Vos enjeux et besoins

Vous souhaitez modéliser en 2D ou en 3D les écoulements et transferts dans les systèmes aquifères en intégrant les infl uences climatiques, les influences anthropiques et les réactions géochimiques éventuelles, et ce dans différents contextes ?

Le BRGM a développé le logiciel MARTHE (Modélisation d’Aquifères avec un maillage Rectangulaire, Transport et HydrodynamiquE) qui permet une modélisation 3D des écoulements et des transferts de masse et d’énergie dans les hydrosystèmes. La modélisation intègre les aquifères, les cours d’eau et la zone non saturée.

Notre valeur ajoutée

MARTHE est un logiciel de calcul d’écoulement et de transport de polluants et d’énergie en milieux poreux (en aquifère) développé au BRGM. Ce logiciel basé sur la méthode des volumes finis est un code très complet intégrant :

• les aquifères monocouches, multicouches et 3D,
• les réseaux hydrographiques (rivières, cours d'eau, drains),
• les échanges avec l'atmosphère (pluie, neige, évapotranspiration).

Le calcul peut également prendre en compte :

• les transferts de masse : protection de la qualité de l’eau,
• les effets de la température,
• l’influence de la salinité,
• la dégradation des polluants,
• les transferts à travers la zone non saturée,
• les interactions géochimiques par les modules de Phreeqc ou de React.

Domaines d’application

MARTHE est destiné à modéliser les problèmes d'écoulement et de transferts rencontrés dans des contextes variés :

Gestion des ressources aquifères

• Évaluation des termes du bilan hydraulique d'un système aquifère : recharge par infiltration pluviale, apports latéraux par les bassins versants, circulations souterraines et flux associés, fluctuations annuelles, stockages-déstockages saisonniers,
• impacts hydrodynamiques d'aménagements existants ou à créer : pompages, irrigation, drainage, gravières, bassins d'infiltration,
• gestion et optimisation de champs captants,
• étude de l’influence de la variabilité climatique et des effets prévus du changement climatique,
• diagnostics de pollution du sous-sol.

Environnement

• Infiltration d'un polluant en zone non saturée, percolation jusqu'à la nappe, puis migration souterraine,
• simulation du panache de pollution s'échappant d'une zone contaminée : trajectoires, vitesses de déplacement, concentrations atteintes à l'aval. Modélisation de scénarios hydrauliques de confinement ou de décontamination,
• impacts de décharges domestiques et industrielles sur les eaux souterraines,
• étude du confinement de stockages souterrains.

Génie civil ou exploitation minière

• Assèchement de fouilles,
• effets hydrauliques de parois étanches,
• travaux souterrains (métros, parking, tunnels),
• calcul de débits d'exhaures miniers et des rabattements associés.

Fonctionnalités générales

• Maillages 1D, 2D ou 3D ("full 3D").
• Calculs par volumes finis sur des maillages structurés avec possibilité de maillages gigognes.
• Aquifères monocouches ou multicouches (empilement d'aquifères séparés éventuellement par des épontes semi-perméables).
• Nappes libres, captives ou semi-captives en régime hydraulique permanent ou transitoire.
• Prise en compte de discontinuités telles que plans d'eau à surface libre (lacs, gravières), assèchements locaux de nappe (et remise en eau), y compris en aquifères multicouches, débordements de nappe (cours d'eau, sources, drains), parois étanches (palplanches, ...).
• Limitation automatique du débit des pompages en fonction du dénoiement des crépines.
• Calcul des charges au puits en fonction du diamètre de l’ouvrage par rapport à la dimension de la maille le contenant.
• Couplage total avec les réseaux hydrographiques (rivières, drains).
• Bilan hydro-climatique couplé Pluie, évapotranspiration, infiltration, ruissellement : schéma de calcul GARDÉNIA.
• Anisotropies horizontale et verticale des perméabilités.
• Calcul de trajectoires (directes et inverses) en régime hydraulique permanent ou transitoire.

Maillages

• Le domaine de chaque couche à modéliser est discrétisé selon un maillage rectangulaire structuré de type "écossais".
• La largeur de chacune des lignes et de chacune des colonnes peut être différente pour prendre en compte les hétérogénéités locales, la densité des informations disponibles, et la précision recherchée.
• Il est possible d'affiner localement le maillage par des sous-maillages emboîtés (maillages gigognes).
• Il est possible d’adopter un maillage en coupe verticale ou bien un maillage en coordonnées cylindriques (coordonnées radiales).
• Plusieurs millions de mailles peuvent être manipulées, le nombre de mailles maximal possible dépend uniquement de la mémoire physique installée.
• Capacité maximale possible :
  • 3000 colonnes, 3000 lignes, 999 couches, 99 gigognes.
  • Nombre de pas de temps de calcul illimité.

Transport hydrodispersif

• Migration hydro-dispersive d'un effluent dans la nappe et la zone non saturée.
• Calculs par la méthode TVD ("Total Variation Diminishing"), la méthode MOC (Method of Characteristics) ou la méthode des Différences Finies.
• Dégradation en chaîne.
• Facteur de retard, coefficient de partage kd (phénomènes d'adsorption-désorption)
• Sorption par isotherme de Langmuir ou de Freundlich.
• Possibilité d’asservir la concentration de puits d’injection à la concentration de puits de production.
• Transport réactif par les modules géochimiques de PHREEQC de l’USGS.

Zone Non Saturée, Effets densitaires, Température

• Écoulement et Transferts continus en zone saturée et en zone non saturée.
• Transferts d’énergie, calculs de température de l’eau.
• Effets densitaires induits par les variations de salinité et/ou de températures de l’eau.
• Prise en compte de l’influence de la température sur la viscosité et le coefficient de dégradation.
• Possibilité d’asservir la température de puits d’injection à la température de puits de production (doublets géothermiques).

Calage automatique, analyse de sensibilité

• Calage automatique de paramètres du modèle, définis par zones homogènes ou définis maille par maille.
• Analyse de sensibilité de modélisation aux paramètres de calage.

Utilisations spéciales

• Fractures verticales simulées par transmissivités équivalentes.
• Fractures verticales ou horizontales semi-perméables équivalentes.
• Prise en compte de réseaux de galeries.
• Écoulements diphasiques à phases immiscibles : eau douce et eau salée, eau et air, eau et "huile".
• Écoulements de gaz.
• Prise en compte du développement de la végétation.
• Bilan de nitrates ou d'azote résultant des cultures.

Visualisation, importations et exportations

• Préprocesseur et post processeur par interface graphique.
• Fichier d’aide ("help") détaillé.
• Interfaçage en entrée avec les modeleurs 3D : Multilayer ®, GDM ®, EarthVision ®, Éclipse ®, Surfer ®.
• Exportation vers Mapinfo ®, Paraview, Tecplot ®, Winteracter-3Dview ®, Vrml QGis, ArcGis  ® pour visualisations 3D.
• Exportation vers Mapinfo ®, QGis, ArcGis ®, Surfer ® pour visualisations 2D.
• Exportation vers Microsoft Excel ® pour visualisations de séries.

Calculs en régime transitoire

À chaque pas de temps de calcul n’importe quelle donnée maillée peut être modifiée :

• Charge hydraulique, température, concentration, salinité,
• Débit de pompage ou d’injection, pluie, évapotranspiration potentielle, température de l’air, recharge,
• Perméabilité, porosité, colmatage des berges des cours d’eau, extension du réseau hydrographique ou des drains,
• Cote topographique,
• Imposition ou libération de charges imposées.
• etc.