A methodology for detecting and characterizing hydraulic short-circuits due to improperly sealed boreholes

Une approche théorique et expérimentale a été développée pour la détection de courtscircuits hydrauliques et la quantification de la contamination croisée dans le contexte de deux aquifères séparés par un aquitard et interceptés par un forage. De tels écoulements peuvent être dus, par exemple, à un défaut de scellement de puits de pompage ou de puits d'observation et peuvent avoir de graves conséquences économiques et de santé publique si l'aquifère inférieur est exploité pour la production d'eau de consommation. L'approche envisagée s'insère dans une perspective de développement durable et de préservation des ressources en eau. Le projet de recherche a consisté à développer et tester d'une part un protocole technique de détection des courts-circuits hydrauliques, et d'autre part une application mathématique pour caractériser et quantifier l'importance des débits de fuite engendrés par les courts-circuits hydrauliques. La méthode a été testée et validée par des modélisations numériques, des expériences de laboratoire à petite échelle, et à grande échelle sur un site de recherche expérimental. La méthode consiste en la réalisation de séries de pompages successifs à débits variables dans l'aquifère inférieur pour lesquelles les débits de fuite associés sont évalués. Le débit de fuite est déterminé à partir d'un essai de traçage non réactif. À chaque palier de pompage, un traceur est injecté en continue et à concentration constante dans un piézomètre installé dans l'aquifère supérieur. Si un défaut de scellement existe, le traceur s'écoulera à travers celui-ci et pourra être récupéré en sortie de pompage dans l'aquifère inférieur. Les équations présentées décrivent la relation existant entre le débit de fuite, la concentration d'injection du traceur, le débit de pompage et la concentration stabilisée mesurée en sortie de pompage. Des propriétés hydrauliques et géométriques du défaut de scellement peuvent ensuite être déterminées. La méthode a été testée sur le terrain, sur le site expérimental de Sorel au Québec, caractérisé par l'existence d'un système aquifère à nappe libre/aquifère à nappe captive séparé par un aquitard. Plusieurs forages ont été réalisés pour lesquels des défauts de scellement artificiels ont été créés. Les essais de terrain ont consisté à injecter une solution diluée de lithium dans l'aquifère à nappe libre et à réaliser une série de pompage dans l'aquifère à nappe captive. Les concentrations en lithium recueillies ont alors été utilisées pour les prédictions des débits de fuite. Les propriétés hydrauliques et géométriques des défauts de scellement ont ensuite été déterminées Les résultats obtenus ont alors été confrontés avec les caractéristiques in situ connues des défauts de scellement. La méthode proposée présente plusieurs avantages. Elle est relativement simple et peu coûteuse pour une application sur le terrain, aussi bien pour tester de nouveaux puits ou d'anciens puits déjà en place. Le piézomètre, qui fonctionne également en puits d'injection, peut être installé dans le même trou de forage que le puits (dans le cas de l'installation d'un nouveau puits) ou bien être installé dans un autre forage à proximité du puits (dans le cas d'un puits déjà en place). Le puits de pompage lui-même permet de recueillir les eaux marquées. Une limite pour l'application de la méthode est à relever. Elle concerne le contraste de conductivité hydraulique entre le défaut de scellement et l'aquitard. Il a été montré numériquement que pour un bon fonctionnement de la méthode, la conductivité hydraulique de l'aquitard doit être au moins de deux ordres de grandeur plus faible que la conductivité hydraulique du défaut de scellement. La théorie sur laquelle se base la méthode suppose que l'écoulement à travers l'aquitard est négligeable par rapport à celui du défaut de scellement. Dans le cas contraire, la méthode ne permettra pas une bonne évaluation des débits de fuite à travers le défaut de scellement. Bien que des hypothèses doivent être réalisées, la méthode fonctionne dans un cadre très général de système aquifères/aquitards. Enfin, il est à signaler que les propriétés du défaut de scellement pouvant évoluer dans le temps, l'importance de la contamination croisée est susceptible d'être modifiée. C'est pourquoi un puits suspect pourrait être amené à être retesté. Si le protocole est suivi et que les hypothèses sont respectées, la méthode développée constitue une approche très pratique et très fiable pour la détection et la caractérisation de courts-circuits hydrauliques engendrés par des défauts de scellement de puits.

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