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PROVISOIRE NAPPE DE TEBOULBA (TUNISIE)

Modélisation de la nappe de Téboulba (Tunisie): Simulation des phases de recharge artificielle,

Etude des intrusions salines depuis la Sebkra et la mer.

Projet de recherche 5 4 0

septembre 1996 R 39069 DRlHGT 9 6

PROVISOIRE NAPPE DE TEBOULBA (TUNISIE)



Projet de recherche S40

E. Fillion Collaboration A. David, P. Lachassagne

Contrôle qualité D. Thiery


BRGM Direction de la recherche

Département Hydrogéologie, Géochimie et Transfert B.P. 6009 - 45060 ORLEANS CEDEX 2 - Tel : 38 64 34 34

Recharge artificielle Téboulba. Modélisation hydrodynamique

Mots clés : Alimentation en Eau Potable, Biseau Salé, Modélisation, Nappe de Téboulba, Recharge Artificielle, Téboulba (Tunisie)

En bibliograpliie, ce rapport sera cité de la façon suivante :

FILLION E., DAVID A., LACHASSAGNE P. (1996).- Modélisation de la nappe de Téboulba (Tuiiisie). Siniulatioii des pliases de recharge artificielle, étude des intmsions salines depuis la Sebkra et la mer - Rapport BRGM R 39069 D m G T 96, p. 36, fig. 17, tabl. 3, ann. 5.

O BRGM, 1996, ce document ne peut être reproduit en totalité ou en partie sans l'autorisation expresse du client.

Rapport BRGM R 39069 DR/HGT 96


Résumé

Ce rapport est l'une des composantes des travaux réalisés dans le cadre du projet de recherche S40 du BRGM qui s'intéresse aux effets à long terme de la recliarge artificielle d'un aquifère (module 1: Recharge artificielle et auto épuration). Cette recherche appliquée est réalisée dans le cadre d'une coopération avec la Direction générale des Ressources en Eau (DGRE), de Tunis.

On présente ici l'ensemble des modélisations hydrodynamiques réalisées pour aider à la compréhension d u comportement de l'aquifère de Téboulba (Tunisie: Gouvernorat de Monastir) sous I'iiifluence de noinbreuses actions anthropiques (ii pompages croissants depuis 1940, ii/ première phase de réalimentation artificielle de 1972 à 1978, iiii seconde phase de réalimentation artificielle depuis 1992).

Dans le contexte complexe d'un aquifère côtier de faible dimension (35 km2) sous la double menace d'intrusions salines depuis la Sebkra de Moknine au Sud et de la Mer Méditerranée au Nord, la modélisation hydrodynamique peut permettre d'envisager la gestion à long terme d'une ressource d'eaux douces très vulnérable, comme le montre les différentes simulations réalisées pour les quelques scénarios envisagés.

Outre l'objectif principal décrit ci-dessus, qui ne peut actuellement être pleinement atteint, l'étude réalisée a permis:

d'aborder la définition d'un outil de modélisation liydrodynamique bien adapté à la probléinatique de ce type d'aquifère libre côtier;

. de définir les données coinplérnentaires nécessaires à la réalisation d'un niodèle de gestion;

. d'évaluer ou de vérifier l'iiiipact positif des pliases successives des recharges artificielles, irialgre les iinprécisions importantes sur certaines données (volumes et répartition des prélèveineuts).

De définir des scénarios de gestion de la nappe jusqu'en 2005

En co~iclusio~i, on soulignera l'intérêt d'étudier un site comme Téboulba, pour lequel des données sur plusieurs décennies sont disponibles pour suivre l'évolution réelle d'une recharge artificielle (inêine si, il est vrai, la recharge artificielle d'une part, et les mesures des différents paramètres d'autre part, n'ont pas pu être réalisées de manière continue depuis 1972).

Rapporf BRGM R 39069 DWHGT 96

Recharge artijcielle Téboulba . Modélisation hydrodynamique

TABLE DES MATlERES

....................... PREMIERE PARTIE: GENERALITES ET PRE-MODELISATIONS 2 1 . GENERALITES ........................................................................................................... 3 . . 1.1. Contexte et objectifs de l'étude ................................................................................. 3 1.2. Démarche proposée ................................................................................................... 6

.................................................................... 1.3. Les données de base de la modélisation 7 2 . PRE-MODELISATIONS ET CONSTRUCTION DU MODELE DETAILLE ...................................................................................................................... 12

.................................................................. 2.1. Quelques informations sur l'outil utilisé 12 2.2. Pré-modélisations: Ordres de grandeur ................................................................... 12 . . . 2.3. Construction du modèle detaille ............................................................................... 15 DEUXIEME PARTIE: SIMULATIONS ET RESULTATS .......................................... 17 1 . CONTEXTE GENERAL ET HISTORIQUE ............................................................. 18 2 . PRESENTATION DES SIMULATIONS . PRINCIPAUX RESULTATS OBTENUS ........................................................................................................................ 20 2.1. Analyse de l'état de la nappe en 1940 ....................................................................... 20 2.2. Analyse de I'évolution jusqu'en 1971 ....................................................................... 25

........................................... 2.3. Première phase de recharge artificielle de 1972 à 1978 28 ............................. 2.4. Deuxième phase récente de recharge artificielle de 1992 à 1996 29

3 . SYNTHESE: FONCTIONNEMENT HYDRODYNAMIQUE .................................. 31 ...................... 3.1. Stratégie de modélisation des intrusions salines: transfert de masse 31

..................................................... 3.2. Proposition de scénarii de gestion jusqu'en 2005 31 3.3. Synthèse: Origine des eaux ....................................................................................... 32 4 . BIBLIOGRAPHIE ....................................................................................................... 33



Liste des fimires

Figure 1 : Carte de situation de la nappe de Téboulba (Tunisie)., 4

Figure 2 : Carte topographique du site de Téboulba (Tunisie)., 5

Figure 3 : Extension du modèle et conditions hydrodynamiques aux limites, 9

Figure 4 : Carte des zones de prélévements (1991-1992), 10

Figure 5 : Prélévements moyens sur la conduite du barage de Nehbana (1991-1995), 11

Figure 6 : Piézométrie calculée permanente calculée en absence de toute action anthropique., 13

Figure 7 : Piézométrie permanente calculée (pré-modélisation) pour un pompage homogène de 500000 m3/an., 14

Figure 8 : Géométrie du substratum (hypothèse)., 16

Figure 9 : Scliéiiiatisation des relatioiis de la nappe pluéatique avec la Sebkra au sud, et avec la mer au nord., 19

Figure 10 : Carte des perméabilités calées en régime permanent (situation 1940), 21

Figure 11 : Carte de la piézométrie calculée en 1940 en régime permanent., 22

Figure 12 : Carte de la piézométrie observée interpolée par krigeage en 1940,23

Figure 13 : Carte de la salinité mesurée iiiterpolée par krigeage en 1940,24



Figure 15 : Carte de la salinité mesurée interpolée par krigeage en 1971, 27

Figure 17 : Evolutioii de la piézoiiiétrie moyenne entre 1991 et 1996, 30

Tableau 1 : Définition des secteurs des prélévements, 7

Tableau 2 : Prélévements par zones, 8

Tableau 3 : Liste des cartes disponibles pour la piézomètrie et la salinité sur le site de Téboulba, 20

Liste des annexes

Ainiexe 1 : Ficlre logiciel de MARTHE Aiinexe 2 : Cartes irrterpollcspour lespiézomètries d sulirritls: Novenrbre 1992, Murs 1994, Mai 1995 Aniiexe 3 : Modélisation des lcoulenrcnts souterrains: Biseau sull Annexe 4 : Correctiort du rziveau d'eau: Pontpage situé dans une nraille de niveau moyen calculé Annexe 5 : Extraits du plan qualité: Modélisatiort Izydrodynaniique du BRGM


Recharge artijkielle Tébaulba. Modélisation hydrodynamique

PREMIERE PARTIE: GENERALITES ET PRE-MODELISATIONS

Rapport BRGM R 39069 DRIHGT 96

Recharge artijïcielie Téboulba. Modélisation hydrodynamique

1 . l . Contexte et objectifs de l'étude

Dans le cadre du projet de reclierche S40 de la Direction de la Recherche du BRGM (module 1: Recharge artificielle et auto épuration) on s'intéresse aux effets à long terme de la recharge artificielle d'un aquifère par des eaux de surface. Cette étude est réalisée en coopération avec la Direction Générale des Ressources en Eaux de Tunisie (DGRE) qui dispose de données nombreuses et anciennes sur des sites tunisiens de recharges artificielles. Le site sur lequel porte cette coopération en 1996 est celui de Téboulba (figure 1: extraite de la carte routière Michelin au 1 / 5 0 0 0 0 ~ ~ ~ ~ ) , où deux phases de réalimentation artificielle de l'aquifère ont été réalisées, la première de 1972 à 1978 et la seconde de 1992 à 1996.

L'aquifère de Téboulba est une nappe côtière limitée au Nord par le Golf de Monastir (Mer Méditerranée) et au Sud par la Sebkra de Moknine. Cette nappe malle identifiée d'un point de vue hydrogéologique est libre dans un réservoir constitué de lentilles de sables fins intercalées dans des argiles sableuses du quaternaire, L'aquifère ainsi constitué, a une extension horizontale d'environ 35 kin2 et semble posé sur un substratum composé d'argiles du pliocéne épaisses et continues.

L'aquifère de Téboulba constitue donc une réserve limitée d'eau douce (lentille bordée par deux biseaux salés). Cette réserve est largement exploitée par l'agriculture autour de Téboulba, entre Moknine à l'ouest et Béqalta à l'est, sous un plateau dont l'altitude varie de 20 à 30 in (figure 2).

Le présent rapport fait le poiiit sur les travaux de coiistitution d'un modèle hydrodynamique de la nappe de Téboulba.

Un iiiodèle liydrodynainique constitue un outils de gestion des nappes, d'une part pour la prévision de son état hydraulique en fonction de son exploitation, d'autre part pour la simulation de l'impact de tout projet susceptible d'en modifier le coniportenient hydraulique, comme par exemple des actions de réalimentation artificielle. C'est un outil évolutif dais lequel il est possible, à tout moment, d'intégrer de nouvelles connaissaiices sur l'aquifère.

La iiiodélisation des écoulements souterrains est indispensable pour pouvoir appréhender le fo~ictionne~i~e~it hydraulique d'un système aquifère. Elle doit permettre de vérifier la cohérence globale de l'ensemble des doiniées mesurées ou extrapolées (valeurs des paramètres géométriques et l~~drodynamiques) et d'acquérir une meilleur coiuiaissance, notamment quantitative, de l'aquifère.


Recharge arfijïcielle Téboulba. Modélisation hydrodynamique

Figure 1 : Carte de situation de la nappe de Téboulba (Tunisie).

Rapport BRGM R 39069 DR/HGT 96 4

Recharge artijicielle Téboulba. Modélisation hydrodynamique

Figure 2 : Carte topographique du site de Téboulba (Tunisie).



1.2. Démarche proposée

Les buts des différentes siinulations réalisées avec le modèle mathématique sont:

de vérifier les ordres de grandeurs des flux circulants aux travers de I'aquifère,et de quantifier les impacts liées aux circulations à l'intérieur de l'aquifère au cours des différentes périodes de son exploitation,

de cerner les risques réels d'invasion par des eaux salées,

de fournir un premier outil de gestion prévisiomiel de la ressource, qui permette d'intégrer les aspects recharges artificielles par des eaux douces en excédant dans le réseau d'irrigation à l'aval du barrage de Nelibana.

De défiiur plusieurs scénarios de gestion de la nappe jusqu'en 2005: Ces scénarios sont au nombre de 4 et sont définis en ternies de prélèvements et recharges aaificielles à l'horizon 2005 pour évaluer les rabattements en 2000 et 2005 et l'impact sur la qualité de l'eau:

1. scénario A: Prélévements de 1000000 m3lan et absence de toute recharge.

2. scénario B: Toujours des prélèvements de 1000000 m3/an mais recharge artificielle de 200000 iii31ai répartis en 2 périodes distincts de 100000 m3 pour chaque année. L'injection se ferait à l'aide de 10 forages (10 puits de recharge, répartis largement sur l'aquifère considéré).

3. scéiiario C: Mênie scénario que le B, mais pour une recharge annuelle de 100000 ni3/ai répartis en 2 périodes distincts de 50000 ni3 pour chaque année.

4. scénario D:Mêiiie scénario que le C, mais pour une recharge auiuelle réalisée préférentiellement sur 2 puits d'injection situé au Sud Sud-Ouest du domaine étudié, en face de la Sebkhra (pour neutraliser toute intrnsion saline dans ce secteur).

Notons que la salinité des eaux du barage de Nelibana (eaux de recharges et d'irrigation) est de l'ordre de 1 .mgIl.

La démarche proposée pour atteindre ses différents objectifs, est:

de qiiaitifier les apports à la nappe, ainsi que son déficit d'exploitation, au cours des différentes pliases réceutes,

de définir ainsi uii état initial probable de la nappe (avant 1940),

de défnlir des états successifs pouvait servir de référence au cours des différentes phases d'exploitation depuis 1940,

. de siiiiiiler les effets piézomètriques des différentes phases d'exploitation et de recharge,

. d'approclier les effets sur la salinité,

. et enfin de synthétiser l'enseinble des conclusioiis ainsi acquises tout en étudiant les différents scénarios (A, B, C, et D) envisagés..



1.3. Les données de base de la modélisation

Le modèle construit pour l'aquifère de Téboulba est un modèle monocouche de nappe libre, dont l'extension liorizontale ainsi que le maillage en différences finies sont présentés sur la figure 3. Les mailles carrées ont une dimelision de 250 m par 250 m. Aucune source n'étant présente dans le secteur (pas de débordement), seule uiie topographie moyenne (20 m) est introduite dans le modèle pour le toit des niailles. Le substratum à environ -70 m est lui aussi, dans un premier temps, défini avec cette profondeur constante.

Plusieurs conditions aux limites sont évidentes puisque au nord la mer impose un niveau O. m, au sud la Sebkra de Moknine un iuveau - 9. m, et à l'est l'aquifère semble se fermer prés de Béqalta sur une faille Nord 30" (Kamouii Y. 198 1) . Cette limite à l'Est peut donc être considérée comme étanche (limite à flux nulle). La limite Ouest aux environs de Moknine est elle aussi considérée comme étauche.

Les prélèveiiients dans la nappe sont défiiiis par secteurs carrés de 1 km par 1 km ajustés sur le repère cartograpluque de base (Système Géodésique Carthage: SGC). La figure 4 présente ses 25 secteurs définis dans le tableau 1 suivant:

Tableau 1 : Définition des secteurs des prélèvements



EXPLOITATION DE LA NAPPE DE TEBOULBA PAR MAILLE ( 1 X 1 Km 1, en m3

Tableau 2 : Prélèvenients par zones

Les prélèvenients par zone en m31aii pour 1995 sont indiqués sur le tableau 2 ci-dessus. Pour répartir niensuellement ces volumes prélevés amuellemeiit, nous avons utilisé la mesure mensuelle moyenne des volumes prélevés sur la conduite du barrage de Nehbaiia comme indicateur de la consommatioii moyenne mensuelle. Cette opération doit permettre de saisonnaliser les prélèvements:

Les incertitudes existantes sur de telles données appellent évidemment quelques remarques concernant la fiabilité et les incertitudes induites sur les résultats des simulations:

Les volumes prélevés sont d'une part assez approximatifs car arrondis et certainement plus iiituités que niesurés avec précision, et d'autre part définis dans des zones de I kmz, qui mênie pour un inodèle assez grossièremeiit discrétisé (maille de 250m X 250m) sont représentées cliacune par 16 niailles du niodèle.

L'liypotlièse de répartition dais le temps de ces prélèvements est très approximative car aucune mesure ne permet de la vérifier. Lorsque la répartition temporelle inconnue des prélèvements dans la nappe est calquée sur la variation mesurée des prélèvements dans la conduite du barrage de Nehbana, la démarclie adopté est complètement enipirique.

Reiiiarques comvlémentaires:

1. Il n'y a pas de recliarge de l'aquifère par les eaux usées des villes

2. La recliarge par une partie des eaux d'irrigation est négligeable puisque, selon la DGRE, au maxinium de 5% du volume irrigué (donc au maxiinuin 50000 m31an puisque le volunie annuel d'eau pour l'irrigation est de 1000000 m3).


Recharge artijicielle Téboulba. Modélisation hydrodynamique

Figrue 3 : Extension du modèle et conditions hydrodynamiques aux limites.

IAPPE DE TEBOULBA: Maillage et conditions aux limites

Rappolt BRGM R 39069 DRIHGT 96

Recharge artiJicielle Téboulba. Moddlisation hydrodynamique

Figure 4 : Carte des zones de prélèvements (1991-1992)

DEFINITION des 25 ZONES de PRELEVEMENTS 59 1 592 593 594 595 596 597 598

Rapport BRGM R 39069 DRiiiGT 96

Recharge artflcielle Téboulba. Modélisation hydrodynamique

Figure 5 : Prélèvements moyens sur la conduite du barrage de Nehbana (1991-1995)

Consommation mensuelle d'eau du barrage Nebhana dans le périmètre irrigué de Teboulba (600 ha)

"

s O N O J F M A M J J A somme moyenne 53833 74454 60024 35664 44197 73985 134453 $69929 156597 132703 61217 22883 1019938

1 % ~ 0 . 0 5 ~ 0 . 0 7 ~ 0 . 0 6 ~ 0 . 0 3 ~ 0 . 0 4 ~ 0 . 0 7 ~ 0 . 1 3 ~ 0 . 1 7 ( 0 . 1 5 ~ 0 . 1 3 ~ 0 . 0 6 ~ 0 . 0 2 ~ 1.00 Rapport BRGM R 39069 DR/HG T 96 11


2. PRE-MODELISATIONS ET CONSTRUCTION DU MODELE DETAILLE

2.1. Quelques informations sur l'outil utilisé

L'outil de calcul utilisé est le Logiciel MARTHE du BRGM (Thiery D. 1994). Modèle mathématique aux différences finies, il permet de simuler le comportement hydrodynamique dlaquifère(s) alimentés par une recharge pluviale et soumis à des perturbations quelconques (pompages, injections, travaux de génie civil, ...). Les simulations peuvent être entreprises en bi ou tridimensionnel et concerner soit un aquifère unique, soit un système de plusieurs aquifères interconnectés de type multicouclies (cf. Annexe 1).

Une fois les paramètres du modèle. (perméabilités, emmagasinements, recharges) calés sur les observations disponibles, celui-ci peut être utilisé pour simuler divers scénarios (augmentation des prélèvements, projets de nouveaux travaux, ...) et estimer l'impact de ces nouvelles perturbations sur la ressource on dimensionner certains équipements.

2.2. Pré-modélisations: Ordres de grandeur

Pour identifier l'état initial du système, on se propose d'étudier succinctement le volume prélevé dans l'aquifère dais les années 40. Avec des hypothèses très simplificatrices, ce premier modèle a surtout pour but de fixer les ordres de grandeurs des flux d'échanges globaux.

Les hypotlièses retenues pour cette pré-iiiadélisation sont:

. Substratuiii constant à -70 m par rapport au niveau O de la nier

Coefficieiit d'Infiltration de 5 % comme défini dans la bibliographie (Nations Unies 1972)

Pluie aimuelle moyenne de 370 d a n

Perméabilité de m/s

La bibliographie (Besbes M. 1972, Kainoun Y. 1981, Amri R. 1992) donne une surface de 35 km2 environ et un volume de réalimentation annuelle par des pluies efficaces de 5%.


Xecharge arti$cielle Téboulba. Modélisation hydrodynamique

Figure 6 : Pié~om~trie permanente calculée en absence de toute action anthropique.

Prémodélisation: Etat permanent sans action entropique. (Coefficient d'infiltration 5%, pluviométxie moyenne 350 mmlan, K homogène = 10-~ mls, Substratum constant à Z = -70 m, Epaisseur moyenne 90 m.).

Piezometrie calculee: Reference sans pompage avec 5% d'infiltration


decharge arti$cielle Téboulba. Modélisation hydrodynamique

Figure 7 : Piézométrie permanente calculée (pré-modélisation) pour un pompage homogène de 500000 m3lan.

[ soit 6400 rn3lan dans chacune des 74 mailles de 250 m X 250 m ]

ezometrie calculee pour un pompage estime en 1940 (50% de 1 59 1 592 593 594 595 596 597 598 599

. . I I , , , I , , , , I I ,

59 1 592 593 594 595 596 597 598 599

Rapport BRGM R 39069 DRHGT 96

Recharge arfificielle Téboulba. Modélisafion hydrodynamique

2.3. Construction du modèle détaille

L'ensenible des données concernant la géométrie de l'aquifère, les paramètres hydrodynamiques et les pompages ou injections considérés, doit être défini en tout point du maillage. La finesse de celui-ci dépend donc de la densité des données disponibles et conditionne la précision nécessaire pour simuler les scénarios envisagés (objectifs de l'étude).

Constatant la présence de l'argile verte du substratum dans plusieurs puits aux alentours d'une côte de -70 111 à l'ouest de Téboulba, et l'affleuremeiit de ce substratum argileux dans la Sebkra de Moknine (au sud), l'hypothèse retenue pour la géométrie du substratum de l'aquifère est celle d'un plan incliné d'environ 5% vers le nord (cf. description tectonique du bloc de Téboulba: Kamoun Y. 1981). Ceci ouvre largement la formation aquifère sur la mer au nord (120 m de puissance au droit de la côte) et réduit son contact avec la Sebkra au sud. En effet le niveau de la Sebkra est de -9 m, pour une position du substratum sous-jacent'comprise entre -20 m et - 30 m d'ouest en est (cf. figure 8).

Une autre siniulation en régime permanent avec un débit de prélévement double (1 million de m31an) donne lieu à uii dénoyage importait de la nappe, légérement au sud de Téboulba.



Figure 8 : Géoinétrie du substratum (hypothèse).

substratum en m (avec O = mer)



DEUXIEME PARTIE: SIMULATIONS ET RESULTATS


Recharge artificielle Téboulba. Modélisafion hydrodynamique

1. CONTEXTE GENERAL ET HISTORIQUE

Les historiques des prélévements suivent approximativement le schéma suivant:

Vue schématique estimée de la tendance des ~rélèvements sur 60 ans:

Avant 1940, on considère un état permanent avec un prèlèvement de l'ordre de 50000 d / a n

La période 1940-1961 peut être considérée comme à prélèvement annuel constant, avec des variations saisonnières de prélèvements (2 saisons chaque année). Cette période serait favorable au calage du coefficient d'infiltration, tel que proposé dans le rapport Nations Unies de 1972.

Les prélèvements augmentent ensuite de manière continue de 1961 à 1971, date d'arrivée de la conduite du barage de Nelibana, induisant, d'une part uiie baisse des prélèvements, et d'autre part autorisant une première phase de recliarge artificielle de 1971 à 1973.

Après cette première pliase de recharge, la consommation a augmenté de nouveau jusqu'en 1981, date de nuse en place des périmètres d'interdiction de sauvegarde (1981) permettant d'interdire toute création de nouveau forage et l'interdiction de l'équipenient en pompe électrique des ouvrages existants. Ces mesures on permis de stabiliser le niveau des prélèvements autour de 1000000 d l a n .

Depuis 1991, uiie nouvelle phase de recharge artificielle est en cours.

En 1995, la mise eu place d'une taxe sur l'eau du barage, ne semble pas avoir induit une augmentation significative des prélèvements.

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Le schéma de fonctionnement de l'aquifère, peut être appréhendé en coupe Nord-Sud, où les relations avec la Sebkra et la Mer sont clairement mise en évidence.

Figure 9 : Scliématisation des relations de la nappe phréatique avec la Sebkra au sud, et avec la mer au nord.

INFILTRATION

Sebkra

O

-1 O

-20

La faiblesse de l'invasion constatée actuellement permet de supposer qu'il existe des zones (en grisé sur la figire 9) de plus faible perméabilité (barrières de confinement) au nord le long de la mer (pas d'invasion par le biseau salé) et au sud, au moins à l'est, le long de la Sebkra. Cependant, ceci est peu probable eii partie ouest de la Sebkra.


Recharge artificielle Téboulba. Moddlisation hydrodynamique

2. PRESENTATION DES SIMULATIONS - PRINCIPAUX RESULTATS OBTENUS

Le tableau 1 ci-dessous présente les cartes disponibles pour la piézométrie et la salinité sur le site de Téboulba. Les données de base ont été récupérées sur les cartes anciennes dans le but de les exploiter à nouveau, d'une manière homogène avec l'ensemble des données récentes (191-1996).

Tableau 3 : Liste des cartes disponibles pour la piézomètrie et la salinité sur le site de Téboulba

2.1. Analyse de l'état.de la nappe en 1940

Salinité

X

X

mensuelle

Années

1940

1961

1971

de novembre 1992 à avril 1996

Les figure 10, 1 1 et 12 montrent le calage des perméabilités (figure 10) sur un état permanent en 1940 dont la piézoiiiétrie calculée (figure 11) est relativement proche de celle niesuré en 1940 (figure 12).

Piézométrie

X

X

X

mensuelle

La figure 13 présente un essai de cartographie en 1940 des salinités mesurées pour la nappe de Téboulba.


Recharge art~ciel le Téboulba. Modélisation hydrodynamique

Figure 10 : Carte des perméabilités calées en régime permanent (situation 1940)

permeabilites en m/s


decharge artificielle Téboulba. Modélisation hydrodynamique

Figure 11 : Carte de la piézométrie calculée en 1940 en régime permanent.

Piezometrie calculee: Regime permanent (situation 1940)

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Recharge arti$cielle Téboulba. Modélisation hydrodynamique

Figure 12 : Carte de la piézoméûie observée interpolée par krigeage en 1940

PlEZOMETRlE de reference, interpolee par krigeage, pour 194(

Rapport BRGM R 39069 DRRlGT 96

Recharge arfi$cielle Téboulba. Modélisation hydrodynamique

Figure 13 : Carte de la salinité mesurée interpolée pax kngeage en 1940

Plages de salinites en gr/l

SALINITES: Interpolation par krigeage pour 1 940 59 1 592 593 594 595 596 597 598 599

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decharge arti$cielle Téboulba. Modélisation hydrodynamique

2.2. Analyse de l'évolution jusqu'en 1971

Les figures 14 à 16 permetten d'apréhender certains éléments de l'évolution de l'aquifere de Téboulba de 196 1 à 1971, à la fois en termes de piézométrie et de saiinité.

Figure 14 : Carte de la piézométrie observée interpolée par laigeage en 1961

PlEZOMETRlE interpolee par krigeage pour 196 1 59 1 592 593 594 595 596 597 598 599

6 3 26;

6 2 26:

6 1 26

60 26(

59 25!

58 251

59 1 592 593 594 595 596 597 598 599

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riecharge art$cielle Téboulba. Modélisation hydrodynamique

Figure 15 : Carte de la piézométrie observée interpolée par kngeage en 1971

PlEZOMETRlE interpolee par krigeage pour 1 97 1

Rappod BRGM R 39069 DWHGT 96

Recharge art$cielle Téboulba. Modélisation hydrodynamique Plage? de salinites en gr/

Sup. à 4.5 3.0 - 4.5

Figure 16 : Caxte de la salinté mesurée interpolée par krigeage en 19 1 1 1_1 1.5 - 3.0

Inf. à 1.5

SALINITES : interpolation par krigeage pour 197 1

2.3. Première phase de recharge artificielle de 1972 à 1978

La première phase de recharge artificielle de 1972 à 1978 n'est modélisable oue zrossièrement compte tenu de la faiblesse des informations disponibles.

2.4. Deuxième phase récente de recharge artificielle de 1992 à 1996

Les trois phases d'injection, visibles sur la figure 17 de l'évolution de la piézométrie moyenne enbe 1991 et 1996, sont 11Novembre 1992 ; 21 Mars 1994 et31 Mai 1995.

Une nette remonté de la piézométxie moyenne s'amorce après aout 1992 et aboutit en mars 1994 à un premier i n a h m lié à la deuxième phase d'injection. Après une nouvelle baisse de la piézométrie moyenne (minima en mai 1995), la dernière phase d'injection permet d'initier une nouvelle remonté généralisée niveaux.


2 Piézométrie moyenne pour l'ensemble des piézomètres du secteur de réalimentation CO *


3. SYNTHESE: FONCTIONNEMENT HYDRODYNAMIQUE

La simulation hydrodynamique initialement programmée en transitoire au pas de temps mensuel de la fin de 1940 à l'été 1996 n'est pas possible compte tenu des lacunes de données concernant les pluviométries et l'absence de répartition des prélèvements par mailles de 250 m X 250 m (conformément au iiiaillage, alors que nous ne disposons que des ouvrages par mailles de 1 h n X 1 km).

3.1. Stratégie de modélisation des intrusions salines: transfert de masse.

Le transport du sel par l'eau pourrait ensuite être étudié comme un traceur parfait, l'effet densitaire sur l'écouleme~it étant négligeable pour de si faible salinité.

3.2. Proposition de scénarii de gestion jusqu'en 2005

Quatre scénarios de gestion de la nappe ont été définis en tennes de prélèvements et de recharges artificielles à I'liorizoii 2005 pour évaluer les rabattements en 2000 et 2005 et l'impact sur la qualité de l'eau:

scéiiario A: Prélévenieiits de 1000000 in3Ian et abserice de toute recharge.

scénario B: Toujours des prélèvements de 1000000 m31an niais recharge artificielle de 200000 ni3lau répartis en 2 périodes distincts de 100000 m3 pour chaque année. L'injection se ferait à l'aide de 10 forages (10 puits de recharge, répartis largement sur l'aquifère considéré).

scénario C: Même scéiiario que le B, mais pour une recliarge annuelle de 100000 m3Ian répartis en 2 périodes distincts de 50000 m3 pour chaque année.

scéiiario D: Même scénario que le C, mais pour une recharge annuelle réalisée préférentiellement sur 2 puits d'injection situé au sud Sud-Ouest du domaine étudié, en face de la Sebkhra (pour neutraliser toute intrusion saline dais ce secteur).


Recharge arf$cielle Téboulba. Modélisation hydrodynamique

3.3. Synthèse: Origine des eaux

L'ensemble des investigations mises en oeuvre permet de valider le schéma de fonctionnement du système hydrogéologique de Téboulba présenté en page 24 figure 9.

Les résultats des simulations réalisées au chapitre 2 permettent de lister les recommandatioiis et les commentaires suivants pour l'exploitation de la ressource et le suivi de son évolution, avec ou sans nouvelles phases de réalimentation artificielle:

Le niveau de prélèvement actuel est incompatible avec une sauvegarde à cour terme de l'aquifère, en absence de toute recl~arge artificielle.

La salinité des eaux de recharge (1 gr~l) semble présenter un risque faible de salinisation de l'aquifère, donc, une gestion en bilan de flux est possible pour cette aquifère, par exemple en réalimentant d'un volume équivalent au surplus de prélèvements an delà d'un seuil de 500000 m31an.

. Les pliases de recliarge artificielle effectuées de mai 1992 à mai 1996, inonke la grande réactivité du systèine à une recharge directe.

Les risques d'intrusion saline depuis la Sebkra au sud-ouest ou la mer au nord ne sont pas évalués dans l'état actuel de cette étude, compte tenu des données encore manquante.



AMRI R. (1992) - Rapport de DEA. - Note liydrogéologique sur la nappe de Téboulba. Juin 1992

BESBES M. (1972) - Aspect hydrodynamique de l'injection par puits à Téboulba. Projet iNEES. Septembre 1972 D.R.E.

DGRE (1994) - Recharge artificielle des nappes de Tunisie. Annuaire annuel des actions d'aliineutatioii artificielle en Tunisie. 1994 Direction Générale des Ressources en Eau (DGRE) - Rapport.

KAMOUN M. (1981) - Thèse - Université Pans XI. Etude tectonique dans la région de Monastir - Malidia. (Tunisie Oneutale).

MARTIN J-C. (1993) - Guide d'établissement des plans qualité: modélisatioii liydrodynamique. - Rapport BRGM QAL002 PP024 EAU.

MEILHAC A. - RICOLVI M. (1994) - Rapport d'évaluation teclmique et financière du Projet pour le renforcemeiit et la modernisation du système de gestion des ressources eu eau souterraine DGRE miiustère de l'agriculture. République Tunisieune. - Rapport A01238 iNTl94. 42 pages.

NATIONS UNIES (Juillet 1973) - Iuteiisification de l'exploitation des eaux souterraines dans le Nord et le Centre de la Tunisie. Nappe de Téboulba - essais d'alimentation artificielle.

SCHWARTZ J. - BARRAT J.M. (1994) - Rapport type modélisation hydrodynamique - A00464 ANTEA - 28 pages.

THIERY D. (1994) - Logiciel MARTHE, Modélisatioii d'Aquifères par un maillage Rectangulaire en réginie Transitoire pour le calcul Hydrodynan~ique des Ecoulemeuts. Version 4.3 - Rapport BRGM R32210.



NAPPE DE TEBOULBA (TUNISIE)




fiche logiciel de MARTHE

Annexe 1

septembre 1996 R 39069 DRIHGT 96


MODELISATION DIAQUIFERES AVEC MAILLAGE ~CTANGULAIRE,

TRANSPORT ET HYDRODYNAMIQUE 1117) . ~,

DOMAINE D'APPLICATION

Conçue et réalisée au BRGM pour la modélisation hydrodynamique et hydrodispersive des écoulements souterrains en milieu poreux, la chaîne de logiciels MARTHE est destinée à modéliser les problèmes d'écoulement rencontrés dans des contextes variés :

Gestion des ressources aquifères : - Evaluation des termes du bilan hydraulique d'un système aquifère : recharge par infiltration

pluviale, apports latéraux par les bassins versants, circulations souterraines et flux associés, fluctuations annuelles, stockages-déstockages saisonniers, ...

- Impacts hydrodynamiques d'aménagements existants ou à créer : pompages, irrigation, drainage, gravières, bassins d'infiltration, ...

- Gestion et optimisation de champs captants.

Génie civil : - Assèchement de fouilles. - Effets hydrauliques de parois étanches. - Travaux souterrains (métros, parking, tunnels, ...).

. Environnement : - Infiltration d'un polluant e n zone non saturée, percolation jusqu'à la nappe, puis migration

souterraine. -Simulation du panache de pollution s'échappant d'une zone contaminée : trajectoires, vitesses

de déplacement, concentrations atteintes à l'aval. Modélisation de scénarios hydrauliques de confinement ou de décontamination.

- Impacts de décharges domestiques et industrielles sur les eaux souterraines. - Etude du confinement de stockages souterrains.

Exploitation minière : - Calcul de débits d'exhaures miniers et des rabattements associés.

REFERENCES

Au cours des 15 dernières années, MARTHE a été utilisé pour modéliser plus de 200 contextes aquifères répartis dans une vingtaine de pays, sur des financements français, nationaux et internationaux.

Manuels d'utilisation :

Rapports : R 32210. R 37762, R 38018, R 38085, R 38149

Langage de programmation :

FORTRAN 77

Ordinateurs :

Stations VAX -Systèmes d'exploitation : VMS et ULTRIX PC (coprocesseur arithrnét.) - Système d'exploitation : DOS

Versions :

Français, Anglais

(21

CARACTERISTIQUES TECHNIQUES

MARTHE permet de simuler de nombreux types d'écoulement, en zones saturées et non saturées, en milieux monophasiques et diphasiques. Cinq niveaux d'utilisation sont distingués :

Niveau 1 : - Maillages 2D (en plan, en coupe verticale, en coordonnées cylindriques) ou 3D. -Aquifères monocouches ou multicouches (empilement d'aquifères séparés par des épontes

semi-perméables). - Nappes libres, captives ou semi-captives en régime hydraulique permanent ou transitoire. - Prise en compte de discontinuités telles que plans d'eau à surface libre (lacs, gravières),

assèchements locaux de nappe (et remise en eau), y compris en aquifères multicouches, débordements de nappe (cours d'eau, sources, drains), parois étanches (palplanches, ...).

- Anisotropies horizontale et verticale des perméabilités. - Calcul de trajectoires (directes et inverses) en régime hydraulique permanent ou transitoire.

Niveau 2 : - Migration dispersive d'un effluent dans la nappe.

Niveau 3 : - Traitement continu de la zone saturée et de la zone non saturée. - Effets densitaires induits par des salinités eVou des températures hétérogènes. - Prise en compte des variations de viscosité avec la température.

Niveau 4 : - Calage automatique du modèle, selon des zones homogènes ou maille par maille. - Analyse de sensibilité aux paramètres de calage.

Niveau 5 : -Transport avec interactions physico-chimiques entre eau, effluents et matrice poreuse. - Ecoulements diphasiques : eau et air, eau et "huile".

Le domaine à modéliser est discrétisé selon un maillage rectangulaire de type "écossais" : chaque ligne et chaque colonne de mailles a une largeur constante, mais l'utilisateur est libre d'adapter la largeur de chacune de ces lignes et colonnes en fonction des hétérogénéités locales, de la densité des informations disponibles, et de la précision recherchée. II est en outre possible d'affiner localement le maillage par des sous-maillages emboîtés (gigognes).

Les mailles du modèle sont automatiquement associées à des coordonnées géographiques (norme SEMIS élaborée au BRGM), ce qui permet de superposer les données initiales et les résultats des simulations à des fonds cartographiques préalablement digitalisés. Les données peuvent être définies maille par maille, ou bien par zones, par couches ou globalement pour tout le maillage. Toutes les données sont stockées dans des fichiers texte (ASCII).

Les résultats de modélisation sont édités dans des fichiers texte (ASCII). II peuvent être consultés sous éditeur de texte et représentés graphiquement. Les débits calculés (débits aux potentiels imposés, débits résiduels de convergence) peuvent être présentés maille par maille, ou bien par zones, par couches, ou encore pour tout le modèle.

La convergence des calculs est contrôlée par plusieurs critères : écarts de charge (moyen et maximal entre deux itérations successives) et débits résiduels d'erreur (global sur l'ensemble du modèle, et ponctuel dans chacune des mailles).

ANTM / BRGM - 1996

* ,

Calcul des écoulements Les calculs hydrodynamiques sont effectués selon une méthode aux différences finies. Plusieurs algorithmes de résolution sont proposés, dont une résolution matricielle par gradients conjugués, avec préconditionnement de Choleski.

Calcul du transport Selon le type de problème posé (dominance de la convection ou de la dispersion), l'utilisateur peut choisir entre trois techniques de calcul pour optimiser le schéma de transport mis en oeuvre : - différences finies ; - méthode des déplacements aléatoires (Random Walk), dite aussi méthode des particules ; - méthode des caractéristiques (MOC), combinaison des deux méthodes précédentes.

Le transport en nappe est simulé sous ses composantes advective, diffusive et dispersive. Deux options sont proposées pour le transport réactif : - décroissance exponentielle de i'effluent en fonction du temps ; - facteur de retard avec coefficient de partage Kd (phénomènes d'adsorption-désorption).

Interactions géochimiques Les interactions physico-chimiques entre eau, effluents et matrice peuvent être simulées par couplage entre MARTHE et un modèle chimique "dédié" au contexte géochimique d'écoulement.

STRUCTURE DU LOGICIEL

Au module de calcul hydrodynamique et hydrodispersif (MARTHE proprement dit), sont associés quatre modules de préparation, gestion et représentation graphique des données et des résultats de modélisation

RAMAGE Définition et modification graphique d'un maillage écossais, en superposition à un fond cartographique digitalisé. Le maillage généré est répéré géographiquement (norme SEMIS).

rNGRlD Interpolation de données spatiales éparses (cotes du substratum, topographie, ...), pour tracé de courbes iso-valeurs ou affectation des valeurs interpolées aux mailles du modèle (norme SEMIS). Plusieurs options d'interpolation sont proposées. Les données initiales peuvent être un nuage de points ou une famille de courbes isovaleurs digitalisées.

OPERASEM Opérations diverses sur des fichiers de données à la norme SEMIS : - opérations algébriques, logiques ou géographiques sur les données d'un fichier Semis, - combinaisons algébriques, logiques ou géographiques entre les données de plusieurs Semis.

GRAPHMAR Représentation graphique des fichiers de résultats générés par MARTHE : - courbes isovaleurs (piézométrie, rabattements, épaisseurs mouillées, ...) - historiques de charge et de débit en différents points de contrôle.

A N T m / BRGM - 1996

MODELISATION D'UNE ZONE ALLUVIALE OU SE TROUVE IMPLANTE UN SITE INDUSTRIEL (417) I

Maillagc "icossais", rbseaii liydrograpliique et coiitoor d'iiii sitc industriel

x r i u a a r (kn) a0 o.. a& 0.6 ! O ,> ,A ,& 7.B 20 22

ao ar o., as o.@ ro 1.2 1.4 1.6 i.s 20 22

Distribotioii spatialc des transiiiissivités (eii rclatioii avcc la cartc giologique)

, ,, , , , ., , , , ., , ., . < . ,. . , , , . ao oz 0.4 aa o s i." i1 7.4 1.6 1.3 20 2 2

Cartc isopièzc si~iiulée (fort draiiiagc par Ic rkseau liydrograpliique)

. ~~,

SIMULATION DE LA MIGRATION D'UN PANACHE DE POLLUTION

34-

-4-

OL1-

M ~ . , . , . l . , . i . , . , . i . , . , . , 0.0 a2 a4 oa am io ia 1.4 ia ia zo 2.2

X U U m T (hl

CELLULES DE CONVECTION INDUITES DANS UNE NAPPE PAR UN DÔME DE SEL (Champ des vitesses et courbes iso-concentrations en sel - Coupe verticale)

/= -0- -

INFILTRATION D'UN POLLUANT AU TRAVERS DE LA ZONE NON SATUREE, PUIS MIGRATION AVEC LA NAPPE

MODELISATION EN COUPE VERTICALE (2 COUCHES DISTINCTES DANS LA ZONE NON SATUREE)

O 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 DISTANCE (M)

I DISTRIBUTION DES CONCENTRATIONS AU BOUT DE 12 MOIS 1

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 DISTANCE (M) l

(717)

INFILTRATION D'UN FLUIDE NON MISCIBLE (TETRA-CHLORO-ETHYLENE)

DANS UN MILIEU POREUX HETEROGENE INITIALEMENT SATURE EN EAU

CARTE DES ISO-SATURATIONS DU TETRA-CHLORO-ETHYLENE AU BOUT DE 3mn

- E U L.

N

X loml



Modélisation de la' nappe de Téboulba (Tunisie): Simulation des phases de recharge artificielle,



Cartes interpolées pour les piézomètries et les salinités: Novembre 7992, Mars 7994 et Mai 1995.

Annexe 2

septembre 1996 R 39069 DRIHGT 9 6


PIEZOMETRIE interpolee par krigeage pour Novembre 1992 59 1 592 593 594 595 596 597 598 599

ZOMETRIE interpolee (inverse des distances): Novembre 1992 593 594 595

;ALINITE interpolee (inverse des distances): Novembre 1992 593 594 595

'IEZOMETRIE interpolee (inverse des distances): Mars 1994 593 594 595

PlEZOMETRlE interpolee (inverse des distances): Mai 1995 593 594 595

SALINITE interpolee (inverse des distances): Mai 1995 593 594 595

Recharge artiJicielle Téboulba. Modélisation hydrodynamique





Modélisation des écoulements souterrains: Biseau salé.

Annexe 3

septembre 1996 R 39069 DRlHGT 96

Rapporf BRGM R 39069 DRIHGT 96

MODELISATION DES ECOULEMENTS SOUTERRAINS BISEAU SALE

LANGUEDOC

h$lNlSTRY OF

1990

1987

1981

1978

logiciels de modélisation

ALIMENTAnON EN EAU DE LA ZONE TOURISTIQUE DE CAF SKIRRWG : D6finition d 'y schéma d'exploitation des eaux limitant les intrusions salines

SYSTEME AQUIFERE D'ANNABA-BOüTELDJA : Evaluation des ressources en eau avec prise en compte de l'interface eau douce- eau sal6e

GUADELOUPE : Gestion de la nappe de Marie Galante. Ehlde de l'extension du biseau sa16

ALIMENTAnON EN EAU DE VRiDI : Evaluation des ressources en eau soutemine de la presqu'île de Vridi, cordon littoial sableux s6paiant la mer de la lapune, et simulation du companement de la lentille d'eau douce

DIRECTION DES ETUDES HYDRAULIQUES,

GROUPEMENT DES HOTELERS DE CAP

SKlRRiNG

INHR

DDA GUADELOUPE

SOCETE NOIRIENNE DE RAFFWAGE (SIR)

SENEGAL

ALGERIE

FRANCE

COTE D'IVOIRE

GUADELOUPE






Correction du niveau d'eau: Pompage situé dans une maille de niveau moyen calculé

Annexe 4

septembre 1996 R 39069 DRIHGT 9 6

Rapporf BRGM R 39069 DR/HGT 96

Annexe 3

CALCUL DU RABATTEMENTEN UN PUITS A PARTIR DU RABATTEMENT

DANS UNE MAILLE

d'après la note technique BRGM/EAU no 82/05

1 - INTRODUCTION

Pour étudier l'influence d'un champ de captage sur une nappe souterraine, il est classique d'utiliser un modèle mathé- matique maillé à différences finies. Un tel modèle permet de calculer en tout point la charge moyenne dans une maille de calcul, c'est-à-dire dans un élément généralement carré ou rectangulaire d'une certaine dimension.

Dans une zone régulière, sans singularités (puits, limite à potentiel imposé), la charge calculée diffère peu de la charge en un point situé au centre de la maille.

Dans une maille représentant un élément d'aquifère dans lequel sont situés un ou plusieurs puits, on affecte globalement la somme algébrique de tous les débits de ces puits. Dans une telle maille, 'la charge moyenne calculée est très différente de la charge en un de ces puits ; par contre on n'introduit qu'une erreur très faible dans les mailles voisines.

Or, en pratique, il est très important de connaître le rabattement (ou la charge) dans un puits pour étudier les risques de dénoyage des crépines en particulier (voir figure ci- dessous). Il est évident que l'écart entre la charge moyenne dans la maille et la charge en un point singulier est d'autant plus grand que la maille est grande.

S'il n'existe qu'un seul puits situé au centre d'une maille carrée, J.P. SAUTY (1973) montre qu'il faut ajouter à la charge dans la maille un rabattement supplémentaire dont l'expression est :

avec :

COR rabattement supplémentaire Q débitpompé rp rayon du puits a côté de la maille T transmissivité de la maille Ln logarithme népérien n 3.1416

Il est évident qu'il convient d'ajouter également au rabattement les pertes de charges singulières qui peuvent être estimées plus ou moins précisément.

N.B. : On montre que le rabattement moyen calculé dans la maille - donc avant correction - correspond à celui qui serait obtenu dans unpuits & rayon fictifrf:

rf = a.exp (- 42) = 0.208 a

Exemple d'application

Soit une nappe de caractéristiques suivantes :

Perméabilité K = 5.104 m/s Débit pompé Q = 1,399 10" m3/s (50 ms/h) Epaisseur en eau e = 10 m Côté de la maille a = 100 m Rayon du puits rp = 0.15 m (diamètre 30 cm)

On obtient donc, pour T = K.e = 5.10" m2/s, une correction COR de 2.18 m. Si la transmissivitéétait 2 fois plus petite ou le débit 2 fois plus fort, la correction serait double.

J.P. Sauty - Note Technique BRGMIEAU no28 du 16/01/1973

A3.3

Si le puits n'est pas au centre de la maille et si la trans- missivité est identique dans les mailles voisines, on pourra effectuer la mème correction en supposant implicitement que si on déplace légèrement la grille du maillage pour amener le puits au centre d'une maille, on ne changera pas les résultats.

Dans le cas général où il existe plusieurs puits dans une même maille, il n'est plus possible de faire une telle correction. On pourra alors soit refaire un petit modèle local emboî- té (modèles gigognes), soit faire un calcul analytique de superposition de puits.

2 - LA MÉTHODE DES MODkLES EMBOfTES

Pour résoudre le problème posé, on peut utiliser une méthode classique en électrostatique (la "métallisation imaginaire d'une équipotentielle").

L'idée est la suivante : soit le domaine étudié et une courbe équipotentielle entourant le point singulier à un moment donné (il est évident qu'il existe de telles équipoten- tielles). Si on conserve cette équipotentielle et qu'on supprime tout le domaine extérieur, on ne change rien à l'intérieur (voir figure ci-dessous). Toute l'influence (régionale) de l'extérieur est résumée par cette équipotentielle.



Modélisation de la'nappe de Téboulba (Tunisie): Simulation des phases de recharge artificielle,



Extraits du plan qualité: Modélisation hydrodynamique du BRGM

Annexe 5



Guide d'établissement des plans qualité modélisation hydrodynamique

SOMMAIRE

1 . Objet et domaines d'application ...................................................... 3

2 . Les différentes rubriques du Plan Qualité "Modélisation HydrodynamiqueU3

2.1. Phase 1 : Etablissement de l'offre technique et commerciale ........... 3

Etape 1 : Formulation du problème ............................................ 3 Etape 2 : Elaboration d'un modèle conceptuel sommaire .................. 4 Etape 3 : Choix du modèle ...................................................... 4

........................................ Etape 4 : Elaboration du devis interne 5

.............................................. 2.2. Phase 2 : Réalisation du modèle 5

.............................................. Etape 5 : Traitement des données 5 ....................... Etape 6 : Elaboration du modèle conceptuel détaillé 6

............................................... Etape 7 : Elaboration du modèle 7 ..................................................... Etape 8 : Calage du modèle 7

Etape 9 : Analyse de sensibilité du modèle ................................... 8 ............................................... Etape 10 : Validation du modèle 9

..... Etape 1 1 : Exploitation du modèle par simulations prévisionnelles 9 Etape 12 : Applications aval ............ ; ....................................... 10

.......................................... Etape 13 : Etablissement du rapport 10 ............................................................ Etape 14 : Archivage 10

................... ...................... Etape 15 : Présentation au client .. 11 .............................................. Etape 16 : Présentation du client 12

Annexe : Définition type du Plan Qualité standard "Modélisation Hydrodynamique" PL002

Mots-clés : Plan qualité . Modélisation hydrodynamique

1. OBJET ET DOMAINE D'APPLICATION

Ce guide d'établissement des plans qualité modélisation hydrodynamique concerne l'utilisation et l'application des codes de calcul MARTHE et SESAME sur des études hydrodynamiques : calcul des charges hydrauliques, des débits, des trajectoires et des phénomènes de transport.

Il comprend la description des différentes étapes d'une modélisation hydrodynamique classées en deux groupes. Le premier concerne l'établissement de l'offre technique et commerciale, le second la réalisation du modèle.

Il accompagne le plan qualité standard "Modélisation Hydrodynamique" (PL002) qui sert de modèle à l'élaboration des Plan Qualité spécifique des études de modélisation.

Ce guide d'établissement des plans qualité s'adresse à des ingénieurs confirmés. Il n'est pas un recueil de recettes à appliquer au cours des modélisations, mais énumère les différentes étapes d'une étude de modélisation et doit être un outil de gestion d'une affaire.

2. LES DIFFERENTES RUBRIQUES DU PLAN QUALITE "MODELISATION HYDRODYNAMIQUE"

Un projet de modélisation comprend les 2 phases suivantes :

phase 1 : établissement de l'offre technique et commerciale phase 2 : réalisation du modèle

Les étapes 1, 2 et 3 du Plan Qualité Modélisation concernent la phase d'établissement de l'offre technique et commerciale du projet, les suivantes la phase réalisation du modèle.

2.1. Phase 1 : Etablissement de l'offre techniaue et commerciale

Etape n O 1 : Formulation du problème

Le problème du client doit être formulé de façon détaillée en termes précis et clairs. Il comprend la définition des obiectifs du roie et. Préférer un cahier des charges exprimé en termes de besoins du client à un programme technique préétabli.

La formulation du problème doit être, dans certains cas, Dhasée :

-une phase préliminaire, légère, orientée vers des pré modélisations ou modeles de dégrossissage et des travaux complémentaires éventuellement.

- les phases ultérieures plus précises, plus tecliniques (géométrie plus complexe, maillage affiné, etc..). Cette étape s'achèvera sur l'indispensable définition de la précision des résultats attendus par le client (ordre de grandeur ou calcul précis).

Responsable : hydrogéologue généraliste et le modéliste. Point ACCORD : entre le rédacteur de l ' o p e technique et commerciale, L'hydrogéologue giniraliste et le modéliste.

Etape n 0 2 : Elaboration du modèle conceptuel

Le modèle conceptuel est élaboré de façon sommaire pour des raisons de coût dans une phase de proposition commerciale par un hydrogéologue généraliste, à partir des données de terrain connues et disponibles. Y sont décrits :

- l'extension de la zone à modéliser et les conditions aux limites ; - la géométrie et les caractéristiques hydrogéologiques des différentes formations géologiques

aquifères ou semi-perméables ; - les informations et les hypothèses sur les écoulements (charges hydrauliques, recharge,

débits d'exploitation, débits aux exutoires).

Responsable : hydrogéologue généraliste Point ACCORD : entre l'hydrogéologue généraliste, le modéliste, le rédacteur de l'ofle

Etape n 0 3 : Choix technique

Il s'agit de définir l'outil mathématique qui permettra de modéliser au mieux le contexte hydrogéologique décrit dans le modèle conceptuel.

Dans cette étape, sont définis le logiciel, les caractéristiques du modèle et le matériel qui permettront de répondre aux questions du client, en s'attachant à respecter le modèle conceptuel.

" choix du logiciel : II doit être fait en fonction du problème à traiter :

- solution analytique (IMAGE 4) - MARTHE modèle numérique, éventuellement complété par :

SESAME pour l'étude des phénomènes hydrodispersifs

" caractéristiques du modèle (définies selon les hypothèses du modèle conceptuel) : - type de modèle : coupe (x, z), 2D (x, y) ou 3D (x, y, z) - régime permanent ou transitoire (définition du pas de temps) - nombre de niveaux aquifères et semi-perméables - conditions aux limites - relation nappelrivière -maillage : nombre de couches - dimensions et nombre de mailles - découpage

gigogne - étude en zone saturée ou non - prise en compte de la densité du fluide ou non - prise en compte de fractures ou non

" choix du matériel (outil informatique) : On aura souvent à choisir entre un micro-ordinateur ou une station de travail. Une fois défini l'outil de calcul, les coûts informatiques doivent être évalués.

Le choix du matériel sera fait en fonction : - des caractéristiques du modèle (disponibilité mémoire, temps calcul) - du lieu de réalisation du projet (Orléans, Agence, étranger) - du devenir du modèle (installation chez le client par exemple).

Responsable : l'hydrogéologue et le modéliste Point ACCORD : entre le rédacteur de l 'ofie et la Direction Technique Eau, au cours duquel les points suivants doivent être examinés :

a - est-on sûr que le modèle choisi permette de résoudre les questions posées par le client ? b - est-ce la meilleure approche ? c - existe-t-il une expérience antérieure sur un tel sujet ? d - s'assurer de la compatibilité et du niveau de développement des différents outils prévus

dans le projet.

Exemole : tous les logiciels liés à la modélisation ne sont pas portés à la fois sous VMS, UNIX et MS-DOS tous les logiciels ne peuvent pas traiter les maillages gigognes de MARTHE.

e - est-ce que le projet nécessite un développement nouveau des produits existants (accord du chef de produit).

f - toutes les étapes du Plan Qualité Modélisation Hydrodynamique doivent être prévues afin de pouvoir en chiffrer leur coût.

g - un chronogramme prévisionnel prévoyant l'enchaînement et la durée des interventions, doit être établi.

Etape n 0 4 : Elaboration du devis interne

L'élaboration du devis inter - qui sera utilisé pour l'offre commerciale - sera fait à partir du problème à résoudre, des données disponibles et de la solution technique retenue, en tenant compte des différentes phases de la modélisation décrites ci-après, des délais et de la qualification du personnel.

Responsable : l'hydrogéologue généraliste et le modéliste. Point ACCORD : entre l'hydrogéologue généraliste, le modéliste et le rédacteur de IfofSie.

2.2. Phase 2 : Réalisation du modèle

Etape n 0 5 : Organisation des travaux

Cette étape marque le début de la phase réalisation du modèle une fois la proposition acceptée par le client. Cela signifie que les résultats attendus par le client sont bien définis et que les dépenses maximales et les délais sont fixés.

Elle comprend les points suivants :

a - désignation du chef de projet b - relecture des termes de référence du contrat et redéfinition éventuelle avec le client si un

délai important s'est écoulé entre la rédaction de l'offre et le début de la modélisation c - élaboration du chronogramme des travaux : énumération des différentes tâches et

désignation des intervenants. d - rédaction du Plan Qualité spécifique s'il est prévu au contrat

e - ouverture d'un numéro de référence permettant le suivi de l'affaire (voir note du service BRGM n092/21)

Responsable : le chef de projet Point ACCORD : entre le chef de projet et le client sur le contenu du Plan Qualité spécifique du projet. Dzjj%sion à tous les intervenants du chronogramme des travaux et du Plan Qualité spécifique.

Etape n 0 6 : Traitement des données

Cette étape comprend :

6.1. Rassemblement des données existantes cartes - études bibliographiques - consultations des bases de données (Banque de données du sous-sol) - ouvrages existants. Dans certains cas, il sera nécessaire d'obtenir l'autorisation du propriétaire des données existantes qui peut être autre que le client.

6.2. Mise en forme des données ponctuelles . définition d'un système de coordonnées de référence (x, y et z), commun à tous les intervenants du projet (géologues, géophysiciens, autres partenaires extérieurs au BRGM). habillage : création d'une série de fichiers habillage (limites d'extension des aquifkres, rivières, routes, villes, etc ...) qui pourront être superposés aux résultats des simulations Iiydrodynamiques. . création d'un fichier ou d'une base de données contenant les coordonnées et les valeurs mesurées (charge, cotes de substratum ...) des différents points de mesures.

6.3. Mise en forme des historiques de données réalisation de tableau et de graphiques

6.4. Analyse critique des données analyse statistique et représentation graphique des données. Identification des anomalies rencontrées. Logiciels utilisés : INGRID + GRECO + UNIGRID + SHALIMAR et les logiciels du commerce EXCEL et SURFER.

6.5. Estimation des données manquantes Dans une mesure ou des données indispensables pour la suite de l'étude manquent, il faut alors en prévenir le client et envisager éventuellement un avenant au contrat afin de réaliser des mesures complémentaires.

6.6. Interprétation des données et contrôle des données déjà interprétées pompages d'essai - traçages Logiciels utilisés : ISAPE - CATTI

6.7. Evaluation de la qualité des données

6.8. Archivage des données A l'issue du traitement des données, celles-ci doivent être rassemblées et archivées sous forme de fichiers informatiques et une notice décrivant en détail leur contenu (nature des données, format, unité) devra être rédigée.

Responsable : hydrogéologue généraliste Point ACCORD : entre le client, l'hydrogéobgue généraliste et le modéliste, au cours duquel les points suivants doivent être abordés :

a - état des données - qualité - fiabilité - données manquantes - b - identification des critères et des paramètres d'ajustement qui seront utilisés lors de

l'étape de calage : -pour un calage en régime permanent : choix d'une ou plusieurs surfaces

piézométriques de référence -pour un calage en régime transitoire : choix d'un ou plusieurs historiques de

référence c - vérifier si l'analyse des données ne remettent pas en cause les hypothèses du modèle

conceptuel.

Etape n 0 7 :Elaboration du modèle conceptuel détaillé

A partir des résultats du traitement des données, il s'agit de compléter et préciser toutes les rubriques définies dans le modèle conceptuel sommaire réalisé lors de l'étape 2.

Responsable : hydrogéologue généraliste Point ACCOXD : entre l'hydrogéologue généraliste et le modkliste.

Etape n 0 8 : Elaboration du modèle

8.1. Ouverture d'un cahier modélisation dans celui-ci seront notées toutes les opérations réalisées par le responsable modéliste (nom des fichiers, modifications apportées au cours des calculs, etc ...) Ce cahier - généralement manuscrit - doit permettre la reprise ultérieure de i'étude soit par la même personne, soit par tout autre intervenant.

8.2. Réalisation du maillage définition des caractéristiques du maillage Logiciel à utiliser : RAMAGE + OPERASEM

8.3. Constitution des fichiers du modèle . création des fichiers de données MARTHE (voir la notice technique du logiciel MARTHE) . constitution des grilles des valeurs au centre des mailles à partir de données ponctuelles existantes Logiciels à utiliser : INGRID + OPERASEM + UNIGRID + FUSIOMAR

Les variables comme la cote topographique ou la piézométrie pourront être interpolées linéairement à partir des valeurs ponctuelles, par contre les perméabilités et les coefficients d'emmagasinement ne seront pas interpolés. Dans ce dernier cas on mettra les valeurs les plus proches des points.

8.4. Opération de contrôle des données introduites dans le modèle cohérence des données introduites (toit > substratum, piézométrie > substratum). . vérification de la bonne utilisation du logiciel de modélisation. Exemple : On va vérifier que les unités utilisateurs (mmlmois pour les infdtrations, m3/s pour les débits de pompage) sont correctement saisies dans les fichiers des paramètres du modèle. On pourra faire des vérifications "manuelles" (calcul du bilan entrée-sortie, du volume total de recharge), et des modifications des paramètres sensibles en contrôlant la cohérence des réactions du modèle à ces changements (affecter 50 mm puis 100 mm d'infiltration dans la zone de pluie n0l).

8.5. Tests de fonctionnement du modèle Au cours de cette étape, seront testés :

- la méthode de résolution la mieux appropriée au modèle (résolution directe de Cliolesky par maille, par bande).

- analyse de la convergence du modèle (voir l'analyse des fichiers BILANDEB.LST sur la notice de MARTHE).

- le nombre d'itérations nécessaires pour obtenir une bonne convergence des calculs (équilibre des flux à mieux de 1 %).

- le coefficient de relaxation, si nécessaire - le nombre de sous-pas de calcul pour les études en transitoire

Responsable : modbliste Point INFO : tenir informé le client, le chef de projet et les autres intervenants de la fin de cette étape. Communication des résultats.

Etape n 0 9 : Calage du modèle

9.1. Estimation de la recharge modélisation pluie-débit et pluie-niveau pour estimer la recharge de la nappe due à la pluie. Si possible, on s'attachera à rechercher des stations hydrométriques contrôlant les exutoires de l'aquifère. logiciel à utiliser : SHALIMAR + GARDENIA

9.2. Calage en régime permanent vérification de la convergence des calculs (équilibre des flux) à l'issue de chaque simulation afin de ne faire des comparaisons que sur des états équilibrés . comparaison des valeurs observées et calculées selon les critères définis au point ACCORD de l'étape O. ajustement du champ des perméabilités logiciels à utiliser : " pour le calage automatique : MARTHOPT " pour les représentations graphiques des résultats : INGRID, GRAPHMAR,

UNIGRID, VISUCOUPE + GRECO.

9.3. Calage en régime transitoire Cette étape comprend les mêmes points que l'étape 9.2 auquel s'ajoute le calage du champ des coefficients d'emmagasinement.

Au cours de cette phase qui comprend 3 étapes, il sera nécessaire d'une part d'obtenir l'accord des différentes personnes impliquées dans l'étude à l'issue de chacune d'entre elles, d'autre part de revenir éventuellement sur l'étape précédente. Exemple : le calage en régime permanent peut remettre en cause l'estimation de la recharge, et le calage en régime transitoire peut remettre en cause le champ de perméabilité du régime permanent.

Lors des phases de calage, il est recommandé de tenir à jour le cahier de modélisation, et recommandé de ne faire qu'une modification à chaque "passage" du modèle.

Rcsponsablc : modéliste Point ACCORD : entre l'hydrogéologue généraliste et le modéliste sur l'adéquation du calage et les résultats obtenus (champ de perméabilité, bilan hydraulique).

Le point ACCORD doit comporter une réflexion critique sur la cohérence physique des résultats et sur l'adaptation des résultats trouvés aux attentes du client. Cette réflexion ne peut avoir lieu que lorsque le "modèle" tourne réellement.

Etape no 10 : Analyse de sensibilité du modèle

Elle doit être prévue dans la proposition si le problème posé en fait apparaître l'utilité. L'analyse de sensibilité permet d'estimer la fiabilité des résultats remis au client. Elle doit être commencée tôt dans la phase de modélisation (voir étape 8.5), quitte à réorienter celle-ci au début de l'étude, et achevée avec les résultats finaux du projet. L'analyse de sensibilité du modèle consiste à faire varier autour de leur moyenne les paramètres de celui-ci : " K, S, recharge pour MARTHE " porosité cinématique, coefficient de dispersion pour SESAME et à analyser les conséquences sur les résultats obtenus : charge, débit, concentration, temps de parcours. Cette démarche permet d'évaluer une plage de validité pour les résultats avancés par la modélisation.

Etape n o 1 1 : Validation du modèle

Elle doit être prévue dans la proposition si le problème posé en fait apparaître l'utilité Exemples :

en régime transitoire on peut caler le modèle sur une période et le vérifier sur une autre période on peut caler un phénomène hydraulique sur une piézométrie de référence et le valider sur une carte de concentration

Etape no 12 : Exploitation du modèle par simulations du scénarios

Cette étape doit permettre de répondre aux questions du client sur des prévisions futures suite à des aménagements à réaliser (fouille, paroi étanche) et des modifications d'exploitation (augmentation ou diminution de pompage).

Responsable 10 - I I et 12 : modéliste Point ACCORD : entre l'hydrogéologue généraliste et le modéliste.

Si le projet prévoit une application aval (étape no13), les principaux résultats de la phase modélisation Iiydrodynamique doivent être mis en forme et faire l'objet d'un document qui servira de point de départ à l'étape no 13.

Etape no 1 3 : Applications aval

Une fois la partie hydrodynamique terminée, les exploitations aval peuvent commencer. Cette étape sera décrite dans une procédure particulière spécifique pour les calculs de transport avec le logiciel SESAME.

Responsable : modéliste de l'application aval Point ACCORD : entre l'hydrogéologue généraliste et le modéliste.

Etape n 0 1 4 : Etablissernent du rapport

Cette étape comprend :

la rédaction et l'illustration du rapport doit suivre la procédure PG11 la vérification et l'approbation du rapport

Le rapport doit contenir les rubriques suivantes :

a - la description du contexte Iiydrogéologique et du schéma conceptuel qui en est déduit

b - la description des données utilisées sous forme de graphiques et de cartes.

On s'efforcera de reproduire les valeurs (sous forme de tableaux) des données directement utilisées dans la phase de modélisation, afin d'avoir un document autoporteur permettant de réaliser les opérations de contrôle que le client souhaiterait faire.

c - la description du modèle

- définition du maillage - choix des hypothèses de calcul :

conditions aux limites du modèle avec une justification physique à partir du schéma conceptuel . schéma d'écoulement : 2D et 3D régime hydraulique : permanentltransitoire

- explications précises des adaptations imposées pour les simulations - édition sous forme de cartes (toutes à la même échelle) du maillage du modèle avec ses

conditions aux limites ainsi que ses données : substratum, toit, perméabilité, etc.. . - exposé de la démarche suivie lors des différentes phases de calage

d - Présentation des résultats Elle devra comprendre au minimum les points suivants :

1. La superposition des charges observées et calculées (en régimes par moment et transitoire), ainsi que la carte des écarts de simulation.

2. Les différentes termes du bilan (fichier BILANDEB. LST de MARTHE) sous forme schématique avec :

- les débits entrant et sortant aux limites - les débits de pompage - la recharge - les stockages ou destockages des étapes du régime transitoire.

3. Les champs de perméabilité et d'emmagasinement obtenus à l'issue du calage

e - Conclusions Rappels des hypothèses de travail et des principaux résultats de calage, mais surtout celles relatives aux simulations de scénarios.

Responsables : les d~%férents intervenants pour leur partie respective, avec une vérijication d'ensemble par le chef de projet. Point ACCORD : entre le chef de projet et les d~jférents intervenants.

Etape no 15 : Archivage

Il doit être prévu pour une réutilisation future et doit comprendre :

a - l'archivage des données d'origine, des notes de calcul, etc ...( fait à l'issue de l'étape 68) b - l'archivage des fichiers informatiques.

L'archivage informatique doit être fait après "nettoyage" de tous les fichiers devenus inutiles qui prennent de la place et rendent difficile la recherche des fichiers utiles. La liste complète des données archives doit figurer à la fin du cahier de modélisation. Le type de support et le lieu de rangement doivent être indiqués.

Responsables ; les diffirents intervenants pour leur partie respective, avec une vérijication d'ensemble par le chef de projet. Point INFO ; le chef de projet doit connaître le mode et le lieu d'archivage des données utilisées lors de l'étude.

Etape n 0 1 6 : Présentation au client

Responsable : le chef de projet.

DEFINITIONS

Plan Qualité :

C'est un document qui énonce la séquence des tâches unitaires nécessaires à la réalisation d'un produit et renvoie à des documents plus élaborés ou plus techniques (manuels, procédures, modes opératoires, notes, listes, consignes écrites).

Les Plans Qualité standard sont établis pour les produits standard figurant sur la liste des produits d'une unité productrice. Ces Plans Qualité standard sont tenus à jour et révisés autant que de besoin.

Les Plans Qualité spécifiques sont des adaptations des Plans Qualité standard à des projets particuliers. Ils sont établis sous l'autorité des chefs de projet. Ils sont élaborés après la signature des contrats et avant lancement de la production.

Points ACCORD et points INFO :

Un Plan Qualité est ponctué de :

" points "ACCORD", où le client -interne ou externe- est informé de l'achèvement de la tâche unitaire en cours. Son avis est requis sur le travail déjà effectué (hypothèses retenues, méthodologie adoptée, résultats obtenus). Il doit y avoir accord écrit entre les différentes parties pour lancer l'exécution de la (ou des) tâche(s) unitaires(s) suivantes(s). La gestion des points "ACCORD" nécessite de prendre au compte d'une part les délais contractuels qui peuvent être différés par des interruptions, d'autre part l'activité des personnes impliquées dans le projet au cours de ces interruptions.

" points "INFO", où le client -interne ou externe- est informé de l'avancement de la tâche unitaire en cours ; il peut prendre toutes dispositions le concernant, sauf celle d'interrompre la séquence des activités prévues au Plan Qualité.

ANNEXE

Plan qualité standard : "Modélisation hydrodynamique" (PM02)

Le Plan Qualité Modélisation spécifique à un projet doit être élaboré selon le modèle standard présenté ci-après. Ce document permet de préciser pour chaque tâche unitaire :

- son numéro d'ordre d'exécution chronologique ; - sa dénomination ; - les instructions de l'Assurance Qualité @rocédure, mode opératoire) qui régissent sa mise

en oeuvre ; - le responsable de son exécution, désigné par sa fonction ou son nom suivant les cas ; - les moyens (techniques, logistiques; humains) nécessaires à sa réalisation ; - les points d'intervention du client, exigés par celui-ci ou proposés par le BRGM, qui sont

des ordres "INFO" ou "ACCORD" ; - les documents à réaliser à l'issue de cette tâche.

modélisation de la nappe de téboulba (tunisie)infoterre.brgm.fr/rapports/rr-39069-fr.pdf · 2007....

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