Axe 4 - Modélisation géostatistique des flux et analyse de sensibilité

État des lieux des données numérisées pour les actions de modélisation
distribuée et perspectives

Benjamin Balle 
En collaboration avec: A.Fourno, H.Jourde, O. Ricois

Contexte Général

Les aquifères karstiques représentent une part importante des ressources en eau en France et dans les régions méditerranéennes, mais leur fonctionnement hydrodynamique reste difficile à caractériser en raison de leur forte hétérogénéité. Ces systèmes sont généralement décrits comme des milieux à triple porosité, combinant une matrice rocheuse peu perméable, des réseaux de fractures ou de failles, et des conduits karstiques qui concentrent les écoulements. Cette organisation complexe rend la modélisation des flux d’eau particulièrement délicate, notamment lorsqu’il s’agit d’estimer les ressources disponibles et leurs variations dans le temps.

Dans le cadre de l'Axe 4, dont l’objectif est de réduire les incertitudes sur l’estimation des ressources en eau en intégrant les informations issues des Axes précédents, la thèse de Benjamin contribue au développement de modèles numériques capables de mieux représenter cette complexité. Elle s’inscrit plus particulièrement dans les tâches 4.1 et 4.2, qui visent respectivement à mieux contraindre le rôle des structures géologiques et à développer des modèles distribués de flux à l’échelle régionale.

​Objectif principal​​

L’objectif de la thèse est de développer une modélisation distribuée de l’hydrodynamique d’un aquifère karstique méditerranéen, afin de mieux représenter les écoulements et de simuler les débits aux différents exutoires du système. Le travail se concentre sur l’aquifère du Lez, qui constitue un cas d’étude bien instrumenté.

Plus spécifiquement, la thèse vise à intégrer dans un même cadre de modélisation les différentes composantes du système karstique — matrice, failles et conduits — afin de mieux représenter leur rôle respectif dans la circulation de l’eau souterraine et d’évaluer leur influence sur la réponse hydrologique globale de l’aquifère.

Objectifs WP4

K3

Approche méthodologique

L’approche proposée repose sur une modélisation distribuée intégrant explicitement la structure du système karstique. Elle s’appuie d’abord sur les connaissances géologiques et hydrogéologiques existantes pour construire un cadre conceptuel tridimensionnel de l’aquifère du Lez, incluant la matrice rocheuse, les principales failles et les horizons favorables au développement du karst.

Un élément central de la démarche consiste à générer statistiquement des réseaux de conduits karstiques à partir de l’analyse des réseaux de failles. Cette génération repose sur des propriétés statistiques observées dans les réseaux de fractures, telles que la distribution des longueurs de failles (souvent décrite par une loi de puissance) et leur organisation spatiale fractale. Ces informations permettent de produire des réseaux karstiques plausibles, cohérents avec la structure géologique.

Ces réseaux sont ensuite intégrés dans un modèle d’écoulement triple-milieu, dans lequel les flux peuvent circuler dans la matrice, les fractures et les conduits karstiques. L’ensemble de la modélisation mobilise des outils de simulation numérique et des développements de codes. Les données nécessaires à cette approche incluent des informations géologiques (forages, observations de terrain, propriétés des faciès), des données sur les réseaux de failles, ainsi que des données climatiques permettant de caractériser la recharge.

Approche/méthodo WP4

K3

Résultats essentiels et contributions

Un premier prototype a été mis au point afin de montrer la faisabilité de générer de manière statistique un réseau de karsts en s’appuyant sur une caractérisation du réseau de failles associées. La thèse de Benjamin Ballé débutée en novembre 2025 permettra de continuer ces travaux.

Cette approche constitue une avancée pour la représentation distribuée des systèmes karstiques, en intégrant explicitement la relation entre structures géologiques et organisation des conduits karstiques. Elle devrait permettre de mieux simuler les écoulements dans les aquifères karstiques et d’améliorer l’estimation des débits aux exutoires.

À terme, les modèles développés dans le cadre de cette thèse contribueront à réduire les incertitudes sur les paramètres contrôlant les écoulements et la recharge, objectif central du WP4. Ils fourniront également un cadre de simulation permettant de tester différentes hypothèses sur la structure du système et sur la distribution de la recharge, contribuant ainsi à améliorer les stratégies de gestion durable des ressources en eau dans les aquifères karstiques méditerranéens.

Intégration des effets de compartimentation et d'infiltration en zone de faille dans un modèle pluie–niveau–débit.

Aurélie Boura, Vianney Sivelle

Contexte Général

Les travaux menés dans le cadre du WP2 sur la caractérisation hydrodynamique des zones de faille de l'aquifère karstique du Lez ont mis en évidence le rôle prépondérant de ces structures géologiques dans l'organisation des écoulements souterrains. Ces travaux ont notamment montré l'importance des infiltrations localisées au niveau des zones de faille. Ils ont également démontré que ces failles peuvent agir comme des discontinuités tectoniques tout en conservant, en parallèle, un réseau karstique assurant la connectivité entre les différents compartiments.

​Objectif principal​​

L'objectif de ces travaux est de mobiliser l'ensemble des connaissances acquises et des observations de terrain et des suivis hydrodynamiques au cours du WP2 sur le bassin du Lez afin de construire un modèle numérique du fonctionnement de l'aquifère intégrant le comportement hydrodynamique des zones de faille qui le recoupent. 

Approche méthodologique

L’approche utilisée dans ces travaux repose sur une modélisation conceptuelle à réservoirs. Cette approche constitue une représentation simplifiée des processus hydrologiques. La conceptualisation du bassin du Lez a été définie par un découpage en sous-réservoirs hydrogéologiques, dans le but de permettre une discrétisation spatiale adaptée aux caractéristiques propres de chaque compartiment aquifère. Cette compartimentation intègre également, les flux d'infiltration rapide associés aux zones de faille en modélisant des transferts dirigés vers l'exutoire du Lez.

espace K3 

K3

Résultats essentiels et contributions

Des analyses de sensibilité et de performance ont été menées sur les différentes structures conceptuelles afin d'évaluer la pertinence des schémas de routage retenus, ainsi que des données utilisées lors de la calibration du modèle

Les résultats de simulation des dynamiques de l'aquifère témoignent d'une restitution cohérente de l'ensemble des observations piézométriques et des débits mesurés. Le modèle permet ainsi, grâce à son niveau de discrétisation hydrogéologique, de conserver une cohérence globale. Les simulations des flux transférés par les zones de faille, conceptualisés dans le modèle, ont été comparées aux suivis d'infiltration réalisés sur un point dans le cadre du WP2 Lez. Les volumes simulés obtenus sont cohérents avec les observations en ordre de grandeur que sur les périodes considérées.

Ces travaux de modélisation contribuent à proposer une approche plus adaptée de la construction d'un modèle à réservoirs en intégrant explicitement les éléments clés qui contrôlent le fonctionnement hydrodynamique de l'aquifère, tout en conservant la parcimonie propre à cette approche conceptuelle.

L’approche suivie dans ces travaux conserve une structure simple et maniable, garantissant une bonne adaptabilité aux besoins de gestion. Elle peut notamment servir à évaluer les réserves souterraines pour de nouveaux prélèvements ou à tester les effets du changement climatique et à constituer un support pour les travaux du WP5.

Modélisation des écoulements : approche 3D et possibles synergies avec des approches semi-distribuées

 J. Rinaudo, N. Mazzilli, A. Fourno, Y. Hamon, C. Emblanch

Contexte Général

Les aquifères karstiques présentent une forte hétérogénéité structurale qui contrôle largement les processus d’écoulement et de recharge. Dans les systèmes karstiques K3 étudiés dans le projet, en particulier les aquifères du Lez et de la Fontaine de Vaucluse (FdV), les principales structures géologiques — telles que les failles, les interfaces entre unités lithologiques ou encore certaines zones de fracturation — peuvent agir soit comme des zones préférentielles de drainage, soit comme des barrières hydrauliques. Ces structures jouent donc un rôle majeur dans l’organisation des écoulements souterrains et dans la distribution de la recharge.

Dans ce contexte, la Tâche 4.1 du projet vise à réduire les incertitudes associées aux propriétés hydrauliques de ces structures en mobilisant des approches de modélisation adaptées à différentes échelles. Ces approches combinent notamment des modèles discrets d’écoulement à l’échelle locale (modélisation 3D) et des approches plus intégrées à l’échelle régionale (modèles 2D ou semi-distribués), en s’appuyant sur les données géologiques et hydrogéologiques produites dans les autres work packages, notamment le WP2.

​Objectif principal​​

Dans le cas de l’aquifère de la Fontaine de Vaucluse, les travaux présentés dans le WP4 visent à mieux représenter l’hétérogénéité géologique du système karstique et à évaluer son impact sur les écoulements souterrains. L’objectif est de développer une modélisation géologique tridimensionnelle capable de représenter la distribution spatiale des faciès et des unités géologiques, afin d’améliorer la compréhension des structures contrôlant les écoulements.

Cette démarche doit également permettre d’explorer les synergies possibles entre une modélisation distribuée 3D et des approches semi-distribuées de type réservoir, comme celles utilisées dans le modèle KaRaMeL. L’enjeu est d’identifier quelles informations issues de la modélisation géologique détaillée peuvent être utilisées pour mieux contraindre ou interroger ces modèles conceptuels, sans nécessairement modifier directement leur structure.

Contexte WP4

K3

Approche méthodologique

La première étape consiste à construire un modèle géologique 3D de l’aquifère de la Fontaine de Vaucluse à partir des données disponibles, notamment les cartes d’isopaques produites dans les travaux de Jérémie (cf. Axe 2). Ces cartes permettent de reconstruire les surfaces limites entre les différentes unités géologiques par interpolation spatiale.

Sur cette base, une grille tridimensionnelle du sous-sol est construite (avec les outils Skua/Gocad et LoopStructural). L’hétérogénéité en faciès est alors modélisée par une approche géostatistique inspirée de l’outil CobraFlow, qui permet de décrire les relations spatiales entre lithotypes ainsi que leurs proportions. 

La distribution des faciès dans le modèle est ensuite simulée à l’aide de méthodes géostatistiques de type pluri-gaussien tronqué. Cette approche permet de reproduire de manière réaliste l’organisation spatiale des faciès et leur hétérogénéité, en intégrant à la fois leurs proportions et leurs relations géométriques. L’objectif est de générer des représentations plausibles de l’architecture géologique du système karstique. Cette grille incluant les distributions en faciès constitue le résultat final de la modélisation géologique.

Cette modélisation constitue une base pour l’intégration future dans des modèles d’écoulement, afin d’évaluer l’impact de cette hétérogénéité sur la circulation de l’eau souterraine.

Cartes isopaques WP4

K3

espace K3

K3

Résultats essentiels et contributions

Les travaux engagés ont permis de poser les bases méthodologiques de la modélisation géologique 3D de l’aquifère de la Fontaine de Vaucluse.

À partir des cartes d’isopaques disponibles, les surfaces des principales unités géologiques ont été reconstruites et une première grille de modélisation a été définie. L’utilisation d’une approche géostatistique de type pluri-gaussien tronqué permet de représenter explicitement la distribution spatiale et l’hétérogénéité des faciès, éléments clés pour mieux caractériser les contrôles géologiques sur les écoulements souterrains.

Ces travaux ouvrent également la voie à des interactions fortes entre les différents axes, en particulier avec :

• l'Axe 2, qui fournit les informations structurales et géologiques nécessaires à la construction du modèle,
• l'Axe 1, pour la prise en compte des processus de recharge et l’identification des zones d’infiltration préférentielles

Dans cette perspective, le stage de M2 de Célia Hellou (février–juin) vise à explorer comment les avancées conceptuelles issues de la modélisation géologique peuvent être utilisées pour interroger ou contraindre les modèles de type KaRaMeL, sans modifier directement leur structure. Ce travail sera mené en lien avec les réflexions méthodologiques autour du SMBS.

Résultats WP4

K3