Estimation de la conductivité hydraulique des zones discrètes de réseaux de fractures à partir des charges hydrauliques : application au bassin versant du N’zo (ouest de la Côte d’Ivoire) Estimating hydraulic conductivity of discrete zones from fracture networks using hydraulic head observations: Application to the N’zo watershed (western Côte d’Ivoire)

Résumé

L’estimation de la conductivité hydraulique d’un aquifère de socle à l’échelle régionale demeure un défi majeur. À cette échelle, les données sont rares, en quantité et en qualité. Cette étude propose une approche d’estimation de la conductivité hydraulique des aquifères de socle à partir de la calibration d’un modèle d’écoulement au moyen des charges hydrauliques. Elle est appliquée au bassin du N’zo couvrant une superficie de 4 300 km². La méthodologie adoptée fait l’hypothèse que la perméabilité de l’aquifère est liée à des fractures verticales, perméables sur 100 m à partir de la surface. Elle fait aussi l’hypothèse que ces fractures peuvent être identifiées sous forme de linéaments et que tous les linéaments sont des fractures et sont perméables. La première étape de cette méthodologie est la cartographie des zones discrètes de perméabilité de l’aquifère. Elles sont identifiées à partir de l’analyse de la densité et l’orientation des « fractures » à l’échelle de mailles de travail. Les fractures sont assimilées aux linéaments cartographiés à partir d’une image radar. Six configurations spatiales de zones discrètes de perméabilité sont générées avec des mailles carrées de 2 à 12 km de côté. La deuxième étape porte sur la construction du modèle numérique d’écoulement à partir des limites extérieures du bassin versant, du MNT (Modèle numérique de terrain), du réseau hydrographique et d’une recharge uniforme. Enfin, la troisième étape consiste à transférer chaque configuration de zones discrètes de perméabilité générée au sein du modèle numérique d’écoulement, puis à le calibrer en régime permanent au moyen de charges hydrauliques observées ponctuellement (86 points de mesure). Les résultats indiquent que le modèle optimal de distribution spatiale des zones discrètes de perméabilité est obtenu avec les mailles de 4 km de côté. Les conductivités hydrauliques calculées oscillent entre 1,1 x 10^-6 et 2,4 x 10^-5 m∙s^-1. Cependant, ces valeurs doivent être prises avec précaution, car l’identification des zones homogènes du réseau de fractures est basée sur l’approche très controversée des linéaments et la calibration est effectuée seulement avec des charges hydrauliques et non avec des flux. Le modèle conceptuel ainsi élaboré pourrait être amélioré en caractérisant l’hétérogénéité de l’aquifère de socle à partir d’autres hypothèses telles que la lithologie et par l’introduction d’autres types de données dans la calibration (ex. : débits, carte piézométrique).

Mots-clés :

• Aquifère de socle,
• zones discrètes de perméabilité,
• conductivité hydraulique,
• charges hydrauliques,
• calibration,
• bassin versant du N’zo

Abstract

Estimating the hydraulic conductivity of hard rock aquifers at a regional scale remains a major challenge. At this scale the data are scarce in quantity and quality. This paper provides an approach to estimate the hydraulic conductivity of hard rock aquifers from the calibration of a numerical model using hydraulic heads. This approach is applied to the N’zo watershed, which extends over an area of 4 300 km². The methodology assumes that the permeability of the aquifer is related to vertical fractures, which are permeable over a depth of 100 m down from the surface. It is also assumed that these fractures can be identified as fault lines and all fault lines are fractures and are permeable. The first step of this methodology is mapping the permeability in discrete zones of the hard rock aquifer. These are identified from analysis of the density and orientation of « fractures » at the mesh scale, which represent the work scale. The fractures are linked to fault lines that are mapped from a radar image. Six spatial configurations of discrete permeability zones are generated with mesh sizes from 2 to 12 km. The second step concerns the construction of the numerical model from the external limits of the watershed, the DEM (Digital elevation model), the river network and a uniform recharge. Lastly, the third step consists of transferring each configuration of the discrete permeability zones to the numerical model and calibration in a steady-state flow simulation, using hydraulic heads. The hydraulic heads are observed at 86 discrete measurement points. The results indicate that the optimal model of discrete permeability zones is obtained with a mesh of 4 km. Calculated hydraulic conductivities oscillate between 1.1 x 10^-6 and 2.4 x 10^-5 m∙s^-1. However, these values should be taken with caution because the identification of the homogeneous zones from the fracture network is based on the controversial approach of using fault lines and the calibration is performed only with hydraulic heads and not with hydraulic fluxes. The conceptual model developed in this work could be improved by characterizing heterogeneity of the hard rock aquifer from other assumptions such as lithology and by the introduction of other types of data into the calibration (ex.: fluxes, groundwater maps).

Keywords:

• Hard rock aquifer,
• hydraulic conductivity,
• discrete zones,
• calibration,
• hydraulic heads,
• N’zo watershed