karstsystems simuliert. Im grossen Massstab wird die Geometrie des Karstsystems durch die Geologie bestimmt (geologisches Modell), in kleinerem Massstab durch Klüfte (stochastisches Modell zur Kluftgenese). In einem zweiten Schritt wird dieses Modell als Grundlage für die Modellierung von Grundwasserströmung und Stoffransport im Karstsystem verwendet.
    Schliesslich wird die Simulation des Karstsystems mittels des Karst-Simulator (SKS, "Stochastic Karst Simulator") mit Simulationen von Grundwasserströmung und Stoffransport gekoppelt, um einen inversen Ansatz zu untersuchen, der es erlauben würde diese Methode im Rahmen einer Unsicherheitsanalyse zu verwenden.
    Die hier entwickelte Methodik zur Simulierung von Karstaquiferen basiert auf einem sogenannt "pseudogenetischen" Ansatz, weil sie speleogenetische Prozesse nachbildet, ohne die komplexe Dynamik dieser Prozesse, wie Auflösung und reaktiver Transport von Kalzit etc., im Detail zu simulieren. Die Karstgenese wird in dieser Methodik vielmehr durch einen Ansatz angenähert, der auf dem Prinzip der Energieminimierung beruht. Dabei wird ein Fast Marching Algorithmus verwendet, um zwischen den Stellen mit Wasserzuflüssen ins Karstsystem und den Karstquellen den Weg des geringsten Widerstandes zu berechnen.
    Riassunto
    Lo scopo di questa tesi, è lo svipuppo di una metodologia di modellizzazione realistica degli acquiferi carsici. Nella prima parte viene modellizzata la geometria dei condotti carsici. La geometria di questi ultimi, è controllata a larga scala dalla geologia (modello geologico) e a piu piccola scala dalla fratturazione (modello di fratturazione stocastico).
    In seguito questi modelli geometrici vengono usati come base per la simulazione di fluidi e trasporto di contaminanti. E infine, il simulatore di condotti carsici SKS ("Stochastic Karst Simulator") è usato insieme alla simulazione di fluidi e trasporto per valutare l'applicabilità di un approcio inverso che permetta di utilizzare questa metodologia di simulazione.
    La metodologia di simulazione dei condotti carsici è detta "pseudo genetica", perchè tenta di approssimare la fisica complessa della speleogenesi (come il trasporto reattive, la dissoluzione/precipitazione della calcite) senza dover risolverla numericamente. In effetti si basa sul principio fisico della minimizzazione dell'energia, usando un algoritmo di Fast Marching per calcolare il cammino di minor resistenza (cioè quello che dovrebbe seguire l'acqua). In pratica questa metodologia simula dei sistemi carsici maturi, direttamente nel loro stato finale.