Options
Milnes, Ellen
Nom
Milnes, Ellen
Affiliation principale
Email
Ellen.Milnes@unine.ch
Identifiants
RĂ©sultat de la recherche
Voici les éléments 1 - 3 sur 3
- PublicationAccès libreRecharge quantification and continental freshwater lens dynamics in arid regions: application to the Merti aquifer (eastern Kenya)(2015)
; ; Avec une population de près de 400'000 personnes, le camp de réfugiés de Dadaab est le plus grand au monde. Il est situé dans la région semi-aride de l’est du Kenya, proche de la frontière somalienne. L’unique ressource permanente en eau potable pour les réfugiés et les communautés locales provient de l’aquifère de Merti, qui consiste en une large lentille d’eau douce souterraine de 250 km sur 50 km, et qui est entourée par de l’eau salée. L’augmentation des volumes pompés, des signes d’augmentation de la salinité de l’eau et l’incertitude sur la diminution du niveau de l’eau souterraine ont fait prendre conscience du risque d’épuisement de la ressource. Ces observations ont abouti à la nécessité de mieux caractériser la recharge de l’aquifère ainsi que la dynamique entre la lentille d’eau douce et l’eau salée environnante.
Dans un premier temps, une nouvelle méthodologie a été développée pour quantifier la recharge concentrée à travers un modèle numérique, basé sur la physique des écoulements, couplant l’eau souterraine et l’eau de surface. Ce modèle a eu pour but de reproduire les surfaces inondées durant les crues et a été calibré à l’aide d’images satellites. Deuxièmement, la dynamique de la lentille d’eau douce a été investiguée par une série de modèles numériques synthétiques. Ces modèles ont permis d’analyser les effets des taux de recharge et leurs mécanismes (pluie, recharge concentrée) sur la géométrie de la lentille et de comparer ces géométries simulées avec la géométrie réelle de la lentille de l’aquifère de Merti. Ces deux approches ont été contre-validées à l’aide d’un réseau de monitoring de l’eau souterraine composé de vingt stations de mesures à haute résolution temporelle (15 min), installé sur toute la lentille en septembre 2013. Finalement, les résultats de ces trois axes de recherche ont été combinés dans un modèle numérique régional.
L’approche développée dans cette étude a permis de quantifier une recharge concentrée entre 195 et 329 x 106 m3/a. La recharge diffuse sur la lentille d’eau douce est quant à elle estimée entre 12 et 62 x 106 m3/a. Comparée à ces taux de recharge, l’extraction courante de l’eau souterraine (environ 4.8 x 106 m3/a) est considérée comme durable à l’échelle de l’aquifère. Cependant, la recharge totale est environ 50 à 100 fois plus grande que l’inféroflux traversant le niveau exploité, calculé à l’aide du gradient hydraulique de l’aquifère et des valeurs de transmissivité issues des essais de pompage. Cet écart a mené à postuler la présence d’un aquifère multi-couche considérablement plus épais qu’uniquement l’horizon couramment exploité, mais avec une importante incertitude sur son épaisseur et sur le gradient vertical de salinité entre la lentille d’eau douce et l’eau salée sous-jacente.
Les modèles numériques ont révélé la très grande inertie de l’aquifère et ont également confirmé que la recharge a principalement lieu de manière concentrée lors des évènements de crue, juste en amont de la lentille d’eau douce. La grande inertie de l’aquifère est cohérente avec les faibles variations des niveaux d’eau et de la conductivité électrique (salinité) observées avec le réseau de monitoring.
En conclusion, ce travail ouvre de nouvelles perspectives pour la quantification de la recharge en milieu aride à semi-aride lors d’évènements de crue. Il a également permis de mettre en avant la nécessité de poursuivre le monitoring de l’aquifère et de mener de nouvelles investigations sur l’épaisseur de l’aquifère afin de confirmer les résultats de la recharge., The Dadaab refugee camp, the largest refugee camp in the world with a population of approximately 400’000 persons, is located in the arid to semi-arid eastern Kenya, close to the Somali border. The only permanent water resource for the refugees and the host communities comes from the Merti aquifer which consists in a large continental freshwater lens of 250 km by 50 km surrounded by salty water. The increasing groundwater abstractions as well as signs of increasing salinity and uncertainty on the water level depletion led to the necessity to better characterise the aquifer recharge and the dynamics between the freshwater lens and the surrounding salty water.
Firstly, a new methodology was developed for quantifying the concentrated groundwater recharge through a physically-based coupled surface/groundwater numerical model reproducing inundated surfaces during flood events which is calibrated with inundated surfaces derived from satellite images. Secondly, the dynamics of freshwater lenses are investigated with a series of synthetic numerical models. These models aim to analyse the effect of the recharge rates and mechanisms (rainfall, concentrated recharge) on the freshwater lens geometries and to compare these geometries with the observed geometry of the freshwater lens of the Merti aquifer. These two approaches are cross-validated owing to a groundwater monitoring network of twenty high time-resolution devices installed over the whole freshwater lens in September 2013. Finally, results from these three axes are combined in a regional numerical model.
The approaches developed in this study allowed to quantify a concentrated groundwater recharge to be between 195 and 329 x 106 m3/y. Diffuse recharge contributing to the freshwater lens is estimated to be between 12 and 62 x 106 m3/y. Compared to these recharge rates, the current groundwater extraction (about 4.8 x 106 m3/y), is considered as sustainable on the regional scale. However, this recharge is about 50 to 100 higher than the axial flow estimated with the gradient and the transmissivities obtained with pumping tests. This discrepancy led to postulate the presence of a multi-layer aquifer much thicker than the currently exploited horizon but with uncertainties on its thickness and the vertical salinity gradient.
The synthetic numerical model revealed a very high inertia of the Merti aquifer and confirmed that the recharge of the aquifer is mainly controlled by concentrated recharge on flood plains in the upstream area of the freshwater lens. The high inertia of the aquifer is consistent with the very small groundwater level and electrical conductivity variations observed with the monitoring network.
As conclusion, this work opens new perspectives for the quantification of groundwater recharge in arid to semi-arid areas occurring during large scale flood events. However, it also showed the necessity to continue the monitoring of the aquifer and to carry out further investigations on the aquifer thickness if further exploitations are foreseen. - PublicationAccès libreSondages géoélectriques "null-arrays" pour la caractérisation des structures de subsurface(2013)
; Le terme "géoélectrique null-array" est utilisé pour les configurations géoélectriques qui mesurent une différence de potentiel nulle sur un espace homogène. Ce papier présente une étude du comportement de trois de ces null-arrays - le midpoint null-array, le Wenner-γ null-array et le Schlumberger null-array - sur différentes structures verticales, en mesure en profil et en mesure azimutale. Une analyse numérique est présentée avec une approche qui utilise un logiciel de calcul hydrodynamique, en utilisant l'analogie entre les théories hydrodynamiques et électriques. Cette analyse numérique concorde avec les mesures de terrain effectuées avec les méthodes géoélectriques classiques et les null-arrays. Une campagne de terrain a été effectuée sur une carrière aux Breuleux (Jura, Suisse) afin de détecter les fractures et failles verticales ainsi que leurs orientations, qui pouvaient aussi être déterminées et mesurées sur le mur de la carrière. Une autre campagne a été menée à Vers chez le Brandt (Neuchâtel, Suisse) pour localiser la grotte et déterminer son orientation. Une dernière campagne à été menée sur la plaine de Buix (Jura, Suisse) dans le but de détecter et caractériser la position et l'orientation de chenaux. Cette étude a montré que certains null-arrays donnaient des résultats plus précis et sont mieux adaptés pour détecter et caractériser précisément ces structures verticales que d'autres méthodes classiques. Le Wenner-γ null-array a montré qu'il est le plus efficient pour la détection de structures verticales et plus sensible que les autres null-arrays. Le Schlumberger null-array donne aussi de bons résultats, mais sa sensibilité est légèrement plus faible que pour le premier. De plus, cette configuration est nettement moins rapide à mettre en oeuvre que les autres. Le midpoint null-array est le plus efficace pour la détermination de l'orientation des structures, alors que le Schlumberger null-array permet d'ajouter de la précision à la mesure. Finalement, cette étude a mené à l'élaboration de conseils d'application de ces méthodes, comme le choix des configurations ou les dimensions à utiliser en pratique., The term "geoelectric null-array" is used for those geoelectrical configurations measuring a zero potential difference above a homogenous half-space. This thesis presents a study of the behaviour of three of these null-arrays - the midpoint null-array, the Wenner-γ null-array and the Schlumberger null-array - above different vertical structures, using profiling and azimuthal measurements. A numerical analysis is presented with an approach which uses a hydrodynamic software based on the analogy between hydrodynamic and electric theories. This numerical analysis provides similar results to the field data acquired with the classical and null-array geoelectrical methods. Field measurements have been carried out on a quarry located in Les Breuleux (Jura, Switzerland) with the aim to detect vertical fractures and faults as well as to determine their orientations. Other measurements were performed in Vers chez le Brandt (Neuchâtel, Switzerland) with the aim to localise a cave and determine the orientation. A last data set was acquired at Buix (Jura, Swizerland) with the aim to detect and characterise the position and orientation of channels. These studies showed that some of these null-arrays provided more accurate results and are more capable of detecting and characterising precisely these vertical structures than other classical methods. The Wenner-γ null-array was the most efficient for the detection of vertical structures and the most sensitive of the three null-arrays. The Schlumberger null-array provided good results, but the sensitivity was slightly lower. Moreover, this configuration was clearly more time-consuming than the others. The midpoint null-array is the best to detect orientation of structures, while the Schlumberger null-array added accuracy to the measurements. Finally, this thesis led to the elaboration of advices for a field application of the methods, as the choice of the array or of the array size. - PublicationAccès libreModelling groundwater salinisation in irrigated coastal areas: from solute recycling concepts to quantitative risk assessment(2005)
; The main objective of this thesis is the quantitative investigation of groundwater salinisation induced by solute recycling from irrigation, and its implications for the overall salinisation in coastal settings. Since the modelling approaches proposed in literature to simulate seawater-intruded areas rarely account for the coupled and superimposed effects of solute recycling and seawater intrusion, simulation procedures have been developed, to evaluate the impact of salinisation induced by seawater intrusion and solute recycling. The problem of solute recycling is identified and illustrated on an example from Cyprus, the Kiti aquifer, where field investigations suggested that the observed salinity distribution is not only related to seawater intrusion, but also to solute recycling. Two numerical simulation scenarios were carried out, with and without solute recycling. The simulation scenario with solute recycling led to a wide saline zone inland, which compared well with field observations and indicates that considerable errors may occur in a predictive solute mass budget if the recycling process is not accounted for in the calculation. A mathematical description of the solute recycling process is first carried out for a 1-D advective system and then extended to arbitrary advective-dispersive systems by means of the transfer function theory. This yields a formulation for the transient solute mass flux at an irrigation well, which is obtained from the solute mass flux captured by the well from the boundaries and the recycling transfer function (RTF). The RTF is derived from the sum of the n-fold convolutions of the travel time probability density function between the irrigated surface and the extraction well. This allows definition of a distributed 'recycling source' in the general form of the advection-dispersion equation. The solute recycling process is thereby reduced to a simple flow and transport problem, allowing evaluation of the effect of solute recycling on spatial groundwater salinisation with any standard groundwater simulation code for average steady state hydraulic conditions. At late times, the 'recycling source' is a function of the capture zone probability and the lateral solute mass flux only and yields the salinisation potential, which describes the maximum salinity distribution that will be attained for the given hydraulic setting in response to solute recycling. The effect of transient hydraulic conditions on groundwater salinisation induced by solute recycling is solved numerically in a time-stepping procedure. Then, a framework for a process-based salinisation risk assessment methodology is proposed in which seawater intrusion and solute recycling salinisation are evaluated separately. By decomposing the overall salinity into a seawater intrusion and solute recycling component, a salinisation risk index is defined as the potential of further salinisation with respect to either salinisation process. The risk index is obtained by comparing the respective 'present state' salinisation with the salinisation potential. The obtained risk index maps reveal areas prone to further salinity increase due to solute recycling and seawater, respectively. In the last section, a 3-D finite element model, reflecting the main features of another aquifer in Cyprus, the Akrotiri aquifer, was used as a 'hypothetical' reality to illustrate the proposed salinisation risk assessment procedure. The results obtained from the simulations indicate zones running danger of further salinisation with respect to solute recycling and seawater intrusion, which correlate with the spatial distribution of the dominant salinity sources derived from field investigations. But they also revealed that data essential for calibration and cross-validation related to solute recycling is rarely monitored in coastal aquifers. This leads to a discussion on the qualitative estimation of key-factors, identified during the mathematical analysis of the solute recycling process, based on classical hydrogeological data. Such estimations can be a preliminary and inexpensive field approach to identify areas potentially endangered by solute recycling, indicating where the installation of monitoring networks would be advisable in order to obtain the data necessary for a quantitative salinisation risk assessment.