1 Couplage des outils SIG avec MODFLOW en vue de la simulation des écoulements dans les eaux souterraines (Modèle de la Géodatabase) Hazar BOUZOURRAA E

1

Couplage des outils SIG avec MODFLOW en vue de la simulation des écoulements dans les

eaux souterraines

(Modèle de la Géodatabase)

Hazar BOUZOURRAA

E. N. I. T. - BP. 37, Le Belvédère - 1002 Tunis - Tél : (216 1) 874 700 - Fax : (216 1) 872 729

Laboratoire de Modélisation en Hydraulique et Environnement (LMHE), ENIT

[email protected]

Présentée par:

CONGRES INTERNATIONAL GEOTUNIS 2009

Sur l’:

« Apport des Technologies Géomatiques dans l’étude des ressources en eau et le

suivi du phénomène de la désertification » CORMMUNICATION SUR

2Hazar BOUZOURRAA

Plan

I. Présentation de la zone d’étudeI. Présentation de la zone d’étude

II. Étude de la qualité et des sources de salinisation des II. Étude de la qualité et des sources de salinisation des eaux souterraineseaux souterraines

III. Modélisation hydrodynamique de la nappe de Ghar el III. Modélisation hydrodynamique de la nappe de Ghar el Melh –Aousja Utique (Couplage du modèle de la Melh –Aousja Utique (Couplage du modèle de la Géodatabase et du modèle numérique de la simulation de Géodatabase et du modèle numérique de la simulation de l’écoulement)l’écoulement)

Conclusion et perspectivesConclusion et perspectives

3Hazar BOUZOURRAA

But de cette étude :

La mise en place d’une base de données hydrogéochimique qui supporte les investigations hydrogéologiques et les processus de modélisation des écoulements souterraines , comme suit:

Modélisation géochimique des eaux souterraines par étude de leurs qualités et les sources potentielles de salinisation.

Optimisation des ressources d’eaux souterraines de la nappe phréatique de Ghar el Melh-Aousja-Utique .

4Hazar BOUZOURRAA

Problématiques liés à la phase de réalisation

Site d’étude

Aucune investigation géochimique isotopique a été mise pour la caractérisation des eaux souterraines de la nappe de Ghar el Melh

Dépourvu des données hydrodynamiques, et si elles existaient-elles sont soit non archivées, soit dans les carnets des anciens techniciens

Aucune optimisation des ressources des eaux souterraines

5

Cadre Géographique

-Fait partie de la Tunisie orientale

-limitée par les reliefs de bordure :

Fig.1 -Localisation géographique de la zone d'étude Cadre Géologique

- Affleurements d’age Mio-Pliocène et Quaternaire.

Cadre Structural

-Le plissement général est d’age Quaternaire attribué

au Villafranchien (Ben Ayed et al. (1996) )

Fig.2- Carte géologique de Porto Farina, Feuille n°7, OTC 48-49

I. Présentation de la zone d’étude

Hazar BOUZOURRAA

J.Demnia , J.Ennadour,J.Kéchabta, J.Menzel Ghoul, -

-les exutoires naturels :la lagune de Ghar el Melh et

la mer Méditerranéenne.

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Cadre Agricole

Cadre Climatique

-Un climat de type Méditerranéen chaud

-des températures moyennes de l’ordre de : 11°C en Janvier

27°C en Juillet - La moyenne interannuelle des pluies ≈ 450 mm/an.

- L’évapotranspiration annuelle est de l’ordre de ≈ 1500 mm/an.

-Une activité agricole très intense:

Fig 4: Carte d’Aménagement hydro agricole

Hazar BOUZOURRAA


*** l’irrigation y est soutenue par les eaux saumâtres de l’oued Medjerda ( origine: barrage de Sidi Salem).

** avec un réseau de drainage très développé

•Multiplicité des périmètres irrigués sur plus de 7193 ha,

implantés depuis 1990.

(PPI de Aousja, d’Utique, de Tobia et de Kalâat Landalous).

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Cadre Hydrologique

Cadre Hydrogéologique

Bassin versant qui couvre d’environ 25624 ha,

subdivisé en sous bassins :

Fig.5- Modèle numérique de terrain de la zone d’étude

- de Ghar el Melh, de Gournata et d’Ezzouaouine

-Le réseau hydrographique de la région est

Assez développé du fait de la présence d’un relief

important qui favorise les écoulements de surface.

-Nappe côtière logée dans le Plio-Quaternaire (formations de PortoFarina et les alluvions récents du

Quaternaire), dont le mur est les marnes de Rafraf.

- Nappe captée par les eaux de surface

Hazar BOUZOURRAA


8Hazar BOUZOURRAA

Phase d’Acquisition des données hydro chimiques

• GPS:Trimble GeoXTPositionnement géographique

Des puits en activité

Echantillonnage et Analyses

Chimique (2007 -2008)

•Éléments majeurs (Na, Ca, Mg, K, Cl, SO4, HCO3, NO3)

• Éléments traces (Br,F)

Mesures in situ la conductivité électrique ,le pH et les hauteurs piézométriques

Base de données hydrogéochimique

Importation des données acquises sous « AquChem »

(Rockware; www.rockware.com)

MsAccess SGBD Relationnelle

9Hazar BOUZOURRAA

Étude de la qualité et des sources de salinisation des eaux souterraines

10Hazar BOUZOURRAA

Modélisation de la qualité des eaux souterraines « AquaChem »U

tilis

atio

ns

des

trac

eurs

géo

chim

iqu

es

Calcul des équilibres chimique : indices de saturation module de « PhreeqC »

Br/Cl : des faibles rapports sont très inférieurs

au rapport marin, montrent ainsi que le chlore

provient de la dissolution des dépôts évaporites

d’origine sédimentaires.

L’eau de cette nappe est sous-saturée vis-à-vis de la halite ,le gypse et vis-à-vis la fluorine .

La dissolution de la halite contribue donc à l’enrichissement du milieu en ions très solubles en Na , Cl, Ca et SO4.

Classification et filtration des faciès géochimiques

Représentation en classes majeurs par le diagramme de « Piper » Représentation en sous classes par le « Stiff »

Origines des eaux souterraines : classification de de Fetter (1994) et Méthode d’Hounslow (1995)

La majorité des eaux de cette nappe sont des eaux saumâtres

dont les solutés dérivent d’une origine évaporitique.

11Hazar BOUZOURRAA

Mise en place d’un modèle de simulation

des écoulements des eaux souterraines

« Modèle de la Géodatabase personnelle »

12Hazar BOUZOURRAA

Modèle de la « Géodatabase personnelle » : ArcGIS - ESRI

MsAccess: « SGBDR »

Modèle Orienté Objet( UML: Unified Modeling Language)

Modèle de Structuration des données SIG :

Notion de classes d’objets vectorielles « feature class »

l’objet de classe peut avoir des méthodes et des évènements

Relations topologiques entre les classes d’objets vectorielles (règles d’intégrités et de validités)

Notion d’héritage : dérivation d’entités de classes

Des tables attributaires

Des matrices « raster Datasets »

13Hazar BOUZOURRAA

Environnement de travail « Softwares »

Géodatabase personnelle ArcGIS-ESRI

Arc Hydro Groundwater

(AHGW) Tools

-Modèle conceptuel de la Géodatabase

Impl

émen

tatio

n du

sch

éma

de la

Géo

data

base

XML

eXtensible Markup Language Schéma conceptuel du modèle

numérique

Implém

entation du

Modèle de Sim

ulation

hydrodynamique

http://www.aquaveo.com/archydro-groundwater

•Modèle de structuration de données géo spatiales et attributaires

•Un environnement de visualisation et de stockage de données

•Environnement de traitement et d’analyse des données géospatiales

- Entités- Entités

- Attributs- Attributs

-RelationsRelations

-Jeu de données RASTERJeu de données RASTER

Base de données Base de données hydrogéochimiquehydrogéochimique

AquChem

Import

MsAccess: « SGBDR »

- Outil de modélisation

(pré/post traitement)

modèles numériques de simulation

14Hazar BOUZOURRAA

- Modèle de données de simulation de l’écoulement souterrain


(AHGW) Tools

Observations

OUTNAMISCALSTOMULTHEVHTOMULTGBEVFGBTOMULTDREVFDRTOMULTRVEVFRVTOMULTCHEVFCH

OBSVars

TextLong Int.DoubleDoubleDoubleDoubleDoubleDoubleDoubleDoubleDoubleDouble

HOBIDOBSNAMIJROFFCOFFITT

HOB

OIDTextLong Int.DoubleDoubleShort Int.

HOBIDLayerPR

HOBLayers

Long Int.Long Int.Double

HOBIDOBSNAMIREFSPTOFFSETHOBSHSIMSTAThSTATddSTATFLAGPLOTSYMBOL

HOBTimes

Long Int.TextLong Int.DoubleDoubleDoubleDoubleDoubleShort Int.Long Int.

1

1..*

1..*

FLOBIDFLOBTypeOBSNAMIREFSPTOFFSETHOBSHSIMSTATISTICSTATFLAGPLOTSYMBOL

FLOB

OIDTextTextLong Int.DoubleDoubleDoubleDoubleShort Int.Long Int.

FLOBIDIJKFactor

FLOBFactors


1

1..*

Solvers

MXITERNPARMACCLHCLOSEIPCALCWSEEDIPRSIP

SIP

Long Int.Long Int.DoubleDoubleShort Int.DoubleLong Int.

MXITERACCLHCLOSEIPRSOR

SOR

Long Int.DoubleDoubleLong Int.

MXITERITER1NPCONDHCLOSERCLOSERELAXNBPOLIPRPCGMUTPCGDAMP

PCG

Long Int.Long Int.Short Int.DoubleDoubleDoubleShort Int.Long Int.Short Int.Double

ITMXMXUPMXLOWMXBWIFREQMUTD4ACCLHCLOSEIPRD4

DE4

Long Int.Long Int.Long Int.Long Int.Short Int.Short Int.DoubleDoubleLong Int.

RCLOSEIITERHCLOSEMXITERDAMPIADAMPIOUTGMGISMISCRELAX

GMG

DoubleLong Int.DoubleLong Int.DoubleShort Int.Short Int.Short Int.Short Int.Double

STOR1STOR2STOR3ICGMXITERMXCYCBCLOSEDAMPIOUTAMGDUPDLOW

LMG

DoubleDoubleDoubleShort Int.Long Int.Long Int.DoubleDoubleShort Int.DoubleDouble

Output

TimeIDSPNumTSNumTotalTimePeriodTimeAbsoluteTime

OutputTime

OIDLong Int.Long Int.DoubleDoubleDate

TimeIDIJKFlowTypeFlow

OutputFlow

Long Int.Long Int.Short Int.Double

FileTypeDescriptionFormatCompressFilePath

OutputFiles

TextTextTextTextBlobText

TimeIDIJKHead

OutputHead


TimeIDIJKDrawdown

OutputDrawdown


Parameters

ZoneIDIJIZON

Zones

Long Int.Long Int.Long Int.

ParamIDPARNAMPARTYPETableCodeFieldCodeParvalBKeyvalBLBUBSCALLNISENSLogInterpLogMinValTiedSource

Params

OIDTextTextTextTextDoubleDoubleDoubleDoubleDoubleDoubleShort Int.Short Int.Short Int.DoubleTextShort Int.

ClusterIDParInstIDLayerZoneIDMultID

Clusters

OIDLong Int.Long Int.Long Int.Long Int.

MultIDIJRMLT

Multipliers

OIDLong Int.Double

ParamIDPointNameParvalBISENSMultIDSourceID

PilotPts

Long int.TextDoubleDoubleShort Int.Long Int.Long Int.

ParInstIDInstNameParamID

ParInstances

OIDTextLong Int.

1

0..*

MultIDMultNameArrayMultFunction

MultNames

OIDTextLong Int.Text

ZoneIDZoneNameArrayMult

ZoneNames

OIDTextLong Int.

1

1..*

1

1..*

1..*

1

1..*

1

1

1..*

0..*ClusterIDIZ

IZ

Long Int.Long Int.

1..*

1

ParInstIDSPID

ParInstSP

Long Int.Long Int.

0..*

1

Block-Centered Flow (BCF6)

HDRYIWDFLGWETFCTIWETITIHDWET

BCFVars

DoubleShort Int.DoubleLong Int.Short Int.

LayerLAYAVGLAYCONTRPYAM_Sf1AM_TranAM_HYAM_VcontAM_Sf2AM_WETDRY

BCFLayers

Long Int.Short Int.Short Int.DoubleDoubleDoubleDoubleDoubleDoubleDouble

IJKHYTranVcontSf1Sf2WETDRY

BCFProperties

Long Int.DoubleDoubleDoubleDoubleDoubleDouble

List-Based Stress Packages

IJKSPIDStageCondRbotIFACECondfactSourceID

RIV

Long Int.Long Int.DoubleDoubleDoubleLong Int.DoubleLong Int.

IJKSPIDQQfactIFACESourceID

WEL

Long Int.Long Int.DoubleDoubleLong Int.Long Int.

IJKSPIDElevationCondIFACECondfactSourceID

DRN

Long Int.Long Int.DoubleDoubleLong Int.DoubleLong Int.

IJKSPIDSheadEheadShdfactEhdfactSourceID

CHD

Long Int.Long Int.DoubleDoubleDoubleDoubleLong Int.

IJKSPIDBheadCondIFACECondfactSourceID

GHB

Long Int.Long Int.DoubleDoubleLong Int.DoubleLong Int.

IJK1IJK2HydchrFactorSourceID

HFB6

Long Int.Long Int.DoubleDoubleLong Int.

Array-Based Stress Packages

Recharge (RCH)

NRCHOP

RCHVars

Short Int. IJSPIDRECHIRCH

RCHArrays

Long Int.Long Int.DoubleLong Int.

Evapotranspiration (EVT)

NEVTOP

EVTVars

Short Int. IJSPIDSURFEVTREXPDIEVT

EVTArrays

Long Int.Long Int.DoubleDoubleDoubleLong Int.

SPIDAM_RECHAM_IRCH

RCHArrayMult

Long Int.DoubleLong Int.

SPIDAM_SURFAM_EVTRAM_EXPDAM_IEVT

EVTArrayMult

Long Int.DoubleDoubleDoubleLong Int.

Basic (BAS6)

IJKIBOUNDSTRT

Basic


OptionsHNOFLOHEADNG1HEADNG2

BASVars

TextDoubleTextText

LayerAM_IBOUNDAM_STRT

BasicArrayMult


MODFLOW_VersionDataModelVersion

MDFGlobals

TextText

Global Settings

FileTypeNunitFnameUse

NameFile

TextLong Int.TextShort Int.


HydroIDHydroCodeIJ

Cell2D

Long Int.TextLong Int.

HydroIDHydroCodeIJ

Node2D


HydroIDHydroCodeIJK

Cell3D


HydroIDHydroCodeIJK


Node3D

IJKIJIJK

CellIndex

Long Int.Long Int.Long Int.Long Int.Long Int.

Discretization (DIS)

DirectionNumWidth

DELRC

TextLong Int.Double

IJKTopElev

TopElev

Long Int.Double

IJKBotmElevBotmElevCBD

BotmElev

Long Int.DoubleDouble

SPIDPERLENNSTPTSMULTSSorTrRIV_ITMPWEL_ITMPDRN_ITMPGHB_ITMPCHD_ITMPRCH_INRECHRCH_INIRCHEVT_INSURFEVT_INEVTREVT_INEXDPEVT_INIEVT

StressPeriods

Long Int.DoubleLong Int.DoubleTextShort Int.Short Int.Short Int.Short Int.Short Int.Short Int.Short Int.Short Int.Short Int.Short Int.Short Int.

LayerLAYCBDAM_TopElevAM_BotmElevAM_BotmElevCBD

DISLayers

Long Int.Short Int.DoubleDoubleDouble

NLAYNROWNCOLITMUNILENUNIRefTime

DISVars

Long Int.Long Int.Long Int.Short Int.Short Int.Date

Output Control (OC)

IBCFCBILPFCBIRIVCBIWELCBIDRNCBIGHBCBIRCHCBIEVTCB

CBFlags

Short Int.Short Int.Short Int.Short Int.Short Int.Short Int.Short Int.Short Int.

IHEDFMIDDNFMIHEDUNIDDNUNIBDOPTIAUXSV

OCVars

Short Int.Short Int.Long Int.Long Int.Long Int.Short Int.

SPIDTSNumIHDDFLIBUDFLICBCFLHdprDdprHdsvDdsv

OCTS

Long Int.Long Int.Short Int.Short Int.Short Int.Short Int.Short Int.Short Int.Short Int.

SEN, PES Processes

ISENALLIUHEADIPRINTSISENSUISENPUISENFM

SEN

Short Int.Short Int.Short Int.Short Int.Short Int.Short Int.

MAXITERMAXCHANGETOLSOSCIBEFLGIYCFLGIOSTARNOPTNFITSOSRRMARRMARMIAPIPRCOVIPRINTLPRINTCSAFCONVLASTX

PES

DoubleDoubleDoubleDoubleShort Int.Short Int.Short Int.Short Int.Long Int.DoubleDoubleDoubleShort Int.Short Int.Short Int.Short Int.DoubleDoubleDouble

Layer-Property Flow (LPF)

HDRYWETFCTIWETITIHDWET

LPFVars

DoubleDoubleLong Int.Short Int.

LayerLAYTYPLAYAVGCHANILAYVKALAYWETAM_HKAM_HANIAM_VKAAM_SsAM_SyAM_WETDRYAM_VKCB

LPFLayers

Long Int.Short Int.Short Int.DoubleShort Int.Short Int.DoubleDoubleDoubleDoubleDoubleDoubleDouble

IJKHKHANIVKASsSyWETDRYVKCB

LPFProperties

Long Int.DoubleDoubleDoubleDoubleDoubleDoubleDouble

MODFLOW 2000-USGS

Module: Modflow Analyst

module: MOFLOW Data Model

•la recharge (RCH),

•l’exploitation (WEL),

•La rivière (RIV),

•le drainage (DRN) et

•Evapotranspiration (EVT)

PMWIN

(MODFLOW-USGS)

Fichiers d’entrés /sorties:

-Données rasters (ASCII)

-Fichiers (.dat)

Des entités de classes qui représentent

les données de simulation

(Domaine, Cellule 2D et 3D, Noeuds ) Un jeu de Données entrés /sorties

- Tables attributaires

Un modèle de « Géodatabase » Même Approximation de l'équation

d'écoulement par les différences finies

Le même schéma numérique

Les modules sont groupés dans les paquets qui traitent des aspects simples de la simulation:

Ces paquets ont été employés dans cette étude.

15Hazar BOUZOURRAA

III. Modèle conceptuel de la Géodatabase

le domaine, les classes d’entités, les tables attributaires, La topologie, les relations,

les sous-type ont été créés dans la « Géodatabase »

16Hazar BOUZOURRAA

III. Modélisation de la nappe de Ghar el Melh -Aousja -Utique

État de référence

-Année de 1972 état piézométrique établi à partir de 42observations de puits de surface.

Fig. - Amélioration de l’état piézométrique de référence ( Avril 1972 )

Écoulement en régime permanent

* Équation de l’écoulement:

* Méthode numérique:

Des différences finis

17Hazar BOUZOURRAA

Fig.26- Modèle conceptuel : Discrétisation du domaine en mailles carrées spatialisée « 2D » et les conditions aux limites

III.1.Conceptualisation du modèle hydrogéologique

- Nœuds 2D

- Cellule 2D

Discrétisation du domaine en mailles carrées

Spatialisées « 2D »

Dimensions adoptés de chaque maille carrée :

100 m x 100 m

Type est « confiné »

Système aquifère Plio-Quaternaire considéré comme un seul domaine en continuité hydraulique (monocouche).

18Hazar BOUZOURRAA

III.2.Les conditions aux limites et le processus de calibration

charge imposée pour h=cte

condition de Dirichlet

condition de Neumann

ET est une fonction linéaire qui dépend de La hauteur d’extinction et de la surface topographique ( MNT raster)

Paquets: -flux de recharge

-flux d’exploitation-flux d’évaporation

Charge imoséepour h=0

19Hazar BOUZOURRAA

-Les résultats sont exprimés sous la forme :

De différences entre les valeurs mesurées et calculées aux points de mesures et par comparaison des

cartes piézométriques de référence et calculée .

Fig.28. Hauteurs piézométriques calculées en fonctions de celles observées dans les points de mesure

D’un bilan de différents flux d’eau échangés entre la nappe et son environnement .

III.3.Résultats du calage

20Hazar BOUZOURRAA

Tableau 1- Bilan des flux d’entrée- sortie

le flux d’eau sortant par évaporation correspond à un débit de 40 m3/an/ha.

Le taux de sels laissé par l’eau évaporée dans 1m2 correspond à 128 g/an/m2.

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Conclusion et perspectives

Hazar BOUZOURRAA

Au terme de cette étude hydro chimique, nous pouvons conclure que :

Le modèle hydrogéologique de la nappe a permis de vérifier la cohérence des modèles géologiques et hydrogéochimiques et de valider les données acquises, bien que calibrées uniquement en régime permanent de l’écoulement .

Ce modèle peut servir de base à modéliser le transport des polluants et des sels dans cette nappe.

Nous avons mis une méthodologie qui intègre le modèle d'écoulement d'eaux souterraines et la technologie de GIS pour pour l’optimisation des ressources en eaux de la .

l’hétérogénéité des faciès géochimiques et la qualité médiocre des eaux souterraines sont dues aux facteurs sédimentaires, propres à l’aquifère : présence d’évaporites sédimentaires et abondance d’argiles.

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Merci de votre attentionMerci de votre attention

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Hazar BOUZOURRAA

Documents

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