Représentativité des valeurs de transmissivité estimées à partir d'essais hydrauliques pour des aquifères rocheux fracturés : effet d'échelle et connexions hydrauliques

La transmissivité T et la conductivité hydraulique K sont deux propriétés hydrauliques importantes des aquifères puisqu’elles représentent leur capacité à laisser circuler ou à « transmettre » l’eau qui circule dans le milieu poreux. Ces propriétés hydrauliques sont généralement déterminées à partir d’essais de pompage. Cette thèse s’intéresse à savoir quels facteurs, autres que les propriétés intrinsèques de l’aquifère ciblé par le forage, influencent les valeurs des propriétés hydrauliques obtenues, autrement dit quelle est la représentativité de ces valeurs. Deux points sont analysés : l’effet d’échelle et les connexions hydrauliques entre aquifères. La région du Saguenay-Lac-Saint-Jean (SLSJ), Québec, Canada, présentant un socle rocheux majoritairement cristallin, sous-jacent à des dépôts quaternaires, a servi de laboratoire d’étude. En ce qui concerne l’étude de l’effet d’échelle, des valeurs de transmissivité ont été estimées à partir d’essais de débit spécifique, et d’essais de pompage courte et longue durée, puis mises en relation avec le temps de pompage. La tendance générale démontre clairement que plus le temps de pompage est long, plus la valeur de T estimée est élevée. La cause de cet effet d’échelle a été investiguée en visualisant simultanément la transmissivité apparente au cours du temps et la dérivée logarithmique du rabattement en fonction du temps. Cette observation a permis de constater que l’effet d’échelle est principalement dû à la présence de discontinuités géométriques, autrement dit à l’alternance de zones de forte et faible perméabilité rencontrées au cours du pompage, que ce soit pour les aquifères rocheux fracturés ou les aquifères granulaires. La transmissivité estimée est donc représentative de l’étendue du milieu sollicité par le pompage après un certain temps du pompage. La seconde partie de cette thèse se concentre sur la problématique des connexions hydrauliques entre aquifères du socle rocheux et aquifères granulaires sus-jacent, car elles sont beaucoup moins documentées. Elles sont néanmoins tout aussi importantes, d’autant plus qu’aujourd’hui les unités de socle rocheux sont de plus en plus exploitées, que ce soit pour l’alimentation en eau potable, le stockage des déchets ou encore l’exploitation de ressources naturelles. Une étude statistique régionale a montré que les valeurs de transmissivité estimées sont en moyenne plus élevées pour les cas où l’aquifère rocheux fracturé est directement surmonté d’un aquifère de dépôts meubles, plutôt que d’un aquitard. Ceci indique que la présence d’un aquifère granulaire sus-jacent au roc influence la valeur de la propriété hydraulique (T) estimée pour le roc, en général à la hausse (puisque les aquifères granulaires sont généralement plus perméables). L’objectif était alors dans un premier temps de vérifier que ces connexions hydrauliques sont détectables sur le terrain et de les caractériser. Le 2e objectif était de mieux évaluer l’impact de ces connexions hydrauliques sur les écoulements locaux et les valeurs de propriétés hydrauliques estimées. Trois sites expérimentaux ont été instrumentés à la fois dans le socle rocheux et dans les unités granulaires sus-jacentes. Des essais de pompage, des essais de perméabilité, un échantillonnage hydrochimique ainsi que des diagraphies géophysiques en forage ont été réalisés à ces sites. Un cas de connexion hydraulique naturelle a été mis en évidence (site PZ-35) entre le roc et l’aquifère granulaire via la zone superficielle altérée du roc, qui est plus densément fracturée. La présence d’une connexion hydraulique d’origine anthropique (site PZ-104) suite à un défaut d’ancrage du tubage dans le roc a également été détectée; il s’agit d’un écoulement préférentiel le long du tubage. Une étude numérique a ensuite été réalisée afin de confirmer et de mieux évaluer l’impact des connexions hydrauliques sur les valeurs estimées de transmissivité ou de conductivité hydraulique. Pour le cas de connexions hydrauliques naturelles, la présence d’un aquifère granulaire sus-jacent connecté via les fractures du roc implique une déformation des équipotentielles au voisinage du contact du dépôt avec les fractures connectantes lors d’un pompage effectué dans le puits installé dans l’aquifère rocheux fracturé. Les différentes phases d’écoulement non radial, entrant en jeu lors du pompage, fournissent des valeurs de conductivité hydraulique supérieures à celle du réseau de fractures lorsque la conductivité hydraulique de l’aquifère granulaire est suffisamment importante. L’épaisseur de l’aquifère sus-jacent au roc affecte aussi la transmissivité estimée; plus l’épaisseur de dépôt est importante, plus la transmissivité estimée à partir du forage dans le roc est importante. Dans le cas d’un aquifère rocheux fracturé en connexion hydraulique avec un aquifère granulaire sus-jacent via un défaut d’ancrage, plus la largeur du défaut est importante, plus le biais sur la valeur estimée de la propriété hydraulique intrinsèque de l’aquifère rocheux fracturé est important. Ce dernier cas est problématique car il représente un risque majeur de contamination croisée entre aquifères. La vérification de l’ancrage des puits par un essai de perméabilité in situ à niveau variable interprété à l’aide du graphique des vitesses est ici recommandée.