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Projet de fin d’é tudes(6GLG604)Hiver 2011

Estimation de la conductivité hydraulique desaquifères à plusieurs échelles : exemples d’aquifèresgranulaires de la région du Saguenay-Lac-St-Jean,

Québec

Réalisé par Cécile BAUDEMENT

Directeur du projet : Romain CHESNAUXCo-directeur du projet : Alain ROULEAU

Le 29 Avril 2011Université du Québec à Chicoutimi


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Résumé

Cette étude porte sur l’évaluation des effets d’échelle pour la détermination de la conductivihydraulique des aquifères de type granulaire. La détermination de la conductivité hydrauliquconstitue un élément clé en hydrogéologie pour la compréhension des écoulements des eau

souterraines. En effet, cette propriété nous indique avec quelle facilité le milieu poreux aquifèlaisse s’écouler l’eau dans le sous-sol. Ainsi, plusieurs essais sont comparés en observant leuréchelle d’influence sur l’aquifère. Une analyse comparative des résultats de la conductivihydraulique ( K ) est réalisée entre trois types d’essais représentant trois échelles différentes sur lemême aquifère. Les analyses granulométriques sont basées sur des formules empiriques dont variables dépendent de certaines propriétés granulométriques du milieu poreux et représenteune petite échelle d’étude sur l’aquifère de l’ordre de quelques dm3. Les essais de perméabilité in-situ représentent en revanche une échelle moyenne d’étude de l’ordre du m3 alors que les essaisde pompage s’opèrent sur une plus grande échelle d’étude de l’ordre de plusieurs dizaines de m3 d’aquifère.

La région d’étude est la région du Saguenay-Lac-St-Jean (SLSJ) qui est une zone présentant unevariété d’environnements de dépôts Quaternaire (marin peu profond deltaïque, marin profond,fluvioglaciaire, et lacustre) représenté par des aquifères à nappe libre ou captive. Cette régiooffre des contextes de dépôts granulaires appropriés pour la réalisation d’une telle étude. Danstravail présenté, deux environnements de dépôts sont considérés : marin peu profond fluvioglaciaire. Tous les contextes sont à nappe libre. Quatre sites ont été sélectionnés par rappoà plusieurs critères concernant les contextes hydrogéologiques (types de dépôts, hétérogénéitésstratification…) ainsi que la quantité de données disponible par rapport aux essais hydrauliquesréalisés et répertoriés dans les rapports de consultants. Il est à noter que toute l’informationdisponible pour notre étude à été extraite de la base de données hydrogéologique rendudisponible dans le cadre du projet SLSJ Programme d’Acquisition des Connaissances sur les

Eaux Souterraines du Québec (Projet PACES).L’analyse comparative des résultats obtenus pour les différents sites montre que les effetd’échelle ne sont pas associés aux types d’essais réalisés mais sont liés au degré del’hétérogénéité de l’aquifère testé. En effet, les valeurs de K calculées avec les trois types deméthodes sont très voisines, et ce pour tous les sites, et des effets d’échelle ne sont pavéritablement observés. Nous attribuons de tels résultats au fait que chacun des 4 sites sod’après les observations stratigraphiques qui en sont faites, plutôt homogènes. Une seconconclusion est d’affirmer que les résultats des méthodes empiriques de prédiction de K basées surla granulométrie concordent bien avec ceux des essais hydrauliques in-situ. Ceci montre que cméthodes de prédictions sont parfaitement valides lorsqu’applicables.


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Remerciements

Tout d’abord je souhaite remercier le directeur de ce projet, Romain Chesnaux pour m’avoir f partager ses connaissances ainsi que ses idées et pour m’avoir soutenue tout au long du projet. Jeremercie le co-directeur de ce projet Alain Rouleau qui m’afournit les connaissances nécessaires pour faire avancer le projet.Je remercie également toute l’équipe du projet SLSJ du «Programme d’Acquisition desConnaissances sur les Eaux souterraines » (PACES)en me permettant d’accéder à leurs donnéeshydrogéologiques et particulièrement, Julien Walter, Denis Germaneau, Mélanie Lambert Annie Moisan pour leur discussion scientifique ainsi que l’encouragementet leur aidequ’ilsm’ontapporté.Je tiens à remercier toutes les autres personnes qui m’ont soutenue tout au long de ce projet.


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Table des matièresRemerciements ............................................................................................................................... 1/ Introduction ................................................................................................................................

2/ Problématique et objectifs .......................................................................................................... 3/ Présentation des sites d’étude ....................................................................................................... 4 4/ Méthodologie ............................................................................................................................. 5/ Résultats et interprétations ......................................................................................................... 6/Discussion et conclusion ............................................................................................................. Références ......................................................................................................................................

Figure 1 Colonne stratigr aphique de la région du Saguenay Lac Saint Jean d’après Walter, J. ...... 5 Figure 2 : Localisation des sites d'étude ainsi que des dépôts meubles de la région du SLSd’après Walter, J. ...................................................................................Erreur ! Signet non défini. Figure 3 Carte des dépôts meubles de L'Ascension-de-Notre-Seigneur selon Lasalle et Trembl

(1978) ............................................................................................................................................. Figure 4 Carte de L'Ascension de Notre Seigneur selon les domaines régionaux tels que présentdans Chesnaux et al., (2011). ......................................................................................................... Figure 5 Colonne stratigraphique du puits d'exploitation F8 de la municipalité del’Ascension-de- Notre-Seigneur ............................................................................................................................... Figure 6 Carte des dépôts meubles de Labrecque selon Lasalle et Tremblay (1978) .................... Figure 7 Carte de Labrecque selon les domaines régionaux tels que présentés dans Chesnauxal. (2011) ........................................................................................................................................ Figure 8 Colonne stratigraphique du puits P-3/01 ......................................................................... Figure 9 Carte des dépôts meubles de Saint Honoré selon Lasalle et Tremblay (1978) ................ Figure 10 Carte de Saint Honoré selon les domaines régionaux tels que présentés dans Chesnaet al. (2011) .................................................................................................................................... Figure 11 Colonne stratigraphique du puits PW-3 de St Honoré ................................................... Figure 12 Carte des dépôts meubles de Sainte Monique selon Lasalle&Tremblay (1978) ........... Figure 13 Carte de Sainte Monique selon les domaines régionaux tels que présentés danChesnaux et al. (2011) .................................................................................................................... Figure 14 Colonne stratigraphique du puits P-1 de Ste-Monique .................................................. Figure 15 Courbes granulométriques obtenues pour le site de L’Ascension de Notre Seigneur ... 28 Figure 16 Essai de pompage longue durée: puits F8 de L’Ascension de Notre Seigneur ............ 30 Figure 17 Courbes granulométriques : puits P-3/01 du site de Labrecque .................................... Figure 18 Essai de pompage longue durée : puits P-1/79 à Labrecque .......................................... Figure 19 Courbes granulométriques du puits PW-3 à Saint Honoré ............................................ Figure 20 Essai de pompage longue durée (168h) : puits PW-3 de St-Honoré.............................. Figure 21 Courbes granulométriques du piézomètre STM-1 à Sainte Monique ............................ Figure 22 Essai de pompage de longue durée : puits P-1 de Sainte Monique ...............................


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1/ Introduction

La détermination de la conductivité hydraulique d’un aquifère constitue un élément clé enhydrogéologie pour la compréhension des écoulements des eaux souterraines. En effet,

conductivité hydraulique nous indique avec quelle facilité le milieu poreux aquifère laisss’écouler l’eau dans le sous-sol.

La connaissance de cette propriété a de nombreuses applications comme la détermination dtemps d’écoulement de l’eau souterraine essentielle par exemple à définir le transport d’ucontaminant dans un aquifère, mais aussielle permet à l’hydrogéologue de savoir avec quel degréde difficulté il sera possible d’extraire de l’eau d’un réservoir aquifère. Par ailleurs,lorsque l’ons’intéresse à la modélisation des systèmes aquifères et à la simulation numérique des écoulemen d’eau souterraine, la conductivité hydraulique est un paramètre qui doit être connu afin de pouvoir prédire les écoulements ainsi que leur évolution dans le tempset dans l’espace dépendamment des facteurs qui peuvent les influencer. Une évaluation la plus exacte possible

la conductivité hydraulique par l’hydrogéologue est donc requise afin de garantir une bonnconnaissance de la dynamique des eaux souterraines dans un aquifère avant d’entreprendre uneéventuelle exploitation de cette ressource, mais aussi d’en assurerune protection adéquate.

Plusieurs outils et méthodes sont disponibles pour déterminer la conductivité hydraulique; existe des méthodes de prédiction, des méthodes de laboratoire, ainsi que des méthodesin situ :

-Les méthodes de prédiction se basent sur des formules empiriques qui relient la conductivihydraulique à certaines propriétés géométriques du matériau poreux. Ces méthodes s’appliqueuniquement pour les matériaux granulaires et sont par ailleurs valables sous certaines conditionDans tous les cas, l’application de ces méthodes nécessite la prise d’un échantillon de l’ordre

décimètre cube prélevé par forage (ou prélevé par simple pelletage lorsque le matériau esuperficiel) et la réalisation d’une analyse granulométrique au laboratoire. C’est suite à cetanalyse des dimensions des particules du matériauet de leur tri à partir d’un simple échantillonque la détermination empirique de la conductivité hydraulique est possible.

-Les méthodes expérimentales de laboratoire sont à distinguer des méthodes empiriques d prédiction puisque cette fois-ci elles consistent à une mesure de la conductivité hydraulique partir d’un écoulement dans un milieu poreux (qui peut-être de type granulaire, mais aussi detype roc fracturé discontinu). Un échantillon de faible volume, de l’ordre également du décimètrcube est placé dans une cellule dans laquelle l’opérateur contrôle ensuite un écoulement eappliquant un gradient hydrauliqueà travers l’échantillon. La mesure du débit d’écoulement en

fonction du gradient hydraulique et de certains paramètres géométriques permet de déterminerconductivité hydraulique de l’échantillon à partir de la loi de Darcy. Ces expérimentations soqualifiées d’essais de perméabilité au laboratoir e et on en distingue deux types: l’essai de perméabilité à différence de charge constante et l’essai de perméabilité à différence de charvariable.

-Les méthodes in situ consistent à tester directement les propriétés hydrauliques des aquifères leur occasionnant une perturbation hydraulique artificielle. L’observation de leur réaction


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hydraulique à la perturbation permet alors d’évaluerleurconductivité hydraulique. Bien qu’il soit possible de réaliser des essais à la surface des aquifères (dans le cas des aquifères à nappe librces essais sont la plupart du temps réalisés dans des forages, que ce soit dans des puitd’observation ou encore des puits de pompage. On distingue alors deux grands types d’essais forage: l’essai de perméabilité in situ et l’essai de pompage/remontée. Le premier consiste

injecter brutalement dans l’aquifère testé (ou encore retirer brutalement de l’aquifère testé) certain volume d’eau de l’ordre de quelques litres voire dizaine de litres et de mesurer dynamiquede retour de l’aquifère aux conditions hydrauliques initiales d’équilibre avant la perturbation. Ces essais sont appelés en anglais « slug tests » et en français essai de chohydraulique. Pour ce type d’essai, la perturbation hydraulique est plutôt locale car l’injection ouretrait de quelques litresd’eau de l’aquifère n’affecte qu’un petit volume de l’aquifère, de l’ordredu décimètre cube, voire du mètre cube. Le deuxième type d’essai consiste en général à utilisune pompe qui est descendue dans le puits et dont le fonctionnement à un certain débit donn permet le retrait de grandes quantité d’eau de l’aquifère, d’autant plusimportantes que le tempsde pompage est long. Un tel pompage occasionne une perturbation hydraulique sur un granvolume d’aquifère, de l’ordre de plusieurs mètres cubes. L’aquifère est ainsi testé dans ce cas àune échelle beaucoup plus grande puisque la perturbation hydraulique est plus longue.

La présente étude porte sur la caractérisation de la conductivité hydraulique et sur une étudcomparativedes méthodes d’estimation de cette propriété pour 3 échelles différentes.

2/ Problématique et objectifs

Les méthodes de détermination de la conductivité hydraulique, comme mentionné danl’introduction s’opèrent à différentes échellesau sein d’un aquifère que l’on cherche àcaractériser. En effet,alors que la prédiction de la conductivité hydraulique à partir d’analyses

granulométriques ou encore les essais de perméabilité au laboratoire s’effectuent à très petiéchelle sur un échantillon de matériel, l’essai de perméabilité in situ est une mesure qui s’effectusur une échelle moyenne, intermédiaire, alors que l’essai de pompage s’effectue à une plusgrande échelle.

Étant donné qu’à un même matériau testé est, en théorie, attribuée une unique valeur deconductivité hydraulique, il devient pertinent de se demander si pour un même aquifère lméthodes d’évaluation de la conductivité hydraulique aboutissent à des résultats similaires o plutôt si dans le cas contraire les effets d’échelle en rapport avec le type d’essai réalisé affectentles valeurs obtenues de la conductivité hydraulique.

Dans les aquifères de type roc fracturé, les effets d’échelle sont bien connus et sont biedocumentés dans la littérature. En effet, plus la zone d’aquifère testée est importante en termes devolume, plus la zone d’influence de la perturbation hydraulique lors du test est grande, et plus lchances de solliciter des discontinuités sont importantes. Ainsi, dans les aquifères de type rfracturéconnus pour être très hétérogènes, parce qu’ils sont constitués de zones de fractureintermittentes avec des densités de fractures très variables, les méthodes de mesure de conductivité hydraulique à petite échelle donnent en général des valeurs plus faibles ecomparaison à des essais hydrauliques à plus grande échelle (Rovey, 1994; Rouleau et al., 199


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Lavigne et al., 2005; Nastev et al., 2004). La question qui se pose alors est de commendéterminer adéquatement la conductivité hydraulique d’un aquifère lorsque cette valeur diffèreselon les échelles de mesure de cette propriété. Une des réponses apportées par les auteurs est statuer que les essais hydrauliques réalisés à plus grande échelle sont plus représentatifs dconditions régionales et que par conséquent, ce sont les valeurs de K obtenues par ces essais qui

doivent être privilégiées lors d’une étude d’écoulement régional dans un aquifère de type rofracturé.

Le cas des aquifères de type granulairequi fait l’objet de la présente étude est a priori différent puisque ce milieu ne présente pas de discontinuités de la même nature que les aquifères de tyroc fracturé. En revanche, un aquifère de type granulaire peut présenter des hétérogénéités et dstratificationsimportantes dont l’expression est associée à l’échelle considérée (Renard et deMarsily, 1997; Vogel et Roth, 2003). Des comparaisons réalisées entre des essais de perméabiliin situ et des essais de pompage ont montré des différences sur la valeur de K obtenue, et desdiscussions ont été engagées pour savoir si les différences observées émanent ou pas des effed’échelle.Rovey et Cherkauer (1995) attribuent ainsi une augmentation de K avec l’échelle, alorsque Butler et Healey (1998) et Rovey et Niemann (2001) suspectent que des effets pariétaux puits peuvent expliquer ces différences. Un peu plus tard, Schulze et al. (1999) ainsi qu Niemann et Rovey (2009) ont attribuéles effets d’échelle au degré d’hétérogénéité des matériauxqu’ils soient de type poreux consolidés ounon consolidés ou de type roc fracturé. Schulze et al.(1999) proposent également une formule empirique obtenue par calages qui permet de relier conductivité hydraulique aux propriétés du matériau et au volume testé de celui-ci, ce volumreprésentant par conséquent la mesure d’échelle.

Par ailleurs, une étude de Chapuis et al. (2005) a consisté à comparer des résultats de K obtenus à3 échelles différentes (analyses granulométriques, essais de perméabilité in situ, et essais d pompage) sur un aquifère à nappe libre situé à Lachenaie au Québec. Ils on attribué lors de leutest des échelles de 0.25 à 1 dm3 dans le cas des échantillons pour les analyses granulométriques,des échelles de 0.05 à 0.1 m3 pour les slug tests et des échelles de plus de 6 m3 pour les essais de pompage. Ces auteurs ont obtenus des résultats très semblables qui ne présentaient pas ddifférences significatives et ont attribué ce résultat au fait que l’aquifère qu’ils ont testé est trèshomogène, ce qui viendrait confirmer que leseffets d’échelle sont bien reliés à l’hétérogénéitédes matériaux.Dans le cas de cette présente étude, plusieurs contextes de dépôts granulaires non consolidseront étudiés en considérant les 3 mêmes échelles que celles considérées par Chapuis et a(2005).Ces sites présenteront différents niveaux d’hétérogénéités et une étude comparative derésultats obtenus sur K selon les différentes échelles permettra d’investiguer si les effetsd’échelles peuvent être reliés aux niveaux d’hétérogénéité et de str atification dans les aquifèresgranulaires.Dans le cadre du projet intitulé «Programme d’Acquisition des Connaissances sur les EauxSouterraines» (projet PACES) mené au Québec, une quantité importante d’informationhydrogéologique a été rassemblée pour la région du Saguenay-Lac-St-Jean (SLSJ) et compildans une base de données (Chesnaux et al., 2011).En particulier, de l’information provenant de rapports de consultants ayant réalisé des étudehydrogéologiques pour l’alimentation en eau de certaines municipalités du SLSJ est disponible.De l’information très détaillée sur des résultats d’essais hydraulique menés dans le cadre de cétudes porte sur les analyses granulométriques, les essais de perméabilité in situ et les essais


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pompage. Ces informations et résultats sont donc extrêmement pertinents et constituent uoccasion uniqued’accéder à des jeux de données (très coûteux à obtenir) pour mener la présenteétude. Ainsi, les puits municipaux de la région du SLSJ exploitent des aquifères de typgranulaire dans des environnements géologiques diversifiés présentant de plus ou moins grandhétérogénéités, ce qui est en adéquation avec les objectifs tels que définis précédemment.

3 / Présentation des sites d’étude

3.1. Présentati on générale de la géologi e du Quaternai re au Saguenay-Lac-St-Jean

Cette étude se situe au sein de la région du Saguenay-Lac-Saint-Jean qui présente deenvironnements de dépôts Quaternaire (marin peu profond deltaïque, marin profondfluvioglaciaire, et lacustre. Ces contextes sont issus d’une histoire géologique brièvementexposée ci-dessous.

Tout d’abord l’Amérique du Nord a connu une dizaine de glaciations continentales principalmais la région du Saguenay-Lac-Saint-Jean n’a gardé que les dépôts de la glaciationWisconsinien, période qui s'étend de -80 000 à -6000 ans avant J-C (selon Denis W. Roy, 2009Toutes ces glaciations ont en partie façonné le paysage actuel de la région.

A l’échelle de la région du Saguenay-Lac-Saint-Jean, on retrouve un massif d’argile d’originemarine. Suite au retrait des glaciers au Wisconsinien, la région a subit un envahissement par Mer Laflamme. Les sédiments profonds de cette étendue d’eau sont constitués d’argile silteu grises ou de silts argileux. Ainsi cette argile recouvre des dépôts glaciaires comme les tills, prglaciaires (moraines, plaines lacustres) et fluvioglaciaires (eskers, deltas et plainesd’épandage).

Par la suite la Mer Laflamme se retire progressivement suite à la remontée isostatique de région. Ceci entraine la pro-gradation des deltas de plusieurs rivières (Mistassini, ShipshawPéribonka..) qui se jetaient dans le Lac Saint Jean ou dans le Saguenay, cette dernière rivière q prend sa source dans le Lac Saint Jean et se jette dans le fleuve Saint Laurent(d’après Walter, etal. 2010). Ceci dépose des séquences de sables deltaïques de fins à grossier pouvant alle jusqu’aux graviers grossiers.Celles-ci sont stratifiées et présentent un granoclassement inverse,c'est-à-dire que l’on retrouve des sables fins àla base et des sables plus grossiers au sommet. Cessables sont relativement bien triés. Par-dessus ces séquences, des dépôts lacustres se sont mis place après le retrait marin comportant des séries similaires aux précédentes composées de sabsilteux, sable, sable graveleux et de gravier bien trié. Les cours d’eau actifs actuels déposent desséquences alluviales qui dépendentdu régime hydraulique du cours d’eau et des sédiments

organiques.La chronologie de l’ère du Quaternaire au Québec peut être re présentée grâce à une colonnestratigraphique schématique selon la figure 1 suivante. Ainsi, cette figure synthétique permet se référer aux différents environnements de dépôts qui se trouvent dans la région : fluvialacustre, marin, glacio-lacustre, glaciaire et le socle rocheux.


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Figure 1 Colonne stratigraphique de la région du Saguenay Lac Saint Jean d’après Walter, J.

L’érosion peut avoir affecté la stratigraphie d’une zone. Ainsi, les environnements de dépôts présents sur la colonne de la figure 1 ne se retrouvent pas nécessairement dans chaque puits piézomètre. De plus, les forages effectués par les consultants, ne recoupent pas toujours tous ccontextes. Ceux-ci s’arrêtent lorsque les hydrogéologues estiment que le matériel rencontré est un bon aquifère.


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Dans cette étude, nous nous intéressons à des sites spécifiques que l’on peut situer surla figure 2du SLSJ suivante :

Figure 2 Localisation des sites d'étude sur la carte des environnements du SLSJ d’après Walter, J. 2010

La figure 2 permet de visualiser les 4 sites d’études considérés au sein des domaines régionau :L’Ascension-de-Notre-Seigneur, Labrecque, Saint Honoré et Sainte Monique.Cette carte a été réalisée selon les dépôts de surface de la région : on y retrouve les sédimenglaciaires, les sédiments organiques, les sédiments résultant d’un environnement peu profon(deltaïques et littoraux) et, les argiles de la Mer Laflamme.

3.2. L es sites d’étude

Les sites présentés dans cette étude ont été choisis selon certains critères dont, la quantité ddonnées disponibles sur l’aquifère et le contexte hydrogéologique d’exploitation du puits. Lesquatre aquifèresà l’étude sont tous à nappe libre. Une description de chacun des quatre sites esdonnée ci-dessous.

L’Ascension de notre Seigneur

Le site de la municipalité de l’Ascension-de-Notre-Seigneur est très approprié pourl’étude des effets d’échelle car les données recueillies pour un puits en exploitation sonnombreuses : stratigraphie, conductivité hydraulique obtenue par la granulométrie, résultad’essai de perméabilité et d’essai de pompage donnant les caractéristiques hydrogéologiques l’aquifère.


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La figure 3 présente la carte des dépôts de surface de la municipalité de L’Ascension de NotreSeigneur selon l’étude de cartographiedes dépôts de surface présentée dans le rapport de Lasalleet Tremblay (1978).

Figure 3 Carte des dépôts meubles de L'Ascension-de-Notre-Seigneur selon Lasalle et Tremblay (1978)

La figure 4 présente une carte et une vue d’ensemble du site selon les domaines régionaux. Cettecartographie a été réalisé bien après la carte de la figure 1 dans le cadre du projet PACE(Chesnaux et al., 2011). La carte des domaines régionaux ne présentent pas les dépôts de surfamais les environnements de dépôts, ce qui n’est pas la même chose.


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Figure 4 Carte de L'Ascension de Notre Seigneur selon les domaines régionaux tels que présentés dansChesnaux et al., (2011).

Les données que l’on utilise dans cette étude sont extraites du rapportde Cégertec Inc. (Février2008).

Une étude hydrogéologique a été réalisée par des consultants sur la municipalité pour déterminun site propice à l’installation de puits d’exploitation. La cartographie de la zone ainsi qu’unétude géomorphologique a permis d’identifierdes structures sédimentaires sableuses et perméables aux eaux de précipitations et d'infiltration sur l'ensemble du territoire. L’emplaceme


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du Puits F8 a été choisi avec un intervalle de profondeur entre 6 et 12 mètres, là où les conditiosont les plus favorables au pompage.L’aquifère à l’étude dans ce cas-ci est un aquifère à nappelibre de faible profondeur.Une colonne stratigraphique représentant un modèle conceptuel de la stratigraphie des dépôts site F-8 est présentée à la figure 5.

Figure 5 Colonne stratigraphique du puits d'exploitation F8 de la municipalité de l’Ascension -de-Notre-Seigneur


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Cette colonne stratigraphique fut réalisée avec des données stratigraphiques extraites du rappode consultant : on observe la profondeur du forage en fonction du type de particules rencontréDes informations complémentaires sont rajoutées sur ces colonnes comme le niveau statique denappe d’eau souterraine ainsi que la position de la crépine. La colonne stratigraphique est doncréalisée selon les données stratigraphiques extraites et selon les piézomètres qui se situe

proches du puits d’exploitation. Les autres colonnes stratigraphiques des autres sites à l’étude oégalement été construites avec les données extraites des rapports.

Tout d’abord on retrouve à la surface du remblai granulaire avec de la matière organique qcorrespond à un chemin d’accès. Ensuite la stratigraphie correspond à une alternance d’horizonsde sable fin à moyen et de sable moyen à grossier avec des traces de silt à certaines profondeuLe forage est peu profond 17.07m. En dessous de 13 mètres, la granulométrie est plus fine et e jugéemoins favorable au pompage. La crépine est installée dans la portion du puits où l’unitstratigraphique est uniforme et perméable. Le niveau statique de l’eau est déterminé à2.55m endessous de la surface du sol.

A l’Ascension, six échantillons prélevésdans le puits d’exploitationF-8 ont été soumis à uneanalyse granulométrique. Un seul essai de pompage réalisé sur 72 heures et un essai d perméabilité in-situ fût réalisé dans un piézomètre (PZ-2/03) à environ 750m du puits F-8.

Labrecque

Cette municipalitéest un site très favorable pour notre étude. Tout d’abord des échantillons ontété prélevés dans le puits d’exploitation P-3/01 grâce à un forage. De plus, un essai de pompagefut réalisé sur un puits très proche de celui-ci et qui présente la même stratigraphie. Pour ce sd’étude il n’y a pas eu d’essai de perméabilité in-situ effectué. Nous allons donc seulementcomparer les valeurs de la conductivité hydraulique interprétées d’après les analysegranulométriques et d’après l’essai de pompage longue durée. Deux puits en exploitation sontdonc étudiés pour cette municipalité : le puits P-3/01et le puits P-1/79.

La figure 6 localise cette municipalité au sein de la région du Lac Saint Jean avec une carte ddépôts meubles de surface selon l’étude de cartographie de Lasalle et Tremblay (1978).


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Figure 6 Carte des dépôts meubles de Labrecque selon Lasalle et Tremblay (1978)

La figure 7 présenteégalement la géologie du site d’étude de Labrecque mais selon les domainerégionaux(roc, glaciaire, dépôts fluviatiles lacustres, marin peu profond…). Cette carte permetdonc la visualisation selon la variété des environnements.


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Figure 7 Carte de Labrecque selon les domaines régionaux tels que présentés dans Chesnaux et al. (2011)

Cette carte de localisation permet d’observer que les puits de cette municipalité se situent dans contexte de dépôts qualifié de deltaïque qui est un environnement peu profond.

Les données utilisées sur cette municipalité proviennent du rapport hydrogéologique dGENNEN inc (Avril 2007).

Ce site d’étude se situe dans un contexte hydrogéologique de dépôts marins littoraux o prélittoraux qui est un contexte de milieu marin peu profond. L’aquifère est à nappe libre. L


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colonne stratigraphique (Figure 8) simplifiéeréalisée sur le puits d’exploitation P-3/01 permet dedéduire ce contexte.

Figure 8 Colonne stratigraphique du puits P-3/01

Ce puits présente des séquences de -sable silteux/sable/gravier sableux- bien trié. Lgranoclassement est inverse, c'est-à-direqu’à la base de la colonne se sont déposés des sédimentstrès fins alorsqu’au sommetse sont déposésdes sédiments plus grossiers. On constate qu’à la base de ce puits, on trouve une couche d’argile qui serait sans doute issu d’un milieu marin profond de la Mer de Laflamme. Le tri granulométrique est qualifié de moyen au sommet de colonne et on retrouve un très bon tri granulométrique à la base du puits.


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Saint Honoré

La municipalitéde Saint Honoré est un site très favorable pour l’étude des effets d’échelle de laconductivité hydraulique. Tout d’abord, les données des trois essais recherchés (analysegranulométriques, essai de perméabilité in-situ et essai de pompage longue durée) sur un pud’exploitation sont disponibles. De plus, plusieurs puits sont en exploitation sur cettmunicipalité ce qui augmente les chances d’avoir de nombreuses données.La figure 9 présente la carte des dépôts meubles de surface selon l’étude cartographique deLasalle et Tremblay (1978).

Figure 9 Carte des dépôts meubles de Saint Honoré selon Lasalle et Tremblay (1978)


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La figure 10 permet la localisation du puits de Saint Honoréà l’étudeau sein des environnementsde dépôts.

Figure 10 Carte de Saint Honoré selon les domaines régionaux tels que présentés dans Chesnaux et al. (2011)

La mine Niobec de Saint Honoré exploite des puits qui se situent dans un contexte deltaïqumarin peu profond. Le puits d’exploitation choisi pour cette étude est le PW-3. Celui-ci contientle plus de données concernant les analyses granulométriques, un essai de pompage longue durainsi qu’un essai de perméabilité in-situ dans un piézomètre qui se situe pas très loin du puitsd’étude (piézomètre TF-5).


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Les données extraites utilisées pour l’étude sont issues d’un rapport hydrogéologique,Laboratoires S.L. Inc. (Avril 2000).La stratigraphie de ce puits d’exploitation est présentée surla figure 11.

Figure 11 Colonne stratigraphique du puits PW-3 de St Honoré

Les données stratigraphiques ne sont pas complètes sur les puits de Saint Honoré, la stratigraphdu puits n’est pas connue sur toute la profondeur du forage. On peut tout de même se réf érer aurapport de consultant et également à la colonne stratigraphique représentative de la région (figu1) pour déterminer le contexte de dépôts dans lequel cette municipalité a installé son puits. Aince puits représente un environnement de dépôts deltaïques marin peu profond.


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Sainte Monique

Cette municipalité est particulièrement intéressante pour notre étude car celle-ci se trouve dans contexte glaciaire. Pour ce site, les données ne concernent que des analyses granulométriques un essai de pompage effectués dans un puits ou un piézomètre (STM-1 et P-1).

La figure 12 présente une carte des dépôts meubles, comme pour les sites précédents, réalisée pLasalle et Tremblay (1978).

Figure 12 Carte des dépôts meubles de Sainte Monique selon Lasalle&Tremblay (1978)


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La figure 13 permet devisualiser l’environnement de dépôts du puits d’exploitation considéré pour la municipalité de Sainte Monique.

Figure 13 Carte de Sainte Monique selon les domaines régionaux tels que présentés dans Chesnaux et al.(2011)

Les données utilisées proviennent du rapport hydrogéologique d’Aqua Ter-Eau ine.,(Avril 2008).


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La stratigraphie du puits P-1 est présentée sur la figure 14.

Figure 14 Colonne stratigraphique du puits P-1 de Ste-Monique

On constate qu’à partirde la figure 14 que le matériel présente une granulométrie hétérogène, legranoclassement est inverse ici. La présence de grosses particules (blocs et graviers) et de fin particules (sable fin, traces de silt) permet de dire que le contexte de dépôts des ces sédiments un environnement fluvioglaciaire. Ensuite lorsque l’on observe en détails, ce sont des horizons desables, graviers et blocs à dominance graveleuse. C’est pour ceci que l’on peut dire que lecontexte est du fluvioglaciaire.


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Les dépôts d'origine fluvioglaciaire se présentent sous forme d'esker. Par définition, un esker eune structure géologique du l'ère du Quaternaire composée essentiellement d'une stratification sable et gravier très perméables et propices au captage d'une grande quantité d'eau souterrainUn esker prend habituellement la forme d'un cordon granulaire de faible largeur qui serpente sune distance de plusieurs dizaines de kilomètres.

4/ Méthodologie

La méthodologie présentée dans cette étude se base sur trois techniques fondamentaled’estimation des propriétés hydrauliques des aquifères : les méthodes empiriques de prédiction,les essais de perméabilité in situ, et les essais de pompage.

Dans cette partie seront détaillées les méthodes utilisées qui amènent après interprétation à cestimations.

4.1. Méthodes de prédiction de la conductivité hydraulique

Les méthodes de prédiction de la conductivité hydraulique à partir d’échantillons du milieu poreux se basent sur la répartition de la taille des grains solide qui le compose. Cette répartitiest visualisée par une courbe granulométrique, laquelle est déterminée par tamisage alaboratoire.

Notons que D x est le diamètre de grain effectif (en mm) pour lequel un pourcentage massique d x% de l’échantillon a un diamètre plus petit. La courbe granulométrique obtenue au laboratoireconstitue la donnée essentielle à partir de laquelle les D x sont calculés et l’échantillon décrit. Lacourbe granulométrique représente en effet le pourcentage massique passant des grains solides

fonction de leurs diamètres. La courbe granulométrique est obtenue expérimentalement ptamisage avec des tamis ayant différentes ouvertures.

Les rapports de consultant, rendus accessibles à partir de la base de données produite par le proPACES, ainsi qu’éventuellement d’autres sources, peuvent contenir des données concernant granulométrie des dépôts du quaternaire. Cette information est très intéressante car elle pe permettre d’estimer la conductivité hydraulique des dépôts à partir de différentes méthodempiriques de prédiction. Ces méthodes sont cependant accompagnées de certaines hypothèset elles s’appliquent plus ou moins bien selon les caractéristiques du milieu poreux granulaireétudié.

Une des données importantes pour réaliser ce travail est la courbe granulométrique qui relie ldiamètres moyens de grains qui constituent le milieu poreux à leur occurrence (en termes d pourcentage massique). Également, d’autres propriétés du milieu sont à considérer, telle que la porosité (ou l’indice des vides).

Dans la plupart des cas, les courbes granulométriques fournies dans les rapports de consultanont servi à dimensionner les filtres autour des crépines de puits, mais cette informationdisponible en grande quantité, peut également être exploitée pour estimer la conductivi


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hydraulique des matériaux. L’avantage de réaliser de telles prédictions de la conductivitéhydraulique à partir des courbes granulométriques réside dans le fait que ces méthodes sosimples et peu coûteuses à mettre en œuvre (une analyse granulométrique est facilemenréalisable au laboratoire avec peu de moyen).

Les données granulométriques ont été compilées dans la base de données et il reste maintenanles exploiter et les utiliser pour estimer les conductivités hydrauliques.

Plusieurs références recensent les différentes méthodes de prédictions les mieux adaptées pour matériaux quaternaires que l’on retrouve au Québec. L’efficacité des méthodes présentées parChapuis (2008) a été testée sur plus de 600 échantillons (prélevés au Québec) de matériaux n plastiques (sables, graviers, silts). Chapuis (2008) a montré que 3 méthodes fournissent de borésultats : Hazen, Navfac, et Chapuis.

Vukovic et Soro (1992), ainsi que Kasenow (2002) répertorient également d’autres méthodes quenous utiliserons pour les prédictions des conductivités hydrauliques des dépôts granulaires Québec : Beyer, Kozeny, Sauerbrei, et USBR.

Par ailleurs, les travaux récents de Song et al. (2009) ainsi que de Vienken et Dietrich (201confirment que comparé à des tests hydrauliques in situ, les prédictions basées sur les analysgranulométriques donnent des résultats tout aussi représentatifs des propriétés du milieu poreux

N’ayant pas de données sur la porosité des matériaux, il a fallu utiliser la formule d’estimation la porositén (Vukovic et Soro, 1992); Kasenow, 2002) à partir du coefficient d’uniformitéCu :

Par ailleurs, l’indice des videse est calculé à partir de la porosité : .La description des formules qui se rattachent aux sept7 méthodes retenues est donnée ci-aprèLes valeurs de conductivité hydraulique sont données pour une température moyenne des eausouterraines de 5oC dans la région du SLSJ (Simard et Des Rosiers, 1979). Par ailleurs, pouchaque méthode, il existe un domaine d’applicabilité qui, s’il est satisfait, donne des résultats de bonne qualité (Chapuis, 2008). Les sections ci-dessous énumèrent également ces conditiod’application.

Méthode de Hazen (1911)

avec D10 en mm, et T la température enoC

à 5oC,


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Domaine d’applicabilité

(1)- Sable lâche et uniforme(2)-Cu≤5 (3)-0.1 mm≤ D10 ≤3 mm

Méthode de NAVFAC DM7 (1974)

avec D10 en mm


(1)- Sable et mixtures de sable et gravier(2)-2≤Cu≤12

(3)- D10 /D 5≤1.4 (4)-0.1 mm≤ D10 ≤2 mm (5)-0.3≤e≤0.7

Méthode de Chapuis (2004)

avec D10 en mm


(1)- Tout sol naturel sans plasticité(2)-0.003 mm≤ D10 ≤3 mm (3)-0.3≤e≤1

Formule de Beyer (1964)

avec D10 en mmLa formule de Beyer est une extension de la formule de Hazen pour des sables moins bien triés.


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23

Domaine d’appl icabilité

(1)- Sable uniforme à moyennement uniforme(2)-0.06 mm≤ D10 ≤0.6 mm (3)-1≤Cu≤20

Formule de Kozeny (1953)

avec D10 en mm


(1)- Sable à grains grossiers

Formule de Sauerbrei

avec D17 en mm

Domaine d’applicabil ité

(1)- Sable et sable argileux

(2)- D10 ≤0.5 mm

Formule du (United States Bureau of Soil Classification) USBSC

avec D20 en mm


(1)- Sable à grains moyens(2)-Cu≤5

Selon les caractéristiques d’applicabilité, certaines méthodes ne s’appliquent pas pour uéchantillon donné, et par conséquent, seules les méthodes applicables sont r etenues. L’intérêtd’utilisé ces sept méthodes est de pouvoir réaliser au final une estimation pour tous les typesd’échantillons et ainsi de pouvoir déterminer au moins une valeur de conductivité hydraulique


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pour chaque échantillon. Dans le cas ou plusieurs méthodes sont applicables pour un mêméchantillon, la conductivité hydraulique finale retenue pour cet échantillon sera la moyenne dvaleurs obtenues pour chacune des méthodeslorsqu’elle est applicable. Ainsi, pour chaquecoordonnée ( x,y,z ) où l’échantillon aura été prélevé, est affectée une valeur unique deconductivité hydraulique.

4.2 Essai de perméabilité in situ à charge variable (slug test)

Plusieurs méthodes existent pour les essais de perméabilitéin situ à charge variable. Nous présentons ici la méthode de Hvorslev (1951) ainsi que la méthode du graphique des vitesses qs’appliquent aussi bien à des essais de type Lefranc qu’à des essais de type bout de tubage. Danstous les cas l’essai de perrméabilité in situ consiste à verser (ou retirer) une certaine quantid’eau dans le tubage du puits et de voir comment l’aquifère réagit piézométriquement à perturbation hydraulique en fonction du temps jusqu’à retrouver son niveau d’équilibre (niveaustatique de la nappe). Des interprétations graphiques des niveaux d’eau ou de la vitesse ddescente de l’eau dans le tubage permettent ensuite de déterminer K . La théorie des méthodesd’interprétation de Hvorslev (1951) et du graphique des vitesses sont rappelées ci-dessous.

Méthode de Hvorslev

Elle s’applique aussi bien en nappe captive qu’en nappe libre, à partir des essais de perméabilité

Durant l’essai :

Schéma de l’essai

Niveau final à t=∞ ~ niveau statique

Niveau à t

Niveau initial à t=0

H(t)

H0


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D’après Hvorslev (1951) :

Q(t) = C x K x H(t)

Avec C le coefficient de forme, K la conductivité hydraulique et H(t) la différence de hauteur

d‘eau entre le niveau dynamique à t et le niveau statique. On a également :Q(t) = Sinj x V(t)

Avec Sinj l’aire de la section du tubage et V(t) la vitesse de descente de l’eau dans le puits. V(t) = -dH/dt

Donc C x K x H(t) = - Sinj x dH/dt

En séparant les variables on a :

)()(

t H t dH

dt SinjCK

Par intégration :)(

00

t H

H

t

H dH

dt SinjCK

D’où,

0

)(ln

H

t H t

Sinj

CK

Si on trace ln (H(t)/H0) vs t , on obtient une droite dont la pente vaut p = -C K /Sinj On extrait p, on connaît C et Sinj, donc on calcule K .Pour le calcul de C on utilise la méthode de type Lefranc où

)/2ln(2

D L L

c quand L/D>=4

41

2 D L

Dc quand 81 D

L

Méthode du graphique des vitesses

C K H(t) = - Sinj x V(t)

p

t

Ln (H/H0)

V(t)=dH/dt


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Il suffit de tracer v(t) vs H(t).

V(t) = -C K H(t)/Sinj

4.3 Essai de pompage : méthode de Cooper-Jacob

L’essai de pompage consiste à descendre une pompe dans un puits et à pomper l’aquifère à udébit constant. Le niveaud’eau dans l’aquifère est alors mesuré en fonction du temps lors de la phase transitoire de descente du niveau piézométrique. Un graphique du rabattement en fonctidu temps (s vs. t) est alors obtenu pour un débit de pompage Q.Plusieurs méthodes d’interprétation des essais de pompage existent. Dans le cadre de ce projnous utiliserons cependant uniquement la méthode de l’approximation de Cooper -Jacob en phasede pompage dont une brève description est donnée ci-dessous.Il est à noter qu’une interprétationde l’essai selon Neuman (1972) est réalisée au préalable dans le cas des aquifère à nappe libdont c’est le cas dans notre étude.

Cette méthodes’applique sur des nappes captives, en régime transitoire lorsque l’on effectue unessai de pompage. L’équation de Cooper -Jacob s’écrit :

)25,2

ln()(4 2S r

Tt t s

QT

w

Avec :T la transmissivité de l’aquifère (L²/T) Q le débit de pompage (L3/T)T le temps (T)s(t) le rabattement au puits (L) au temps tS le coefficient d’emmagasinement (sans unité) r w le rayon du puits (L)

Méthodologie :A partir d’un essai de pompage, on trace la courbe s en fonction de log(t).Puis on trace la droite de régression linéairedes points en régime transitoire. C’est la droite deCooper-Jacob. Son équation s’écrit :

)25,2

log(10ln4

)( 2 S r Tt

T Q

t sw

t S r T

T Q

t sw

log25,2

log4

3,2)( 2

A B

H(t)

p


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27

)25,2

log(4

3,2log

43,2

)( 2 S r Tt

T Q

t T Q

t sw

s est de la forme s(t) = A logt + B , avec A et B constantes.A représente la pente de la droite de Cooper-Jacob.Le calcul de A permet d’extraire la transmissivité T.

AQ

T 4

3,2

La conductivité K se calcule ensuite comme suit :

K =T/b

Avec b l’épaisseur de l’aquifère (L). De cette équation il est également possible d’extraire le coefficient d’emmagasinement Sà partirde s vs. t mesuré dans un piézomètre par extrapolation de la partie rectiligne jusqu’à l’intersection(s=0, t=t0). Ainsi, S=2,25Tt0/r².


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5/ Résultats et interprétations

Les donnés des études hydrogéologiques des consultants ont été interprétés et ainsi on peanalyser les résultats obtenus dans cette section. Les sites d’études sont présentés un par un, commençant par les trois sites homogènes et qui se situent dans un environnement marin p profond.

L’ Ascension de Notre Seigneur

On dénombre 6 échantillons extraits à différentes profondeurs dans le forage F8 et analysés alaboratoire afin d’obtenir des courbes granulométriques de ces échantillons à différentsintervalles de profondeur. Elles sont présentées à la figure15 avec le tableau 1 des résultats d prédictions granulométriques de la conductivité hydraulique.

Figure 15 Courbes granulométriques obtenues pour le site de L’Ascension de Notre Seigneur

Ces courbes montrentdes échantillons très homogènes, il n’y aque peu de variationgranulométrique en fonction de la profondeur du prélèvement des matériaux. L’aquifère est donc

qualifié d’homogène.


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Tableau 1 Résultats des méthodes empiriques de prédiction de K : puits F8 de L’Ascension de Notre Seigneur

Prof_limsup (m)

Prof_liminf (m)

D5 (mm)

D10(mm)

D17(mm)

D20(mm)

D50(mm)

D60 (mm)

D10/D 5 Cu n eK _Hazen(cm/s)

K _Navfac(cm/s)

K _Chapuis(cm/s)

K _Beyer(cm/s)

K _Sauerbrei(cm/s)

K _USBR(cm/s)

K _moyapplicable

4,87 5,49 0,183 0,238 0,312 0,355 0,55 0,764 1,30 3,21 0,40 0,65 5,66E-02 5,99E-02 6,47E-02 5,59E-02 4,00E-02 3,33E-02 5,17E-02

6,09 6,7 0,246 0,332 0,389 0,4 0,621 0,843 1,35 2,54 0,41 0,71 1,10E-01 NA 1,28E-01 1,14E-01 7,61E-02 4,38E-02 9,43E-02

9,14 9,75 0,125 0,188 0,262 0,285 0,6 0,791 1,50 4,21 0,37 0,59 3,53E-02 NA 3,64E-02 3,30E-02 2,17E-02 2,01E-02 2,93E-029,75 10,36 0,108 0,167 0,223 0,231 0,5 0,632 1,55 3,78 0,38 0,62 2,79E-02 NA 3,29E-02 2,66E-02 1,75E-02 1,24E-02 2,35E-02

10,36 10,97 0 ,172 0,215 0,333 0,351 0,74 0,92 1,25 4,28 0,37 0,59 4,62E-02 3,32E-02 4,43E-02 4,30E-02 3,44E-02 3,24E-02 3,89E-02

11,58 12,19 0,125 0,186 0,246 0,256 0,586 0,763 1,49 4,10 0,37 0,60 3,46E-02 NA 3,65E-02 3,25E-02 1,96E-02 1,57E-02 2,78E-02

Moyenne de K (cm/s)

4,63E-02 4,46E-02 5,02E-02 4,45E-02 3,03E-02 2,38E-02 3,92E-02

NA=Non applicable

Le tableau 1 présente les estimations de valeurs de K selon différentes méthodes empiriques qui sont applicables selon des conditio particulières expliquées plus tôtdans le texte ainsi que les caractéristiques granulométriques de l’aquifère en fonction de la profonCes résultats donne une valeur moyenne de la conductivité hydraulique applicable : K applicable=3.92E-02 cm/sec. Les méthodesempiriques de prédictions granulométriques permettent de calculer des valeurs de K qui, dans ce cas là, sont très proches. Ainsi, ellessont donc véritablement applicables pour ce puits d’exploitation.


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-Résultats de l’essai de perméabilité

Les données brutes de l’essai de perméabilité ne sont pas disponibles dans le rapport dconsultant (rapport Bleuetière 2000 inc, Juillet 2003. Ainsi cet essai à été réalisé à environ 500du puits d’exploitation F8. Ceci fut mesuré dans le piézomètre Pz-2/03 une profondeur située

entre 4.87m et 5.48m sous la surface. La valeur de la conductivité hydraulique mesurée est d K =22.9m/jour, ce qui représente une valeur de K =2.60E-02 cm/sec. Cet essai fut interprété avecla méthode de Horvslev (1951).

-Résultat de l’essai de pompage

La figure 16 présentele résultat d’un essai de pompage longue durée (72 heures) qui mesure lerabattement dans l’aquifère en fonction du temps de pompage.

Figure 16 Essai de pompage longue durée : puits F8 de L’Ascension de Notre Seigneur

Sur ce graphique, on observe qu’il y a eu deux problèmes durant le pompage. Au tempt=1250min, on constate une chute très brusquede la valeur du rabattement ainsi qu’au tempst=4092min. Ceci s’explique par un arrêt de la pompe et donc un changement de débit d pompage. L’interprétation de cet essai de pompage s’effectue avec la méthode de CooperetJacob (1946).Cette méthode permet de déduire la valeur de la conductivité hydraulique( K ) de l’aquifère qui estde 2,00E-02 cm/s. Ce résultat est proche de la valeur de K calculée à partir des analysesgranulométriques et de l’essai de perméabilité in situ. Le volume d’aquifère investigué est de27316 m3 durant le pompage à un débit de 2,403 m3/min.


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-Observation des effets d’échelle et discussion des résultats

Le tableau 2 présente la compilation des résultats de cette étude pour la municipalité dL’Ascension-de-Notre-Seigneur, il synthétise les valeurs de K obtenues par les différentesméthodes.

Tableau 2 Synthèse des résultats de la conductivité hydraulique pour le site de de L’Ascension de NotreSeigneur

On constate que la conductivité hydraulique ( K ) dans cet aquifère ne varie pas significativement.Ces résultats sont conformes à la stratigraphie du puits qui exprime une perméabilité relativemeélevée.On peut attribuer ceci au fait que l’aquifère testé est homogène, ce qui viendrait confirmque les effets d’échelle sont bien reliés à l’hétérogénéité des matériaux et que par conséquent ne s’observent pas dans le cas d’une situation telle que le site deL’Ascension de Notre Seigneur .

Stratigraphie Profondeur LimiteSUP (m)Profondeur_Limite

INF (m) K ApplicablesGranulo cm/s

K _pompagecm/s

K _perméabilitécm/s

Sable fin à grossier, traces de gravier 4,8768 5,4864 5,17E-02 2,60E-02

Sable fin à grossier, traces de gravier 6,096 6,7056 9,43E-02

2,00E-02

Sable fin à grossier, traces de gravier, traces desilt 9,144 9,7536 2,93E-02

Sable fin à grossier, traces de silt 9,7536 10,3632 2,35E-02




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Labrecque

Des analyses granulométriques ont été effectuées et sont représentatives des sols en place scette municipalité. Il y a quatre échantillons prélevés dans le puits P-3/01 qui ont été analysésainsi on peut prédire selon les méthodes empiriques la conductivité hydraulique.

Figure 17 Courbes granulométriques : puits P-3/01 du site de Labrecque

Ces courbes présentent un milieu plutôt homogène. Ceci représente des séquences de dépôts sables fin à moyen sur des dépôts de sables moyens à grossiers. Le tri hydraulique a perml’homogénéité du matériel sur la profondeur. .


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Tableau 3 Résultats des méthodes empiriques de prédiction de K : puits P-3/01

Prof_limsup (m)

Prof_liminf (m)

D5 (mm)

D10(mm)

D17(mm)

D20(mm)

D50(mm)

D60(mm)


K _Navfac(cm/s)

K _Chapuis(cm/s)

K _Beyer(cm/s)

K _Sauerbrei(cm/s)

K _USBR(cm/s)

K _moyeapplica

(cm/s

1,7 3,5 0,078 0,11 0,18 0,195 0,47 0,61 1,41 5,55 0,35 0,53 NA NA 1,25E-02 1,06E-02 7,62E-03 NA 1,03E-02

15 16,5 0,11 0,18 0,25 0,27 0,48 0,62 1,64 3,44 0,39 0,64 3,24E-02 NA 3,97E-02 3,15E-02 2,41E-02 1,77E-02 2,91E-02

18,5 20 0,118 0,15 0,18 0,185 0,281 0,334 1,27 2,23 0,42 0,73 2,25E-02 NA 3,98E-02 2,38E-02 1,80E-02 7,43E-03 2,23E-02

36,5 38 0,119 0,16 0,212 0,239 0,6 0,423 1,34 2,64 0,41 0,70 2,56E-02 3,12E-02 3,97E-02 2,62E-02 2,19E-02 1,34E-02 2,63E-02

Moyenne de K (cm/s)

2,65E-02 3,12E-02 2,97E-02 2,14E-02 1,64E-02 1,21E-02 2,05E-02

NA= non applicable

Les méthodes utilisées reposent sur des relations empiriques selon certaines conditions. La moyenne de la conductivité applicde K applicable=2.05E-02cm/s.Dans ce cas, les méthodes granulométriques permettentd’obtenir des valeursde K très semblables les unes des autres. Elles sont donccohérentes entre elles.


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Résultat de l’essai de pompage réalisé au puits P-1/79

Sur le puits P-3/01, un essai de pompage de courte durée (5,5 heures) fut réalisé. Dans le cas notre étude, seuls les essais de pompage longue durée (supérieur ou égal à 72 heures) sont pris compte. Nous n’avons donc pas utilisé les données de pompage sur le puitsP-3/01.

Le puits P-1/79 se situe à environ 350m du puits P-3/01. La corrélation stratigraphique pes’effectuer parfaitement entre les deux puits. Ainsi les données du pompage du puits P-1/79 sontutilisées dans cette étude.

Figure 18 Essai de pompage longue durée : puits P-1/79 à Labrecque

Sur ce graphique, on observe qu’il y a euun ajustement du débit de pompage durant cet essai. Autemps, t=64800sec, on constate uneaugmentation de la valeur du rabattement. Cet essai n’estdonc pas interprété sur toute sa durée. Les données sont prises à partir du temps t=120se jusqu’au temps t=64800sec. L’interprétation de cet essai de pompage s’effectue avec la méthodede la droite de Cooper Jacob. Onn’interprète cet essai que sur la portion de droite qui est la plusreprésentative.

Cette méthode permet de déduire la valeur de la conductivité hydraulique( K ) de l’aquifère qui estde 6,20E-02 cm/s. Ce résultat est proche de la valeur de K calculée à partir des analysesgranulométriques soit 2.05E-02cm/s.


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Le volume d’aquifère investigué est de12040 m3 durant les 66 heures de pompage à un débit de1,186 m3/min. Ce volume est calculé à partir de la formule suivante :

V= (Q*T)/ n

Avec Q= débit en m3

/minT=temps de pompage en minn = porosité de l’aquifère

Cette formule sera utilisée pour les volumes investigués de chaque site d’étude.


Le tableau 4 présente les résultats compilés de l’essai de longue durée de pompage et del’interprétation de la conductivité hydraulique selon les analyses granulométriques.

Tableau 4 Synthèse des résultats d'interprétation de la conductivité hydraulique : puits P-3/01

Stratigraphie ProfondeurLimite SUP

(m)

ProfondeurLimite INF

(m)

K _moyenne_granulocm/s

K _pompagecm/s

Sable fin à moyen, Tri granulométrique moyen 1,7 3,5 1,03E-02

Sable moyen à grossier 15 16,5 2,91E-02Sable moyen à grossier, Bon tri 18,5 20 2,23E-02Sable moyen à grossier, Bon tri 36,5 38 2,63E-02 6,20E-02 Argile grise

39

44

On constate que la conductivité hydraulique ( K ) dans cet aquifère ne varie pas significativement.Dans la dernière couche des dépôts de sable moyen à grossier, on observe une plus forte valede K . Ceci est peut être dû au fait que les sables sont plus grossiers que dans la couche supérieurce qui facilite le passage de l’eau entre les grains, donc la conductivité hydraulique est plusélevée. En ce qui concerne le résultat de K selon l’essai de pom page, la valeur est de deux fois plus élevée que la valeur de K selon les analyses granulométriques à la même profondeur. Si l’onobserve l’ensemble de l’aquifère la valeur de K pompage est relativement proche des valeurs de K granulométrie.


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Saint Honoré

Des échantillons ont été prélevés dans le puits d’exploitationet sont utilisés afin de pouvoir prédire la conductivité hydraulique. Ainsi la figure 19 présente les courbes granulométriques puits PW-3 de la municipalité de Saint Honoré.

Figure 19 Courbes granulométriques du puits PW-3 à Saint Honoré

On observe une légère variation du matériel en fonction de la profondeur. Globalemenl’aquifère considéré est homogène. Selon la stratigraphie du puits, on peut considérer que lgranoclassement est inverse. Une couche de sable fin à moyen se retrouve sur une dizaine mètres. Sans doute que l’on peut localiser d’autres séquences de sable de granulométrie plusgrossière en dessous de celle-ci.Le contexte d’exploitation de ce puits se situe dans un environnement deltaïque (marin pe profond).


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Tableau 5 Résultats des méthodes empiriques de prédiction de K : puits PW-3 de Saint Honoré

Prof_limsup (m)

Prof_liminf (m)

D5 (mm)

D10(mm)

D17(mm)

D20(mm)

D50(mm)

D60 (mm)

D10 /D 5 Cu n eK _Hazen

(cm/s)K _Navfac

(cm/s)K _Chapuis

(cm/s)K _Beyer(cm/s)

K _Sauerbrei(cm/s)

K _USBR(cm/s)

K _moyennapplicable

(cm/s)

16,8 18,3 0,152 0,198 0,28 0,306 0,54 0,63 1,30 3,18 0,40 0,66 3,92E-02 3,98E-02 4,88E-02 3,87E-02 3,25E-02 2,36E-02 3,71E-02

25 27,4 0,071 0,097 0,1 0,186 0,214 3,01 0,40 0,67 5,04E-03 4,19E-03 1,02E-02 5,04E-03 4,09E-03 1,80E-03 5,06E-03

27,4 28 0,071 0,1 0,102 0,2 0,25 3,52 0,39 0,63 5,04E-03 3,26E-03 9,11E-03 4,88E-03 3,77E-03 1,89E-03 4,66E-03

28 30,5 0,071 0,1 0,102 0,2 0,245 3,45 0,39 0,64 5,04E-03 3,37E-03 9,25E-03 4,90E-03 3,84E-03 1,89E-03 4,71E-03

30,5 32 0,108 0,183 0,189 0,322 0,389 3,60 0,39 0,63 1,17E-02 8,32E-03 1,73E-02 1,12E-02 1,24E-02 7,80E-03 1,14E-02

32 33,5 0,095 0,15 0,229 0,25 0,45 0,535 1,58 3,57 0,39 0,63 2,25E-02 NA 2,91E-02 2,17E-02 1,95E-02 1,48E-02 2,15E-02

33,5 35,1 0,151 0,2 0,22 0,4 0,47 3,11 0,40 0,66 2,28E-02 2,21E-02 3,25E-02 2,26E-02 1,69E-02 1,11E-02 2,13E-02

35,1 36,6 0,108 0,183 0,189 0,39 0,45 4,17 0,37 0,59 1,17E-02 6,68E-03 1,54E-02 1,09E-02 1,07E-02 7,80E-03 1,05E-02

36,6 38,1 0,108 0,183 0,189 0,369 0,44 4,07 0,37 0,60 1,17E-02 6,91E-03 1,57E-02 1,10E-02 1,09E-02 7,80E-03 1,07E-02

Moyenne de K (cm/s)

1,17E-02 7,92E-03 1,76E-02 1,13E-02 9,91E-03 6,11E-03 1,10E-02

NA=non applicableLes valeurs de conductivité hydraulique correspondent au type de matériel testé : si le matériel est composé de particules fines K seradonc plus faible et inversement.La moyenne des valeurs de conductivité hydraulique des méthodes applicables est de K =1,10E-02 cm/s. Les différences entre lesvaleurs de K obtenues des méthodes empiriques de prédictions ne sont pas marquées. Ces valeurs sont donc cohérentes selméthodes.


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-Résultats de l’essai de perméabilité in-situ

Dans le rapport de consultant pour la mine Niobec à Saint Honoré, on retrouve des essaisde perméabilités réalisés dans des piézomètres. L’un d’entre eux, convient parfaitement ànotre puits en exploitation : la profondeur (élévation) et la stratigraphie sont conformes

dans le puits et dans le piézomètre.Un essai de perméabilité in-situ est réalisé dans le piézomètre TF-5 à une profondeur quise situe entre 11,0 et 15,50 mètres. La conductivité hydraulique obtenue est de 3,60E-02cm/sec.

-Résultats de l’essai de pompage Un essai de pompage fut effectué sur le puits d’exploitation PW-3 d’une durée de 168heures. Le résultat de cet essai est présenté sur la figure 20.

Figure 20 Essai de pompage longue durée (168h) : puits PW-3 de St-Honoré

Comme on le voit, cet essai de pompage montre que la pompe s’est arrêtée au tempst=361860sec. Ceci n’affecte pas l’interprétation selon la droite de Cooper -Jacob pourestimer la valeur de la conductivité hydraulique. L’aquifère possède une épaisseur de38m.La conductivité hydraulique calculée avec cet essai est de K = 2.72E-02 cm/s. Cette valeurde K est relativement proche de la valeur moyenne calculée à partir des analysesgranulométriques et de la conductivité hydraulique issue de l’essai de perméabilité. Levolume d’aquifère investigué durant l’essai de pompagede 168 heures est de 37195 m3 àun débit de 1,476 m3/min.La méthode d’estimation de ce volume a été expliqué plus tôtdans cette étude.


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Tableau 6 Synthèse des résultats d'interprétation de la conductivité hydraulique : puits PW3 de St-Honoré

Les résultats présentés dans le tableau 5 permettent de constater que les valeurs des conductivités hydrauliques calculées à paanalyses granulométriques, de l’essai de perméabilité in-situ et de l’essai de pompage sont proches. Les valeurs de K sont conformes àla stratigraphie. La conductivité hydraulique calculéeà partir de l’essai de pompage est légèrement plus élevée que les valeurs de K selon les analyses granulométriques. L’aquifère est considéré comme homogène selon la colonne stratigraphique et les cgranulométriques, ainsi la variation des valeurs de conductivité hydrauliqueselon les différents essais n’est pas visible.

Stratigraphie ProfondeurLimite SUP


K averageapplicable

(cm/s)

K pompagecm/s

K perméabilitécm/s

Sable moyen 60%, sable fin 32.5%, silt 3,5%, gravier grossier 39,5%, gravier fin 0,5% 16,8 18,3 3,71E-02 3,60E-02

Sable fin 83,5%, sable moyen 5,5%, silt 9,5%, gravier grossier 1%, gravier fin 0,5% 25,9 27,4 5,06E-03

Sable fin 71,5%, sable moyen 16,5%, silt 10,5%, gravier grossier 1%, gravier fin 0,5% 27,4 28 4,66E-03

Sable fin 77%, sable moyen 12,5%, silt 10%, gravier grossier 0,5% 28 30,4 4,71E-03

Sable fin 59%, sable moyen 34%, silt 5%, gravier grossier 1,5%, gravier fin 0,5% 30,5 32 1,14E-02

2,72E-02

Sable moyen 48%, sable fin 44%, silt 4%, gravier grossier 2,5%, gravier fin 1,5% 32 33,5 2,15E-02

Sable moyen 48%, sable fin 44,5%, silt 5,5%, gravier grossier 1,5%, gravier fin 0,5% 33,5 35,1 2,13E-02

Sable fin 46,5%, sable moyen 44%, silt 7,5%, gravier grossier 1,5%, gravier fin 0,5% 35,1 36,6 1,05E-02

Sable fin 51%, sable moyen 39,5%, silt 7%, gravier grossier 0,5%, gravier fin 2% 36,6 38,1 1,07E-02


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Sainte Monique

-Résultats des analyses granulométriques

Le piézomètre STM-1 est localisé à environ un mètre du puits d’exploitation P-1.Celui-ci sera donc pris pour l’étude granulométrique car nous trouvons les courbesgranulométriques de ce piézomètre et non celles du puits dans les rapports de

consultants.

Figure 21 Courbes granulométriques du piézomètre STM-1 à Sainte Monique

Sur cette figure, on observe une variation des matériaux : la courbe qui se situe à une profondeur comprise entre 42,97m et 44,19m et la courbe à plus grande profondeur(54.86-56.08m) présentent un matériau très grossier, alors que les autres courbes permettent de dire que le matériel est plus fin. Selon la colonne stratigraphique vue précédemment, ceci s’explique très bien. Il y a des séquences de matériel plus fin et plus grossier. L’aquifère possède donc un degré d’hétérogénéité moyen du matériel.


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Tableau 7 Résultats des méthodes empiriques de prédiction de K : puits P-1

Prof_limsup (m)

Prof_liminf (m)

D5 (mm)

D10(mm)

D17(mm)

D20(mm)

D50(mm)

D60(mm)


K _Navfac(cm/s)

K _Chapuis(cm/s)

K _Beyer(cm/s)

K _K ozeny(cm/s)

K _Sauerbrei(cm/s)

K _USBR(cm/s)

K _averaapplicab

(cm/s

42,97 44,19 0,172 0,232 0,33 0,384 1,374 1,998 1,35 8,61 0,31 0,44 NA 1,80E-02 2,76E-02 4,27E-02 1,78E-02 1,58E-02 NA 2,44E-0

46,6 48,46 0,127 0,177 0,217 0,236 0,487 0,610 1,39 3,45 0,39 0,64 3,12E-02 2,76E-02 3,85E-02 3,04E-02 NA 1,81E-02 1,31E-02 2,65E-02

49,58 51,51 0,102 0,147 0,179 0,187 0,309 0,383 1,44 2,61 0,41 0,70 2,15E-02 NA 3,49E-02 2,21E-02 NA 1,57E-02 7,61E-03 2,04E-02

51,12 53,34 0,112 0,161 0,182 0,189 0,291 0,351 1,44 2,18 0,42 0,74 2,59E-02 NA 4,50E-02 2,75E-02 NA 1,87E-02 7,77E-03 2,38E-02

54,86 56,08 0,16 0,236 0,366 0,425 1,236 1,614 1,475 6,839 0,326 0,484 NA NA 3,44E-02 4,67E-02 2,36E-02 2,50E-02 NA 3,24E-

Moyenne de K (cm/s) 2,59E-02 2,23E-02 3,56E-02 3,26E-02 2,05E-02 1,84E-02 9,18E-03 2,55E-02

NA=non applicable

Nous n’avons pas toutes les données granulométriques du piézomètre sur toute la profondeur. La moyenne des valeurs de conduchydraulique applicables est de K applicable= 2,55E-02 cm/s. Les méthodes empiriques de prédictions donnent des valeurs d K relativement proches sauf concernant la méthode de USBR qui donne une valeur de K plus faible. Celle-ci sous-estime donc laconductivité hydraulique de l’aquifère.


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-Résultat de l’essai de pompage

Figure 22 Essai de pompage de longue durée : puits P-1 de Sainte Monique

Lors du pompage de longue durée (72 heures) dans le puits d’exploitation P-1, il y a euun ajustement du débit de la pompe submersible entre 0,5 et 8,0 minutes, ce qui expliquela première partie de la courbe (en bleu). On prend donc la deuxième partie (en rouge) pour calculer la conductivité hydraulique selon la méthode de la droite de Cooper-Jacob. Nous obtenons une valeur de K qui est de : K = 2,07E-02 cm/s avec une épaisseur del’aquifère de 55m. Le volume d’aquifère investigué durant le pompage est de 9618 m3 durant le pompage àun débit de 0,846 m3/min.


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Tableau 8 Tableau 8 Synthèse des résultats d'interprétation de la conductivité hydraulique : puits P-1 précendent

Le tableau 8 est une synthèse des résultats obtenus du calcul de la conductivitéhydraulique selon les analyses granulométriques et selon l’essai de pompage longuedurée.On constate ainsi que les valeurs obtenues de K sont très proches. La moyenne de K applicable est de K =2,55E-02 cm/s alors que le K essai de pompage est de K =2,07E-02

cm/s. Ces deux valeurs sont très similaires. Nous n’avons pas toutes les donnéesstratigraphiques du puitsd’exploitation mais néanmoins on peut observer que les valeurssont conformes à la stratigraphie. La valeur de K applicable granulo de la dernière couchequi correspond à du sable fin à grossier graveleux brun, traces de cailloux et silt est plusélevée que dans les autres couches. Ceci est tout à fait normal compte tenu du matériel plus grossier en présence.

Cet aquifère possède un certain degré d’hétérogénéité mais cela ne se voit pas sur lesrésultats de l’interprétation de K selon la granulométrie et selon l’essai de pompage.Lesméthodes empiriques de prédictions de K se basent principalement sur le D10 du matérieltesté. En observant les courbes granulométriques, on constate que le D10 est très similaire

pour les 5 courbes, c’est donc pourquoi les valeurs de K ne diffèrent pas selon leséchantillons prélevés. Si ces méthodes se basaient sur le D60, les valeurs obtenues de laconductivité hydrauliques seraient donc plus variable. Ceci dit, étant donné que c’est la partie fine d’un matériel qui contrôlemajoritairementl’écoulement, les observationsréalisées ici sont normales.

StratigraphieProfondeurLimite SUP

(m)


(m)

K ApplicablesGranulo cm/s

K pompage

cm/sSable et gravier brun un peu de cailloux, traces de blocs et silt 0 4,87

Sable fin à moyen brun, traces de silt 4,87 7,01Sable fin silteux gris brunâtre 7,01 7,62

Sable et gravier brun un peu de cailloux, traces de blocs et silt 7,62 12,8

Sable fin à grossier brun, peu de gravier, traces de cailloux et silt 12,8 17,68

Sable et gravier brun un peu de cailloux, traces de blocs et silt 17,68 19,81

Gravier et sable brun un peu de blocs et cailloux, traces de silt 19,81 37,18

Sable et gravier brun un peu de cailloux, traces de blocs et silt 37,18 44,2 2,44E-02

Sable fin à grossier graveleux brun, traces de cailloux et silt 44,2 46,63

Sable fin à grossier brun, traces de gravier et silt 46,6344 48,4632 2,65E-02Sable fin à grossier, traces de gravier et silt 49,9872 51,5112 2,04E-02

2,07E-02Sable fin à grossier, traces de gravier et silt 52,1208 53,34 2,38E-02

Sable et gravier brun, traces de cailloux et silt 53,34 54,86

Sable fin à grossier graveleux brun, traces de cailloux et silt 54,86 56,39 3,24E-02


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6/Discussion et conclusion

Lors de l’étude d’estimation de la conductivité hydraulique des aquifères sur différenteséchelles, plusieurs résultats sont obtenus : le premier serait que sur les quatre sites, troissont des aquifères qui sont vraiment homogènes, le quatrième est un aquifère possédantun matériel qui est un peu plus hétérogène.Lorsque l’onobserve les valeurs de laconductivité hydrauliqueobtenues selon les trois types d’essais, on constate qu’ellessonttrès proches et ceci pour les quatre sites étudiés.Les effets d’échelle semblent doncnégligeables sur ces sites d’études. Ils ne sont pas véritablement observés Ceci signifieque les effets d’échelle ne sont pas associés aux types d’essais mais au degréd’hétérogénéité de l’aquifère. Par conséquent, comme il l’avait été énoncé par certainsauteurs, les effets de bord liés au type d’essai hydraulique (slug test versus essai de pompage) ne semblent pas intervenir dans la détermination de la conductivitéhydraulique d’un aquifère.

Si l’aquifère testé est relativement homogène, les valeurs de la conductivité hydrauliqueselon les trois types d’essais seront similaires. A l’inverse, le site de Sainte Monique estun aquifère un peu plus hétérogène que les autres, mais les valeurs de conductivitéhydraulique obtenues selon les données granulométriques et selonl’essai de pompagerestent proches. De plus, si les valeurs de conductivité hydraulique issues des donnéesgranulométriques sont proches, c’est que les échantillons prélevés pour les obtenir sesituent dans des couches relativement semblables

Une seconde conclusion est que les résultats des méthodes empiriques de prédiction de K basées sur la granulométrie concordent bien avec ceux des essais hydrauliques in-situ.Ces quatre sites ont permis de démontrer que les valeurs de K obtenues de ces méthodes

granulométriques sont relativement similaires aux valeurs de K selon les essais de pompage ou les essais de perméabilité in-situ. Ceci montre que ces méthodes de prédiction sont parfaitement valides lorsqu’applicables comme cela avait été montré pardifférents auteurs tels que cités précédemment.

Les résultats obtenus dans quatre aquifères à nappe libre composés de dépôts granulairesdu quaternaire ont donc montré que peu d’effets d’échelle sont observés compte tenu dela similarité des résultats obtenus de différentes méthodes opérant à différentes échellesde l’aquifère. Par ailleurs, une conclusion importante et d’intérêt pour le praticienhydrogéologue est de constater que les méthodes de prédiction de la conductivitéhydraulique basées sur la granulométrie sont des techniques tout à fait satisfaisantes pour

une bonne estimation de cette propriété. Il est ainsi de bonaugure de savoir que lorsqu’un budget d’étude hydrogéologique est limité et permet seulement la réalisation d’unequantité limité d’essais hydrauliques, des estimations de K à partir des donnéesgranulométriques peuvent venir compléter et densifier les données. Une bonneillustration de cette affirmation est de considérer un modèle numérique d’écoulement pour lequel une densité de données importante de K est nécessaire pour garantir unmodèle d’écoulement fidèle à la réalité. Dans ce cas, les méthodes de prédiction peuventaider à facilement densifier l’information nécessaire.


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Enfin, il est à souligner que dans le cadre d’un projet régional d’acquisition desconnaissances sur les eaux souterraines tel que le PACES, les prédictionsgranulométriques prennent également tout leur sens et expriment toute leur utilité pouraider à comprendre les écoulements souterrains à l’échelle régionale gérés en partie par

les champs de conductivité hydraulique des aquifères.


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