Littérature scientifique sur le sujet « Modèles hydrogéologiques »

Le bassin de Berrechid situé au Sud de Casablanca, caractérisé par un climat semi-aride, est intensément exploité pour l'alimentation en eau potable et l'irrigation. Les traits géologiques de cette région ont confié à l'aquifère de Berrechid des caractéristiques hydrogéologiques importantes. Afin d'améliorer la compréhension du fonctionnement hydrogéologique de ce bassin, des mesures des concentrations de l'oxygène 18 et du tritium dans 71 échantillons d'eau souterraine et 8 échantillons d'eau de surface ont été réalisées pour étudier l'origine de recharge et l'âge des eaux souterraines de l'aquifère. Les données isotopiques de l'18O ont montré l'existence de deux principales composantes de la recharge de la nappe de Berrechid : une recharge par des eaux non évaporées provenant de l'abouchement latéral à partir du plateau de phosphates et de l'infiltration rapide de la pluie au Nord de la plaine et une recharge par infiltration des eaux de surface fortement évaporées dans le reste de la plaine. L'évaluation des temps de transit de l'eau a été calculée à partir de l'application des modèles d'écoulement exponentiel et de dispersion du programme Boxmodel aux données isotopiques d'entrée et de sortie. Ainsi, l'interprétation des teneurs en tritium et les temps de séjour estimés à l'aide du modèle empirique (moins de 20 ans) ont révélé que les eaux des secteurs Nord et Sud sont récentes, ce qui traduit une recharge récente et continue dans cette zone. Par contre, les eaux anciennes issues d'une recharge locale dans le reste du bassin reflètent la présence d'une lithologie peu perméable.

Les modèles climatiques régionaux (MCR) du projet Cordex prévoient une diminution des précipitations de 18% et une augmentation de la température moyenne de 0,5°C dans la zone de Ghis-Nekkor à l’horizon de 2050. Ces changements futurs pourraient anticiper plus d’aridité avec un climat régional qui tend vers le caractère aride à l’horizon de 2080. L’augmentation des températures conjuguée à des précipitations de plus en plus faibles pourrait affecter la recharge de la nappe de Ghis-Nekkor. Afin d’évaluer l’impact de ces changements sur les fluctuations piézométriques et la recharge de la nappe, l’amélioration des connaissances géologiques et hydrogéologiques s’avère nécessaire. Cela a conduit à la production des coupes hydrogéologiques représentatives, ainsi que le développement du modèle géologique 3D de l’aquifère. Les fluctuations du niveau piézométrique observées ont été analysées et interprétées pour la période 1972-2012. Les fluctuations et les cartes du niveau piézométrique montrent une baisse du niveau de la nappe due à la variation de la recharge de la nappe et aux conditions climatiques, puisque pour les années sèches une diminution du niveau piézométrique est remarquée, cela se traduit d’ailleurs par la réduction du bilan hydrique de la nappe. En l’occurrence, la recharge de la nappe a été estimée à travers les projections des précipitations issues du MCR « HIRHAM5 » sous deux scénarios (RCP 4.5 et RCP 8.5). Les résultats montrent une réduction de la moyenne annuelle de recharge de 12% et 20% respectivement pour les périodes 2021-2050 et 2051-2080 sous le scénario RCP 4.5. De plus, les valeurs de la recharge future de la nappe sous le scénario RCP 8.5 seraient de plus en plus faibles et pourraient atteindre une diminution de 30% pour la période 2065-2080.

L'usage quasi systématique de fertilisants sur de grandes surfaces a conduit la majorité des aquifères superficiels à un grave niveau de contamination par les nitrates. Des essais de gestion environnementale de cette problématique agricole sont conduits à l'échelle du bassin versant afin d'estimer les flux de nitrates percolant vers la nappe. La présente étude reprend les résultats issus de la modélisation d'un bassin versant dans le but d'appréhender l'évolution de la concentration en nitrates dans les eaux de la nappe. L'importance des conditions hydrogéologiques dans les relations entre zones non saturée et saturée a été mise en évidence par la comparaison des concentrations calculées dans la zone non saturée et observées dans la nappe. En règle générale, les concentrations sont très semblables pour les zones proches des limites amont du bassin, et se différencient de plus en plus vers l'aval du système. Une dilution semble se produire entre les flux percolant des différentes zones non saturées et les flux d'eau et de nitrates s'écoulant dans l'aquifère. Afin de tester cette hypothèse, un modèle de dilution basé sur les flux d'eau et de nitrates dans les zones non saturée et saturée est développé. Appliqué sur l'axe d'écoulement principal du système, le modèle de dilution permet de reproduire adéquatement les concentrations observées dans la nappe à partir de celles calculées dans le sol avec une erreur maximale variant de 1 à 22%. Le couplage d'un modèle environnemental pour la zone racinaire du sol avec un modèle de dilution simple peut permettre le calcul des concentrations en nitrates dans la zone saturée. Toutefois, la prise en compte des conditions hydrogéologiques du système est nécessaire à un calcul de dilution efficace basé sur les valeurs des flux de percolation.

La congélation artificielle des terrains est utilisée depuis des décennies comme technique de stabilisation et d’imperméabilisation temporaires des terrains pour résoudre des problèmes de génie civil ou minier à moindres coûts. Toutefois, elle peut engendrer, tout comme le gel naturel, des déplacements en surface ou au niveau des ouvrages souterrains adjacents, dont l’amplitude dépend, entre autres, des conditions géologiques et hydrogéologiques. Ainsi, pour évaluer les risques liés à l’utilisation de la congélation artificielle, nous proposons dans cet article un modèle thermo-hydro-mécanique et chimique (THMC) couplé, permettant de prédire l’étendue de la zone congelée et la stabilité des terrains. Ce modèle s’inscrit dans le cadre de la mécanique des milieux poreux et utilise des hypothèses simplificatrices afin d’aboutir à un formalisme facilement utilisable en pratique pour réaliser des simulations de longues durées à l’échelle de la mine. Le modèle a été appliqué au cas de la mine de Cigar Lake (Canada), à travers des simulations thermo-hydro-mécaniques couplées, qui ont permis de prédire proprement l’évolution de la congélation dans le massif et les tassements observés autour des tunnels de production excavés en dessous du massif congelé.

Abstract. La caractérisation hydraulique des systèmes aquifères est importante pour le développement de scénarios d'exploitation et de stratégies de gestion des eaux souterraines. En particulier dans les aquifères lithologiquement hétérogènes, il ne faut pas négliger les variations de transmissivité (T) à l'échelle locale. Les valeurs de transmissivité à l'échelle locale sont habituellement dérivées d'essais de pompage, mais dans la plupart des cas, leur nombre et leur disponibilité sont plutôt limités. De même, la mesure directe de la transmissivité sur l'ensemble d'un aquifère s'avère onéreux et quasi-impossible techniquement. Dans de telles situations, la modélisation hydrodynamique par approche inverse se présente comme la solution appropriée. Dans cet article, le champ de transmissivité réel de l'aquifère du Continental Terminal (CT) d'Abidjan est recherché par une paramétrisation multi-échelle qui permet de contourner le problème de changement d'échelle et de déterminer ce paramètre hydrodynamique sur l'ensemble de la nappe. Cette modélisation hydrogéologique a été réalisée à partir des modèles conceptuels Est-Ouest et Nord-Sud qui montrent que le CT est un aquifère constitué de deux couches principales n3 et n4, respectivement formées de sables grossiers de 90 m d'épaisseur et de sables fins à moyen de 80 m d'épaisseur. Le calage du modèle bicouche s'est effectué en régime transitoire de 12 pas de temps mensuels avec des données piézomètriques de 24 piézomètres, des données de production de 71 forages et des valeurs de transmissivité connues de 40 forages dans un maillage élément fini constitué de 534 mailles et 320 noeuds. Ainsi, ce modèle de la nappe du CT a identifié une structure de dimension 153 nœuds comme la structure la plus proche de celle de l'aquifère du CT. Les valeurs de T variant entre 5,4.10−5 et 1 m2 s−1 du champ de transmissivité associé à cette dimension optimale, ont été comparées aux valeurs de T d'autres champs de transmissivités publiées dans des études en Afrique et dans le monde. Ces valeurs identifiées sont plausibles et présentes une bonne structure dans l'ensemble.

Dans un contexte d’accroissement des tensions sur les ressources en eau, exacerbées par le changement climatique, les solutions fondées sur la nature (SFN) ont été mises à l’agenda des politiques de gestion quantitative pour répondre à leurs enjeux écologiques et sociaux. Seulement, la mise en œuvre des SFN à l’échelle territoriale se heurte notamment à des incertitudes sur leurs effets hydrologiques. Dans une perspective exploratoire, l’article évalue le potentiel des SFN pour améliorer la recharge des eaux souterraines et plus globalement la gestion quantitative de l’eau dans le bassin de la Seudre. L’analyse s’appuie sur un exercice de modélisation participative qui alimente l’élaboration du projet de territoire pour la gestion de l’eau (PTGE). Un ensemble de SFN pertinentes pour le territoire a d’abord été identifié sur la base d’une revue de la littérature et de discussions avec les acteurs locaux. Des scénarios de déploiement de ces mesures, traduits sous forme de cartes, ont ensuite été construits au cours d’ateliers participatifs et leur impact sur la recharge sommairement estimé à partir de résultats d’études existantes. Le modèle hydrogéologique du Crétacé du Sud-Charentes développé par le Bureau des ressources géologiques et minières (BRGM) est ensuite utilisé pour simuler l’impact de ces scénarios sur le fonctionnement des ressources en eau souterraines et des milieux dépendants. L’ensemble de la démarche a mobilisé les acteurs locaux impliqués dans l’élaboration du PTGE au cours d’une série d’ateliers qui ont permis de valider les SFN et les secteurs où les déployer ainsi que les hypothèses de modélisation. Le modèle hydrogéologique a été paramétré pour simuler les chroniques de débit de la Seudre et la piézométrie des aquifères en fonction des gains d’infiltration correspondant aux scénarios de déploiement des SFN sur le territoire. Les résultats de la modélisation ont fait l’objet d’un atelier final pour établir un programme d’actions associé au déploiement des SFN sur le bassin versant au sein du PTGE.

La région de Settat a connu durant ces deux dernières décennies une croissance démographique importante et un essor économique majeur par l’implantation d’une zone industrielle. En plus, cette région est connue par son caractère agricole, surtout en cultures céréalières (grenier du Maroc). Cette croissance a été accompagnée par une augmentation des débits des effluents liquides urbains et industriels qui sont directement évacués dans l’oued Boumoussa considéré comme égout à ciel ouvert et qui ont induit une détérioration de la qualité de ces eaux. Tout cela a eu un impact sur l’aquifère de Settat du point de vue hydrodynamique et de qualité des eaux souterraines. Pour pallier à cette problématique, une étude pluridisciplinaire a été menée au moyen de l’analyse physicochimique et de l’analyse des isotopes stables de l’eau. Les études antérieures et les analyses présentées ici révèlent une pollution chimique des eaux de la nappe par les écoulements superficiels de l'oued Boumoussa. Les résultats montrent la présence d’un phénomène d’évaporation de l’eau souterraine ainsi que la présence d'un recyclage des eaux d’irrigation qui se mêlent à la recharge naturelle (précipitation) pour alimenter l'aquifère de Settat. Les résultats ont permis de proposer, sur la base des données physicochimiques et isotopiques, un modèle conceptuel de circulation des eaux au niveau de l’aquifère plioquaternaire de Settat pour une meilleure gestion de la ressource en eau.

Le Site Expérimental Hydrogéologique de Poitiers (SEH) a été le lieu d’implantation de deux profils de résistivité électrique, l’un de 47m et l’autre de 23m. Six acquisitions de résistivités apparentes ont été réalisées entre le 18 juillet 2023 et le 17 novembre 2023 afin de calculer les différences de résistivités avec un profil sec et d’obtenir la variation de teneur en eau du sol. Parallèlement, l’installation de différents capteurs sur une station micro-météorologique à 2 mètres de hauteur a permis l’obtention de données hydrologiques (pluviométrie, teneur en eau du sol) et la réalisation de calculs d’évapotranspiration. Après 4 mois de suivi des mesures et le calcul des différences de résistivités, une cohérence entre les données météorologiques et la géophysique est établie et les premiers résultats sont encourageants. Ils permettent d’envisager leur utilisation dans un modèle hydro-géophysique dynamique en time-lapse pour étudier le bilan hydrologique sur le SEH.

Parmi les différentes théories généralement considérées pour expliquer la formation et l'entretien des dépressions piézométriques régionales : surexploitation ; drainage profond ; tectonique subsidente ; réajustement du niveau marin ; reprise évapotranspiratoire, seule la dernière semble pouvoir s'appliquer à l'ensemble des cas décrits en zone sahélienne. Les études hydrogéologiques en cours dans cette région, et notamment les résultats des isotopes de l'environnement, mettent en effet en évidence le rôle prépondérent des transferts verticaux sur les écoulements latéraux.Le schéma conceptuel présenté est basé sur les hypothèses suivantes: considérant une nappe libre alimentée par ses bordures, en milieu à faible perméabilité ; (1) il existe, en tout point de la nappe, un déficit entre l'infiltration saisonnière et la reprise évapotranspiratoire ; (2) infiltration, évapotranspiration et déficit décroissent de façon exponentielle avec la profondeur de la nappe ; (3) la piézométrie actuelle est le résultat d'une évolution commencée depuis la fin d'une période humide correspondant au remplissage maximun de la nappe (dernier pluvial Holocène pour les grandes dépressions sahéliennes).Dans un premier temps, la validité de ce schéma est testée à l'aide d'un modèle analytique simple prenant en compte les caractéristiques climatiques (évolution temporelle du déficit hydrique), les propriétés hydrodynamiques (perméabilité, coefficient d'emmagasinement) et le « pouvoir évaporatoire » du sol (« facteur de forme » k). Ce dernier, expression principalement de la texture du terrain, apparaît logiquement comme le paramètre le plus sensible pour le modèle.Un modèle transitoire unidimensionnel est ensuite présenté afin de simuler la baisse piézométrique entre deux limites à potentiel constant. La surface piézométrique obtenue semble en accord avec les données observées sur le terrain.

Les études de caractérisation hydrogéologiques peuvent être relativement longues et coûteuses. Pour caractériser rapidement les bassins versants de la vallée du Saint-Laurent et permettre une compréhension générale de l’hydrogéologie de ces derniers, cinq modèles empiriques d’interprétation hydrologique ont été testés, les variables morphométriques représentant les variables indépendantes et les données hydrogéologiques les variables dépendantes. Le bassin versant de la rivière Châteauguay a été utilisé pour calibrer les modèles, alors que le bassin versant de la rivière Beaurivage, un sous bassin versant de la rivière Chaudière a été sélectionné pour la validation. Les réseaux de neurones (modélisation non linéaire multivariée) se sont avérés particulièrement performants, compte tenu du peu de données disponibles. La combinaison de deux variables morphométriques a été, en général, plus performante que l’utilisation seule de ces dernières. La densité de drainage relative, qui représente le rapport entre la densité de drainage et le relief du bassin a été la variable morphométrique la plus performante.

Dans ce travail, un outil de modelisation mathematique a ete mis au point pour modeliser de facon simple et rapide, et avec une precision acceptable, le transport des nitrates d'origine agricole dans les eaux souterraines. Les donnees necessaires pour l'utilisation de cet outil de modelisation peuvent etre recueillies sur une annee, avec un nombre restreint de mesures in situ. Le modele peut etre applique a une nappe libre alimentant une station de pompage et sur laquelle l'impact de la pollution nitratee d'origine agricole est tres fort. L'outil de modelisation est constitue d'un modele de transport en zone saturee, developpe en langage de programmation turbo-pascal et integre dans un systeme d'information geographique (idrisi). Le sig joue un role d'interface pour le modele et permet une saisie rapide des donnees de modelisation. Un certain nombre de simplifications apportees a la theorie du modele permet de restreindre le nombre de donnees necessaires a la simulation : - le modele est base sur un principe convectif pur (la dispersion etant negligee) ; - il traite egalement l'evolution annuelle de la piezometrie de la nappe par une interpolation mathematique entre la piezometrie des hautes eaux et des basses eaux. Le modele de transport, ne gerant pas l'hydrodynamisme de l'aquifere, a ete couple avec un modele hydrodynamique : modflow. Le modele de transport a egalement ete couple avec un modele de transfert de nitrates en zone non saturee : agriflux. Cet outil de modelisation, teste sur deux sites d'etude du poitou-charentes, a donne pour chacun des resultats de modelisation satisfaisants, assurant ainsi la validation du modele. Une modelisation parallele, conduite pour les deux sites avec un modele de transport classique (mt3d, couple avec modflow), a permis d'obtenir des resultats tres proches des premiers, permettant ainsi une validation complementaire de l'outil de modelisation.

Les crues et les sécheresses sont deux des risques majeurs en France et nécessitent une attention particulière. Dans ces conditions où le changement climatique engendre des phénomènes extrêmes de plus en plus fréquents, la modélisation de ces risques est désormais un élément incontournable pour la gestion de la ressource en eau.Actuellement, les débits ou hauteurs d’eau sont principalement anticipés à partir de modèles à base physique ou conceptuelle. Bien qu’efficaces et nécessaires, la calibration et la mise en œuvre de ces modèles nécessitent la réalisation d’études longues et coûteuses.Dans ce contexte, cette thèse, soutenue par l’IMT Mines Alès et conjointement financée par la société aQuasys et l’ANRT, a pour objectif de développer des modèles issus du paradigme systémique. Ceux-ci nécessitent uniquement des connaissances a priori basiques sur la caractérisation physique du bassin étudié, et qui peuvent être calibrés à partir des seules informations d’entrées et de sorties (pluies et débits/hauteurs).Les modèles les plus utilisés dans le monde environnemental sont les réseaux neuronaux, qui sont utilisés sur ce projet. Cette thèse cherche à répondre à trois objectifs principaux :1. Élaboration d’une méthode de conception de modèle adaptée aux différentes variables (débits/hauteur des eaux de surface) et à des bassins de types très différents : bassins versants ou bassins hydrogéologiques (hauteur des eaux souterraines)2. Évaluation des incertitudes liées à ces modèles en fonction des types de bassins visés3. Réduction de ces incertitudesPlusieurs bassins sont utilisés pour répondre à ces problématiques : la nappe du bassin du Blavet en Bretagne et le bassin de la nappe de la Craie de Champagne sud et Centre
Floods and droughts are the two main risks in France and require a special attention. In these conditions, where climate change generates increasingly frequent extreme phenomena, modeling these risks is an essential element for water resource management.Currently, discharges and water heights are mainly predicted from physical or conceptual based models. Although efficient and necessary, the calibration and implementation of these models require long and costly studies.Hydrogeological forecasting models often use data from incomplete or poorly dimensioned measurement networks. Moreover, the behavior of the study basins is in most cases difficult to understand. This difficulty is thus noted to estimate the uncertainties associated with hydrogeological modeling.In this context, this thesis, supported by IMT Mines Alès and financed by the company aQuasys and ANRT, aims at developing models based on the systemic paradigm. These models require only basic knowledge on the physical characterization of the studied basin, and can be calibrated from only input and output information (rainfall and discharge/height).The most widely used models in the environmental world are neural networks, which are used in this project. This thesis seeks to address three main goals:1. Development of a model design method adapted to different variables (surface water flows/height) and to very different types of basins: watersheds or hydrogeological basins (groundwater height)2. Evaluation of the uncertainties associated with these models in relation to the types of targeted basins3. Reducing of these uncertaintiesSeveral basins are used to address these issues: the Blavet basin in Brittany and the basin of the Southern and Central Champagne Chalk groundwater table

Le Site Expérimental Hydrogéologique (SEH) de Poitiers est implanté au droit des deux aquifères principaux (carbonates fracturés) de la région Poitou-Charentes. Trente cinq forages composent actuellement le SEH avec un emboîtement d'échelle permettant des investigations de 10 à 600 mètres. L'essentiel de l'étude hydrodynamique présentée dans ce travail repose sur l'interprétation de pompages d'essai en interférences Les méthodes conventionnelles d'interprétation de ces tests sont dédiées au milieu poreux et ne peuvent s'appliquer en raison de la forme convexe des courbes de rabattement observées sur le site. Un modèle a été bâti, basé sur une représentation fractale du milieu et une approximation logarithmique de la solution à un écoulement radial convergent de symétrie cylindrique. En travaillant avec des paramètres dimensionnés, ce modèle est inversible par optimisation sur chaque courbe de rabattement. L'exploitation des résultats montre que le milieu a un comportement proche d'un réseau de percolation au seuil avec des valeurs de transmissivité et de coefficient d'emmagasinement obéissant à des lois d'échelle. On constate que les transmissivités s'homogénéisent rapidement dès les faibles distances entre puits pompé et puits observé. A l'inverse, les valeurs du coefficient d'emmagasinement ne sont pas homogénéisées sur les distances échantillonnées par le pompage et montrent une décroissance significative sur presque un ordre de grandeur en fonction de la distance. Ces résultats de tests d'interférence ont été comparés à une étude locale, à l'échelle du puits, de la porosité et du coefficient d'emmagasinement en utilisant les analyses corrélatoires et spectrales croisées entre niveau piézométrique et pression atmosphérique. Quand bien même la comparaison des résultats n'est pas entièrement probante, elle démontre combien l'écoulement en milieu fracturé et la détermination des paramètres hydrodynamiques sont sensibles à l'échelle de mesure
The Hydrogeological Experimental Site (HES) in Poitiers is set up over the two main aquifers (fractured limestone) of the Region Poitou-Charentes. The site encloses 35 wells spatially distributed so that nested scales in the range 10 - 600 m for lag-distances between wells are available. Most of the hydrodynamic study proposed in this work rests on the interpretation of interference hydraulic pumping tests. Classical methods of interpretation are devoted to porous media and cannot be applied here because of the convex shape in time of observed draw-down curves. A new model has been built. It is based on a fractal approach to the fractured medium and a logarithmic approximation to the solution of radial flow with cylindrical symmetry. This model handles dimensioned variables which allow its inversion by optimization over each available draw-down curve. The results show that the medium has a fractal behavior very close to that of a 2D percolation network at the percolation threshold, with transmissivity and storage capacity obeying power scaling laws. It is shown that transmissivity values rapidly homogenize even for small lag-distance between the pumped well and the observed-one. On the other hand, the storage capacity keeps decreasing over almost one order of magnitude with the lag-distance. These results from interference tests have been compared to that from a study, at the scale of the well, of porosity and storage capacity deduced from cross-correlation and spectral analysis between hydraulic head and atmospheric pressure. Even though the comparison shows a few discrepancies between results, it point out that flow in fractured rocks and the determination of hydrodynamic parameters are very sensitive to the scale over which measurements are performed

Le site étudié est occupé en grande partie par la ville industrielle de Taegu en Corée ; 2 millions d'habitants ; située au milieu du bassin sédimentaire Crétacé de Gyeung Sang. A l'Est du bassin on trouve en outre des dépôts volcanoclastiques et quelques coulées basaltiques du Crétacé supérieur. Le secteur d'étude est limité au Nord par la rivière Khum-Ho (altitude environ 20 m). Il est traversé par la rivière Chin-Chen qui s'écoule du Sud vers le Nord en divisant la ville de Taegu en deux parties égales, et se déverse dans la rivière Khum-Ho à la limite Nord du secteur. L'aquifère se développe dans les fractures de la série crétacée et dans des petites cavités de dissolution localisées dans des horizons marneux.

Une méthodologie multidisciplinaire de caractérisation des aquifères fracturés est élaborée en s'appuyant sur deux exemples d'aquifères : un milieu cristallin à Plancoët et un milieu carbonaté à Quézac. Elle consiste d'abord à analyser le contexte géologique et construire un modèle géométrique de l'aquifère à différentes échelles sur la base d'analyses d'images, de cartographie de terrain et de prospections géophysiques. Les modèles géométriques effectués sur les deux sites tiennent compte des particularités de chacun. Une analyse des caractéristiques hydrologiques, hydrogéologiques et géochimiques de l'aquifère est ensuite réalisée à Plancoët, ce qui permet enfin de construire un modèle hydrogéologique qui confirme la structure géologique et conduit à proposer un emplacement de forage. La pluridisciplinarité des méthodes utilisées dans ce travail permet d'avoir une compréhension assez complète des aquifères étudiés.

Dès le début du 20ème siècle, les eaux souterraines de l’aquifère transfrontalier Milk River (MRA) ont constitué une importante ressource dans le sud de l’Alberta (Canada) et le nord du Montana (USA). L’utilisation intensive de cette ressource sous un climat semi-aride a provoqué une baisse importante des niveaux d’eau localement, si bien que des inquiétudes concernant la pérennité du MRA sont apparues dès les années 60. Les études précédentes du MRA étaient limitées par les frontières nationales, empêchant ainsi une compréhension complète de la dynamique de l’aquifère. L’objectif de cette thèse était de réaliser une étude transfrontalière du MRA afin de caractériser cette ressource régionale d’eau souterraine selon ses limites naturelles. À cette fin, trois modèles transfrontaliers ont été réalisés: un modèle géologique, un modèle conceptuel hydrogéologique et un modèle numérique d’écoulement souterrain. Des travaux de terrain de part et d’autre de la frontière Canada/USA et une revue de littérature exhaustive des études précédentes ont supporté la réalisation de ces modèles. De plus, une première évaluation des niveaux d’exploitation historiques du MRA a été réalisée en Alberta.Le modèle géologique 3D (50 000 km2) représente le MRA (Membre Virgelle de la Formation Milk River/Eagle) et ses unités confinantes continûment à travers la frontière internationale. Le développement de ce modèle a requis une harmonisation des nombreuses nomenclatures stratigraphiques de la région et la délimitation transfrontalière du MRA.Le modèle conceptuel hydrogéologique du MRA a montré deux flux d’écoulement souterrains transfrontaliers, dirigés du Montana vers l’Alberta. La Milk River intercepte la majeure partie du flux souterrain venant du sud, si bien que l’écoulement au nord de la rivière est très faible. Les analyses isotopiques confirment que les eaux du MRA sont principalement fossiles à l’exception de la zone de recharge située le long de la zone d’affleurement du MRA. Les zones du MRA avec une forte conductivité hydraulique et de faibles concentrations en chlorures correspondent à des voies d’écoulement préférentielles. L’émergence des eaux du MRA a lieu via la drainance à travers les unités confinantes notamment le long des vallées enfouies.Le modèle numérique (26 000 km2) d’écoulement souterrain du MRA en régime permanent est une transposition des modèles géologique et conceptuel. Il montre que le modèle conceptuel précédemment développé est hydrauliquement plausible. Le modèle d’écoulement donne une meilleure compréhension du système aquifère en représentant la dynamique de l’écoulement souterrain dans la situation pré-exploitation. Le traçage de particules indique des temps de résidence advectifs de près de 750 000 ans à la limite nord du MRA, ce qui est inférieur aux âges obtenus par les analyses isotopiques (2 Ma).Les bilans en eau des modèles conceptuels et numériques montrent tous les deux que l'extraction de l'eau souterraine dépasse de loin la recharge au nord de la Milk River.Un modèle d'écoulement transitoire serait requis pour définir le volume d'eau provenant de l'emmagasinement dans le MRA et préciser le rôle des aquitards durant le pompage. Par ailleurs, en tant que ressource internationale partagée, une gestion transfrontalière des eaux du MRA serait justifiée dans la région comprise entre la zone de recharge au Montana et le sud de la Milk River en Alberta. Ainsi, ces trois modèles transfrontaliers du MRA forment une base commune internationale de connaissances scientifiques à l'échelle de l'aquifère et pourraient supporter l'évaluation future du meilleur usage possible de cette ressource partagée et limitée. De futurs travaux peuvent inclure l'effet des champs de gaz localisés aux limites du MRA et les conditions paléo-hydrogéologiques liées à l'évolution géochimiqie de l'au souterraine
Since the beginning of the 20th century, groundwater from the Milk River Aquifer (MRA) has been an important water resource in southern Alberta (Canada) and northern Montana (USA). The intensive use of this resource under a semi-arid climate has locally led to important drops in waters levels, thus raising concerns on the MRA sustainability since the 1960’s. Previous MRA studies were limited by the national boundaries, thus preventing a full understanding of the aquifer dynamics. The objective of this thesis was to carry out a transboundary study of the MRA to define this regional groundwater resource within its natural boundaries. For this purpose, three cross-border models were developed: a geological model, a conceptual hydrogeological model and a numerical groundwater flow model. These developments were supported by focused field work on both sides of the Canada/USA border and a comprehensive review of previous studies. Furthermore, a first assessment of the historical exploitation levels of the MRA was done for southern Alberta.The 3D geological model (50,000 km2) continuously represents the MRA (Virgelle Member of the Milk River/Eagle Formation) and confining units through the international border. Development of this model required harmonization of various stratigraphic nomenclatures in the study area and the transboundary delineation of the MRA extent.The hydrogeological conceptual model of the MRA indicated two transboundary groundwater fluxes from Montana to Alberta. The Milk River intercepts most of the groundwater flux incoming from the south, thus leading to limited groundwater flow north of the Milk River. Isotopic analyses confirm that the MRA contains mostly fossil groundwater, with the exception of the recharge area located along the outcrop area of the aquifer. Areas within the MRA with a high hydraulic conductivity and low chloride concentrations correspond to preferential groundwater flowpaths. Discharge from the aquifer occurs as vertical leakage through the overlying confining units, especially along bedrock valleys.The numerical steady-state groundwater flow model of the aquifer system (26,000 km2) is a transposition of the geological and conceptual models, and it shows that the previously developed conceptual model is hydraulically plausible. The groundwater flow model provides a better understanding of the aquifer system by representing the dynamics of groundwater flow under pre-development conditions. Particle tracking indicates advective residence times of up to 750,000 years in the northern limit of the aquifer, which is lower than ages obtained from isotopic analyses (2 Ma).The area south of the Milk River benefits from all of the transboundary groundwater flux from Montana whereas north of the Milk River, only a portion of the recharge flux coming from the south is transmitted due to the interception of the Milk River.Groundwater budgets from both the conceptual and numerical models show that groundwater extraction far exceeds recharge north of the Milk River. A transient model would be required to determine how much water is derived from storage in the MRA and to assess the role of the confining units during pumping. Furthermore, as an internationally shared resource, a transboundary management of the MRA would be appropriate, especially in the area comprised between the recharge area in Montana and the Canadian reach of the Milk River.Together, these transboundary models of the MRA constitute a common international basis of scientific knowledge at the aquifer scale and could support further assessments of the best possible exploitation of the shared but limited resource.Future works could include the study of the effects of the gas fields located at the limits of the MRA as well as paleo-hydrogeological conditions relative to the geochemical evolution of groundwater

Le milieu souterrain comprend des vides de toute taille dans lesquels la vie peut se développer dans des conditions aphotiques, souvent déconnectées des fluctuations saisonnières et largement oligotrophes. Une faible proportion d'organismes vivants a pu évoluer et s'adapter à de telles conditions. Certains d'entre eux sont devenus strictement dépendants de cet environnement hostile, au prix d'un ensemble d'adaptations biologiques profondes. Leurs adaptations physiologiques, biologiques et morphologiques ont convergé vers une réduction drastique de la capacité de dispersion et du flux génique entre les populations. Combinés à l'extrême fragmentation de nombreux habitats souterrains, ces traits font de la faune souterraine un modèle particulièrement intéressant par rapport à la faune de surface pour explorer l'impact de la fragmentation de l'habitat sur la spéciation, la diversification et les radiations évolutives, en particulier pour définir et dater les barrières à la dispersion sur la base de preuves géologiques et hydrogéologiques.

Afin d'améliorer les connaissances géoscientifiques sur les eaux souterraines dans le sud de l'Ontario, un modèle régional tridimensionnel de la géologie des formations superficielles du sud de l'Ontario a été élaboré dans le cadre d'une collaboration entre la Commission Géologique de l'Ontario et la Commission Géologique du Canada. Couvrant une superficie d'environ 66 870 kilomètres carrés, le modèle est une synthèse des modèles géologiques existants, de la cartographie de la géologie de surface et des données de subsurface. Le modèle est une reclassification simplifiée en 9 couches de nombreuses formations sédimentaires superficielles locales cartographiées, dont l'épaisseur dépasse par endroits 200 m et dont le volume total est d'environ 2 455 kilomètres cubes. Le modèle intègre la cartographie de la géologie de surface à l'échelle 1:50 000 avec un modèle numérique d'élévation (MNE) topographique corrigé bathymétriquement de 90 m et 8 modèles 3D locaux existants. Les données archivées sur le sous-sol comprennent 10 237 forages géotechniques et stratigraphiques, 3 312 pics de levés géophysiques, 15 902 sites et sections de cartographie de terrain, 537 puits de surveillance et d'approvisionnement en eau et 282 995 enregistrements de puits d'eau. Correspondant approximativement aux couches aquifères et aquitards régionaux, les couches primaires du modèle sont (de la plus ancienne à la plus jeune) : Le substratum rocheux, l'aquifère de base, les sédiments inférieurs, le till régional, le remplissage de chenaux après le till régional, les sédiments fluvioglaciaires, les boues après le till régional, les sables glaciolacustres et les sédiments récents/organiques. La modélisation a été réalisée à l'aide d'une application de modélisation implicite (LeapFrog®) complétée par une approche de la classification des données basée sur les connaissances d'experts et une procédure de système expert basée sur des règles pour l'interprétation et la validation des données. Un cycle itératif de codage automatisé des données, de construction de modèles intermédiaires et de corrections manuelles des données, d'évaluations d'experts et de révisions a conduit au modèle 3D final. Ce modèle de géologie de surface complète le développement d'une série de modèles géologiques et hydrogéologiques régionaux en 3D pour le sud de l'Ontario.