The groundwater flow in aquifers contain evaporite rocks can cause problems such as geo-mechanical subsidence or collapse. In this work, we focus on the development of numerical models to simulate the flow in porous and non-porous domains in order to study the dissolution phenomenon and fractures evolution over time. The first part of this thesis is devoted to developing new solutions for the validation of numerical models to simulate density driven flow in porous media. The new procedure consist of solving simultaneously the flow and the transport equations using the Levenberg-Marquardt algorithm. The use of this technique allowed us to develop, for the first time, semi-analytical solutions of saltwater intrusion in the case of small diffusion and in the case of a large density contrast. In the second part of this work, we studied the flow in evaporitic rocks. A numerical code was developed to solve the nonlinear system using advanced numerical methods. To validate this new model, we have developed a semi-analytical solution for the density Stokes flow. The third part of this work is devoted to transport with dissolution of rock salt. As a first step, we studied the influence of various parameters on the dissolution of salt in Adlertunnel located at a depth of 160 m in the region of Basel in Switzerland. In a second step, we are interested in the simulation of the fracture's evolution as a result of the dissolution. The numerical model takes into account the Stokes flow and mass transport effects and dissolution of the fracture walls.

Le bassin crétacé de Tsagaan Els est situé dans le désert de Gobi en Mongolie. L’objectif de cette thèse est de mieux comprendre le fonctionnement hydrogéologique et hydrochimique de ce bassin endoréique afin de faciliter l’implantation de futurs projets miniers. Dans cette optique, un modèle hydrogéologique régional 3D a tout d’abord été développé sous MODFLOW. La calibration à partir des niveaux piézométriques mesurés sur les ouvrages présents au sein des licences et quelques puits nomades, aboutit à plusieurs solutions. Elles présentent chacune des conductivités hydrauliques en accord avec les tests de pompages, et des taux de recharge entre 0.6 et 3.1 mm/an, cohérents avec le climat actuel. Ce modèle a ainsi permis d’étendre nos connaissances piézométriques au-delà des licences et d’effectuer un bilan hydrique régional. Ensuite, l’âge des eaux a été estimé numériquement via ce modèle puis par des datations 14C. Une comparaison des résultats de ces méthodes a indiqué que les solutions présentant des taux de recharges élevés étaient plus probables que celles en présentant de plus faibles à conditions que les écoulements soient restés les mêmes durant les trente derniers milliers d’années. En parallèle, une étude hydrochimique portant sur les ions majeurs, le brome et les isotopes stable de l’eau (18O et 2H) a montré que l’origine de la salinité des eaux était principalement liée à la dissolution d’évaporites superficielles. En dernier lieu, un modèle 3D local, centré sur la playa terminale du bassin a permis de mieux comprendre le fonctionnement actuel et passé du bassin en s’appuyant sur l’évolution spatiotemporelle de la salinité. / The Tsagaan Els basin is located in the Gobi desert, in Mongolia. This thesis aims to better understand the hydrogeology and hydro-chemistry of the basin in order to optimize the future mining projects. To this end, a 3D groundwater flow model of the basin has first been developed under MODFLOW. The latter was calibrated using piezometric network data and levels in a few nomadic wells. Several solutions were found with hydraulic conductivity values in agreement with pumping tests and recharge rates between 0.6-3.1 mm/yr in agreement with the current climate. The model helped us to extend our piezometric knowledge beyond AREVA’s mining licenses and to establish a regional water balance model. Groundwater age was then estimated with this model and with 14C dating. A comparison of the results of these two methods showed that calibrated solutions with higher recharge are more likely than those with lower recharge under the hypothesis that groundwater flow has not changed significantly during the last 30 kyrs. Meanwhile, a hydrochemical study using major ions, bromines and the stable isotopes of water (18O and 2H) showed that groundwater salinity mainly comes from dissolution of surficial evaporites: likely gypsum and halite and possibly thenardite. Even though evaporation is the main driving force of the groundwater flow, this process, when taking place in subsurface, seems to have no real influence on δ18O and δ2H values of the groundwater. Last a 3D local groundwater flow model centered on the terminal playa and based on the spatiotemporal evolution of the salinity, led us to a better understanding of the past and current hydrogeological functioning of the basin.

La circulation de l’eau souterraine dans les aquifères contenants des roches évaporitiques peut provoquer des problèmes géo-mécaniques tels que l'affaissement du sol ou l'effondrement. Dans ce travail, nous nous intéressons au développement de modèles numériques permettant de simuler les écoulements dans les milieux poreux et non poreux ainsi que les phénomènes de dissolution et d’évolution des fractures dans le temps. La première partie de cette thèse est consacrée au développement de nouvelles solutions pour la validation des modèles numériques simulant les écoulements densitaires en milieux poreux. La nouvelle procédure consiste à résoudre simultanément les deux systèmes d’écoulement et de transport en utilisant l’algorithme de Levenberg-Marquardt. L’utilisation de cette technique nous a permis de développer, pour la première fois, des solutions semi-analytiques d’intrusion d’eau salée dans le cas de faible diffusion ainsi que dans le cas d’un grand contraste de densité. Dans la deuxième partie de ce travail, nous nous sommes intéressés aux écoulements dans les fractures des roches évaporitiques. Un code de calcul a été développé pour résoudre ce système non linéaire en utilisant des méthodes numériques adaptées. Pour valider ce nouveau modèle, nous avons développé une solution semi-analytique pour les écoulements densitaires de Stokes. La troisième partie de ce travail est consacrée au transport avec dissolution de la roche salée. Dans un premier temps, nous avons étudié l’influence de différents paramètres sur la dissolution du sel dans l’Adler tunnel situé à une profondeur de 160 m dans la région de Bâle en Suisse. Dans un second temps, nous nous sommes intéressés à la simulation de l’évolution dune fracture sous l’effet de la dissolution. Le modèle numérique développé prend en compte les écoulements de Stokes ainsi que le transport de masse avec effets densitaires et la dissolution des parois de la fracture. / The groundwater flow in aquifers contain evaporite rocks can cause problems such as geo-mechanical subsidence or collapse. In this work, we focus on the development of numerical models to simulate the flow in porous and non-porous domains in order to study the dissolution phenomenon and fractures evolution over time. The first part of this thesis is devoted to developing new solutions for the validation of numerical models to simulate density driven flow in porous media. The new procedure consist of solving simultaneously the flow and the transport equations using the Levenberg-Marquardt algorithm. The use of this technique allowed us to develop, for the first time, semi-analytical solutions of saltwater intrusion in the case of small diffusion and in the case of a large density contrast. In the second part of this work, we studied the flow in evaporitic rocks. A numerical code was developed to solve the nonlinear system using advanced numerical methods. To validate this new model, we have developed a semi-analytical solution for the density Stokes flow. The third part of this work is devoted to transport with dissolution of rock salt. As a first step, we studied the influence of various parameters on the dissolution of salt in Adlertunnel located at a depth of 160 m in the region of Basel in Switzerland. In a second step, we are interested in the simulation of the fracture’s evolution as a result of the dissolution. The numerical model takes into account the Stokes flow and mass transport effects and dissolution of the fracture walls.

Lieu de développement économique et démographique intense, les zones littorales font l'objet de pressions importantes sur l'environnement et, en particulier, sur les ressources en eau. Bien que la gestion des eaux souterraines côtières bénéficie de nombreux résultats issus de la recherche scientifique, une des problématiques majeures reste la connaissance de la géométrie des aquifères. Des interprétations géologiques de la genèse du bassin Plio-Quaternaire du Roussillon, issues de la stratigraphie séquentielle, sont confrontées, par l'intermédiaire d'une base données, à l'hydrogéologie de cet hydrosystème complexe localisé sur la partie littorale des Pyrénées-Orientales. L'étude statistique des points de prélèvement (distribution des crépines, productivité des forages...), l'analyse fonctionnelle (traitement du signal des chroniques piézométriques), l'hydrochimie et la géophysique électrique ont été utilisées afin d'élaborer un modèle conceptuel hydrogéologique des écoulements à l'échelle du bassin et de son prolongement vers le domaine offshore. La présence de la mer, de zones à salinité résiduelle et de cours d'eaux littoraux contribue à augmenter la salinité d'un aquifère libre supérieur (Quaternaire) sus-jacent aux différents aquifères captifs (Pliocène) exploités pour l'eau potable dans la zone littorale. La vulnérabilité face aux intrusions salines de cette ressource de bonne qualité, tant sur le point de vue quantitatif que qualitatif est appréhendée par modélisation. Dans le domaine offshore, le rôle protecteur des formations géologiques à faible et moyenne perméabilité est mis en évidence vis-à-vis de la préservation de la qualité de l'eau potable.