Faculté des sciences

Analyse des processus advectifs-dispersifs en milieux poreux sous contraintes hydrologiques périodiques : implications pour la protection des captages d’eaux souterraines

Badoux, Vincent ; Perrochet, Pierre (Dir.)

Thèse de doctorat : Université de Neuchâtel, 2007 ; Th.1976.

Le principe de la protection de l’eau est ancré dans la Constitution fédérale suisse. Sur cette base, l’Assemblée fédérale a édicté une loi qui a pour but de protéger les eaux contre toute atteinte nuisible. Elle instaure des mesures d’organisation du territoire autour des captages d’eaux souterraines, parmis lesquelles figurent les zones de protection S1, S2 et S3 ainsi que... Plus

Ajouter à la liste personnelle
    Résumé
    Le principe de la protection de l’eau est ancré dans la Constitution fédérale suisse. Sur cette base, l’Assemblée fédérale a édicté une loi qui a pour but de protéger les eaux contre toute atteinte nuisible. Elle instaure des mesures d’organisation du territoire autour des captages d’eaux souterraines, parmis lesquelles figurent les zones de protection S1, S2 et S3 ainsi que l’aire d’alimentation Zu. Les objectifs principaux de cette thèse sont d’une part d’étudier l’influence des variations temporelles des conditions hydrologiques et leurs influences sur le dimensionnement des mesures d’organisation du territoire, et d’autre part de déterminer des paramètres équivalents qui permettent de simuler, en régime d’écoulement permanent, les effets advectifs et dispersifs induits par le régime d’écoulement transitoire. Dans un premier temps, l’analyse de solutions analytiques inédites de l’équation d’advection-dispersion montre que le régime d’écoulement transitoire a pour effet d’augmenter la dispersion apparente subie par les panaches de substances dissoutes. Cette dispersion apparente peut être simulée en régime d’écoulement permanent en appliquant un facteur correctif aux coefficients classiques de dispersion. Dans un second temps, la méthode des éléments finis est utilisée pour analyser les effets du régime d’écoulement transitoire sur la probabilité qu’une particule soit captée par un puits. En inversant le champ d’écoulement, des fonctions de transfert sont obtenues par simulations d’essais de traçage. Leur analyse permet d’obtenir en chaque point du domaine, les évolutions temporelles des probabilités de capture et des concentrations relatives au puits. En régime d’écoulement transitoire, ces deux grandeurs ne sont pas équivalentes. L’analyse des variations temporelles des probabilités de capture démontre que le rapport entre le temps de transit moyen et la période de fluctuation est un bon indicateur pour déterminer si le régime transitoire doit être pris en compte. Pour les périodes de fluctuation supérieures au double du temps de transit moyen, les probabilités sont obtenues de manière exacte par les conditions permanentes de hautes et de basses eaux. Pour les périodes de fluctuation courtes, elles sont obtenues de manière approximative en condition d’écoulement permanent moyen. Il reste une plage de période pour laquelle le régime transitoire ne peut être simulé par aucun régime d’écoulement permanent. Une méthodologie alternative basée sur le calcul de débits de pompage équivalents est alors proposée. L’ensemble des méthodes développées dans la présente thèse sont finalement appliquées au captage de Worben dans la plaine du Seeland en Suisse occidentale. Pour ce cas d’application précis, il est tout à fait adapté de délimiter l’aire d’alimentation Zu en régime d’écoulement permanent moyen. Enfin, dans un soucis d’optimisation des mesures de protection des eaux souterraines en Suisse, le présent document propose une modification de la législation actuellement en vigueur, particulièrement en ce qui concerne les bases de dimensionnement des aires d’alimentation Zu et des zones de protection S2.
    Summary
    Water protection is written in the Swiss Federal Consitution. On that basis, the Federal Assembly enacted laws that aim to protect water from any kind of contamination. It establishes groundwater protection schemes around water supply wells, such as the protection zones S1, S2 and S3 and the area of contribution Zu. The aims of the present thesis, on the one hand, was to study the influence of transient periodic hydrological conditions on the design of such protection schemes. On the other hand, it consisted in the determination of equivalent parameters in order to simulate the advective and dispersive effects induced by transient flow conditions, but considering steady state conditions only. First, a sensitivity analysis to an innovative analytical solution of the advectiondiffusion equation shows that transient hydraulic conditions enhance the apparent spreading of the plume of a solute compound. This apparent dispersion can be obtained by applying a multiplication factor on the classical dispersivity coefficients. The finite element method is then used to analyse the effects of transient flow conditions on the probability that a particle of water is being trapped by a pumping well. Based on a reverse flow field, tracer test simulations allow to calculate at any point in the domain a series of transfer functions. The analysis of these functions gives the temporal evolution of the capture probability and the temporal evolution of the relative concentration expected at the well. As opposed to the steady state approach, these two values are not equivalent under transient flow conditions. The analysis of the temporal evolution of the probabilities shows that the ratio between the mean transit time and the period of fluctuation is an essential criteria in order to determine whether transient flow conditions are important or not. For periods longer than two times the transit time, transient probabilities can be obtained using high and low water steady state conditions. For short periods, they can be approximated by mean steady state conditions. Remaining frequencies indicate the configurations where effects of transient conditions cannot be approached by any steady state condition. An alternative methodology is then proposed to integrate effects of transient conditions into equivalent pumping rates. The methods developed in the present thesis have been applied to the Worben pumping station in the Seeland aquifer (West Switzerland). In this case, the use of mean flow conditions remains a good approximation to delineate the area of contribution Zu. Finally, in order to optimize groundwater protection in Switzerland, the present document suggests some amendments of the current legislation, in various aspects concerning the design of the areas of contribution Zu and protection zones S2.