Cette thèse est une contribution à la connaissance des impacts, quantitatifs et qualitatifs, liés à la déprise minière de la région d'Alès. Le travail a consisté en l'analyse et l'interprétation de données quantitatives et qualitatives des eaux d'émergences des anciennes mines de charbon du bassin alésien afin de connaître la composition chimique des eaux d'émergences et de l'expliquer. Pour cela, nous avons utilisé des Analyses en Composantes Principales (ACP), des diagrammes de Piper et de Schoeller-Berkalov sur l'ensemble des émergences. Dans un deuxième temps, nous avons réalisé une analyse de l'évolution temporelle des concentrations de chaque élément pour les émergences où les données sont disponibles. L'aspect quantitatif est étudié grâce à une synthèse des connaissances disponible sur le réservoir minier de Fontanes (géologie, répartition spatiale, données de pompage et de niveaux piézométriques).<br />Certaines émergences présentent une qualité qui rend impossible leur rejet direct dans l'environnement et il est important dans cette situation de bien définir la masse d'eau concernée. Pour cela, nous avons élaboré un modèle hydrodynamique par automates séquentiels. Il est appliqué aux anciens travaux de Rochebelle-St-Martin, aboutissant à la détermination des paramètres perméabilité et épaisseur du réservoir par reconstitution du niveau piézométrique du réservoir tout en tenant compte d'un pompage encore maintenu dans l'exploitation. Cette modélisation permet de mieux connaître les paramètres définissant l'aquifère minier dans la perspective d'exploiter cette réserve. Ces eaux de mines présentent une qualité médiocre. A partir d'une meilleure connaissance hydrodynamique du système, obtenue par la modélisation, il devient possible de proposer une valorisation de cette eau par utilisation de ses calories en géothermie connaissant la géométrie du réservoir minier. Les anciennes exploitations minières sont à nouveau source d'énergie.

L'utilisation couplée de la géophysique, de traçages d'essais, de bilan hydrique, de la géologie, de l'hydrogéologie, et d'analyse statistique sur les données physico-chimiques a permis de mettre en évidence -des infiltrations de lixiviats comprises entre 31 et 43% à travers une interface naturelle shisteuse, et > à 45% à travers une barrière artificielle géomembranaire, -et un impact localisé sur le réseau piézométrique existant. Les lixiviats récoltés sont traités par lagunage naturel. Suite à l'arrêt des dépôts, l'activité de biodégradation diminue et engendre une baisse de la nocivité des lixiviats bruts, modifiant ainsi le fonctionnement hydrobiologique des lagunes. On note une diversification de l'ensemble des composants de la boucle microbienne assurant le recyclage de la matière. La structuration de la pyramide trophique a permis d'atteindre en dernière lagune, un écosystème viable pour la faune piscicole. Les lixiviats traités subissent une seconde épuration naturelle dans le ruisseau récepteur. Une approche bactériologique des lixiviats, des lagunes et des eaux souterraines a permis d'évaluer la survie des bactéries fécales dans ces différents milieux. Cette décharge ne constitue pas une source importante de bactéries fécales. L'étude de ce site où lixiviats de décharge et apports de fosse septique se mélangent confirme le rôle d'Escherichia coli et des Entérocoques comme marqueurs de contamination fécale assez récente. L'aquifère schisteux s'apparente plus à un aquifère fracturé qu'à une zone imperméable, avec une circulation préférentielle le long de fractures qui n'assure pas une filtration et en font un aquifère vulnérable aux contaminations bactériennes.

L'objectif de ce travail est de préciser les processus responsables de la salinisation des aquifères côtiers captifs en réponse aux variations du niveau marin (passées, futures) et aux pressions anthropiques. <br />Cette étude a été réalisée sur l'aquifère profond captif de Camargue dans le cadre de l'ORE RESYST. Cet aquifère présente des salinités élevées atteignant celle de la Méditerranée à proximité de la côte. Deux approches ont été menées conjointement : (i) une étude hydrodynamique en régime permanent et transitoire pour préciser le fonctionnement hydrogéologique de l'aquifère (flux, conditions aux limites, propriétés hydrodynamiques) et (ii) un suivi des traceurs naturels hydrochimiques et isotopiques (18O, 2H, 13C CMTD, 3H et 14C CMTD) permettant de déterminer l'origine de la salinité de l'aquifère. <br /> Ce travail a mis en évidence le rôle de la partie libre de l'aquifère (aquifère de Crau) dans l'alimentation de l'aquifère captif. La forte augmentation de la salinité de l'aquifère captif depuis 1969 est ainsi principalement reliée à des baisses de charge naturelles ou anthropiques de l'aquifère de Crau. L'aquifère captif est soumis à des transferts de pression rapide depuis la mer mais également le Rhône qui s'accompagnent de transferts de masse très lents. En s'appuyant sur les rapports ioniques et isotopiques, ce travail a permis de démontrer que les fortes salinités de l'aquifère captif s'expliquent par un mélange eau douce/eau de mer fortement modifié par des interactions géochimiques : échanges de bases, processus de dégradation de la matière organique sédimentaire (sulfato-réduction, méthanogénèse), phénomènes de précipitations. Le temps moyen de séjour des eaux, supérieur à une cinquantaine d'année, témoigne de l'influence d'une intrusion marine ancienne en relation avec la dernière transgression marine (Holocène supérieur).

La modélisation hydrogéologique est un outil puissant de compréhension de nombreux<br />processus mettant en jeu le transport d'eau et de matière en milieu poreux souterrain. La<br />problématique du devenir du combustible nucléaire en fin de cycle, à forte activité<br />radiologique et à longue durée de vie, a donné de l'élan à la recherche sur cette<br />thématique. L'objectif de la recherche est de montrer, grâce à la modélisation, la<br />faisabilité et la sûreté de différents scenarios comme le stockage quasi-définitif de<br />milliers de conteneurs dans de vastes réseaux de galeries souterraines, creusées dans des<br />couches géologiques profondes et peu perméables, ou leur entreposage sur quelques siècles<br />dans des sites plus proches de la surface en attendant de leur trouver un usage ou une fin<br />plus définitive.<br /><br />Dans ce contexte, ce rapport de thèse retrace quelques unes des approches complexes mises<br />en oeuvre dans la modélisation de processus élémentaires concourant au transport d'eau<br />et de polluant en milieu poreux. La complexité est envisagée dans les processus mis en<br />jeu, dans la structure du milieu et dans les méthodes numériques déployées. <br /><br />Thermo-hydraulique<br /> <br />La physique complexe de l'écoulement diphasique eau/air, couplé à la thermique, est<br />exposée théoriquement en partie I, à l'aide d'un modèle thermodynamique après avoir<br />précisé et critiqué quelques concepts comme le potentiel de l'eau, la charge hydraulique<br />d'une phase gazeuse, la pression capillaire, la loi de Fick, l'osmose, etc. Un modèle<br />numérique simplifié à trois équations de conservation (eau, air, et enthalpie) est exposé,<br />y compris dans sa dégénérescence à un seul constituant ou une seule phase. Il est mis en<br />oeuvre pour simuler le fonctionnement d'un dispositif expérimental, appelé MASCILIA,<br />reproduisant dans son principe l'entreposage géologique d'un container de déchets<br />radioactifs de haute activité. Il consiste en un chauffage localisé d'un bac de sable<br />rempli d'eau, et le suivi du développement d'une "bulle" de vapeur. On montre comment<br />s'entretient un échange de chaleur par effet caloduc à l'interface de cette bulle et du<br />milieu poreux encore saturé d'eau.<br /><br />Milieux hétérogènes<br /> <br />La complexité peut aussi découler de l'hétérogénéité du milieu poreux. La Méthode de<br />Monte-Carlo permet de générer des réalisations de milieux aléatoires connaissant leur<br />structure statistique. On applique cette méthode, en partie II, à des milieux<br />sédimentaires (non fracturés) afin, par l'intermédiaire de modèles stochastiques, de<br />comprendre l'impact des hétérogénéités sur la réponse d'un milieu naturel à diverses<br />sollicitations. L'influence de la proximité, en 2D, de frontières déterministes (comme des<br />conditions aux limites) sur la structure statistique des grandeurs associées à<br />l'écoulement et au transport a été caractérisée (chapitre 2). Elle peut être très<br />importante, tant sur la charge hydraulique et la vitesse de Darcy que sur l'étalement<br />longitudinal ou transversal d'un panache de traceur. Ces effets sont sensibles également à<br />la nature (charge ou flux) de la condition imposée aux limites. On met en évidence<br />numériquement ces particularités et on en démontre une partie théoriquement. Cette analyse<br />est importante pour l'interrogation numérique du concept de dispersivité.<br /><br />La dispersivité est une mesure de l'étalement de type diffusif d'un panache au fil du<br />temps. Son intérêt est mis à l'épreuve au chapitre 3, avec la même méthodologie que<br />précédemment, d'écoulements moyens non uniformes (tournant, radial convergeant vers un<br />puits, dipolaire entre deux puits). Elle s'avère dépendre étroitement du type d'écoulement<br />et n'est donc pas une caractéristique intrinsèque au milieu poreux. De plus, elle ne rend<br />compte que de la partie gaussienne de l'étalement spatial des panaches, quand précisément<br />cet étalement est en réalité fortement dissymétrique en présence de puits. L'existence<br />d'une telle singularité de l'écoulement a pour conséquence que la dispersivité n'atteint<br />pas de valeur asymptotique. Ainsi, tout calage d'une dispersivité sur la base d'essais de<br />traçage entre puits est sans rapport avec la réalité des processus<br />dispersifs. Paradoxalement, et dans le cas précis d'un seul puits de pompage, il se trouve<br />toutefois que la dispersivité calée rend bien compte de la dispersivité que le milieu<br />exhiberait si l'écoulement était uniforme.<br /><br />Transport particulaire<br /><br />Ces études numériques s'appuient sur le développement de méthodes sophistiquées de<br />résolution d'équations d'écoulement et de transport. On détaille ainsi, chapitre 4, un<br />algorithme de transport particulaire avec convection, diffusion et dispersion. Aux sauts<br />élémentaires de convection s'ajoutent des sauts aléatoires (bruit blanc) engendrant de la<br />diffusion. C'est le principe de la marche aléatoire. L'originalité de l'algorithme réside<br />dans la localité des sauts, que l'on limite à chaque maille par calage du pas de temps en<br />résolvant une équation du second degré en racine de Delta t. On évite ainsi un léger<br />biais positif sur les sauts diffusifs entre mailles.<br /><br />Géochimie simplifiée<br /><br />On aborde enfin au chapitre 5, en l'illustrant sur un cas-test, la modélisation du<br />transport d'espèces disparaissant par décroissance radioactive, pouvant aussi être<br />dissoutes, adsorbées ou précipitées. Cette situation, mathématiquement fort générale, se<br />rencontre notamment lors de la lixiviation de la matrice d'oxyde d'uranium constituant les<br />barres de combustible nucléaire, lorsque l'eau souterraine a achevé de corroder les<br />conteneurs. On compare plusieurs algorithmes calculant, par point fixe, l'équilibre de<br />dissolution dont la cinétique peut être au choix instantanée, linéaire ou imposée. Les<br />critères de stabilité et de précision sont exposés, ainsi que les manières de les<br />satisfaire ou de les contourner. Des effets indésirables de sur-précipitation amont ou de<br />concentration négative en aval des fronts de précipitation surviennent lorsque les<br />contrastes de solubilité sont importants.

Les variations climatiques et géomorphologiques, principaux moteurs de l'évolution récente du système aquifère du Bassin parisien, se traduisent par une modification des conditions aux limites dont la caractérisation et l'évaluation de l'impact hydrodynamique sont l'objectif de cette thèse. Une simulation transitoire des écoulements souterrains a ainsi été conduite sur les cinq derniers millions d'années à l'aide d'un modèle hydrogéologique 3D, sous l'action de forçages paléoclimatiques et géodynamiques. L'évolution du climat est issue de la mise en œuvre d'un modèle de circulation générale atmosphérique zoomé et la quantification des processus morphologiques, d'une méthode d'analyse des modèles numériques de terrain. La modélisation met en évidence des charges transitoires dans les aquitards et les aquifères profonds et des inversions de direction de drainance au sein du système à l'actuel, fonction du jeu de paramètres hydrodynamiques et du scénario climatique et géomorphologique.

Le point de départ de cette thèse est le constat suivant : les modèles prédictifs de transfert dans les milieux souterrains, souvent basés sur une représentation de type milieu poreux homogène, ne sont pas adaptés aux milieux naturels, qui sont caractérisés au contraire par une forte hétérogénéité des vitesses écoulement à toutes les échelles. La grande incertitude qui existe actuellement sur la prédiction des transferts et des temps de résidence dans ces systèmes ne provient pas seulement de l'incertitude sur la paramétrisation des modèles mais également de l'incertitude sur leur formulation même, liée aux hypothèses effectuées sur la représentation des distributions de vitesses d'écoulement. Pour aborder ce problème, les objectifs principaux de cette thèse étaient, d'une part de développer des méthodes de mesure in situ adaptées à la caractérisation de l'hétérogénéité des écoulements et de leur organisation, et d'autre part de mener une étude théorique sur la représentation de l'organisation des écoulements dans les modèles prédictifs. Cette thèse a été effectuée dans le cadre des projets européens SALTRANS (2000-2004) et ALIANCE (2001-2005) et du réseau national de sites hydrogéologiques de l'Observatoire de Recherche en Environnement H+.<br />Trois résultats principaux ont été obtenus. (1) Nous avons tout d'abord apporté une démonstration du caractère fractal des écoulements dans les aquifères fracturés à partir de tests hydrauliques. Cette approche permet de définir un modèle équivalent permettant de rendre compte du comportement hydraulique moyen d'un site naturel sur une large gamme d'échelles de temps et d'espace. (2) Du point de vue de la caractérisation expérimentale de la variabilité des vitesses d'écoulement, nous avons mis en oeuvre des méthodes de mesure de vitesse d'écoulement en forage, en collaboration avec Frederick Paillet (University du Maine, USA). Nous avons proposé et testé une méthode d'inversion de ces mesures permettant d'imager les chemins d'écoulement et de quantifier leurs propriétés hydrauliques à différentes échelles sur les sites naturels. (3) Enfin, à partir d'une étude numérique destinée à simuler les écoulements et le transport de soluté dans des champs de perméabilité hétérogènes, nous avons proposé une nouvelle méthode permettant de quantifier l'organisation des écoulements. Les résultats obtenus concernant l'analyse détaillée de la structure de corrélation du champ de vitesse permettent de mettre en question les hypothèses utilisées dans les modèles de transport de solutés, en vue de progresser vers une représentation plus réaliste des distributions de vitesse dans ces modèles.

Cette étude concerne le synclinal d'Autrans-Méaudre dans le massif du Vercors. Les affleurements miocénes, calcaires et l'hydrogéologie karstique sont particuliérement étudiés.

Cette thèse étudie les formations quaternaires , molassiques et l'hydrogéologie de la basse vallée de l'Arve.

L'étude détaillée de la cuvette du Lac de Paladru , des hautes vallées de la Fure et de l'Ainan est entreprise sous l'angle géophysique, géomorphologique et hydrogéologique.

Ce travail concerne le massif du Dévoluy sous l'aspect géologique et hydrogéologique.