Simulation stochastique des réseaux karstiques - Université de Lorraine Access content directly
Theses Year : 2021

Stochastic simulation of karstic networks

Simulation stochastique des réseaux karstiques

Yves Frantz
  • Function : Author
  • PersonId : 1107846

Abstract

Despite intensive explorations by speleologists, karstic networks remain only partially described as many conduits are not accessible to humans. The classical exploration techniques produce sparse data subject to uncertainties concerning the conduit position and their dimensions, which are essential parameters for flow simulations.Stochastic simulations make it possible to better handle and assess these uncertainties by offering several equally probable karstic system representations.The ideal simulator should allow for the construction of tridimensional karstic drain networks, respecting the field observations (karstification markers), the knowledge brought by tracer tests, the information collected in the accessible parts of the network and those obtained by the study of other networks.In this context, this PhD thesis offers 3 main contributions.The first contribution is the statistical analysis of a database of 49 karstic networks.It focuses on the study of conduit geometry, through the analysis of two metrics : the equivalent radius and the width-height ratio.No generic statistical law describing the network geometry was found.Nonetheless, the spatial variability of the geometrical properties at different scales was characterized, mostly through the development of 1D-curvilinear variograms.The widespread hypothesis of a hierarchical organization of the conduit geometries has also been analysed and rejected.The second contribution is the development of two methods allowing stochastic simulations of properties along karstic networks and based on the results of the statistical analysis. The first method focuses on the reproduction of the property variability at the network scale, while the second one focuses on the reproduction of the variability within and between the network branches.Both are based on the Sequential Gaussian Simulation methods and are adapted to 1D-curvilinear objects.The third contribution is the prototype of a method aiming to stochastically simulate discrete karstic networks as graphs (known as network skeletons}). We hope that once completed, it would allow the simulation of different network types, while taking directly into account field data and geological information. It is divided in three main steps : i) the generation of a point cloud, ii) the computation of the point connectivity and iii) their connection to create the skeleton of the karstic network.These contributions open new prospects regarding the simulation of karstic drain networks usable for flow simulation (e.g., SWMM, Epanet, Modflow-CFP), which should allow a better characterization of the associated flows
Difficiles d'accès, les réseaux karstiques ne sont généralement que partiellement décrits. Les techniques d'exploration classiques produisent par ailleurs des données éparses et sujettes à des incertitudes concernant la position des conduits et leurs dimensions, paramètres essentiels aux simulations d'écoulement. Les simulations stochastiques permettent de mieux gérer et évaluer ces incertitudes en proposant plusieurs représentations équiprobables de systèmes karstiques. Le simulateur idéal devrait permettre de construire des réseaux de drains karstiques tridimensionnels, honorant les observations de terrain (indices de karstification), les connaissances apportées par les essais de traçage, les informations recueillies sur des parties accessibles du réseau et celles apportées par l'étude d'autres réseaux. C'est dans ce contexte que s'inscrit cette thèse qui propose 3 principales contributions. La première contribution est l'analyse statistique d'une base de données de 49 réseaux karstiques. Elle se focalise sur l'étude de la géométrie des conduits, à travers l'analyse de deux métriques : le rayon équivalent et le ratio largeur-hauteur. Aucune loi statistique générique qui décrirait la géométrie des conduits n'a pu être mise en évidence. Néanmoins, la variabilité spatiale des propriétés géométriques à différentes échelles a été caractérisée, notamment grâce au développement de variogrammes 1D-curvilinéaires. L'hypothèse répandue d'une organisation hiérarchique des géométries de conduits a également été analysée et rejetée. La deuxième contribution est le développement de deux méthodes de simulation stochastique de propriétés le long de réseaux karstiques s'appuyant sur les résultats de l'analyse statistique. La première méthode se focalise sur la reproduction de la variabilité des propriétés à l'échelle du réseau, tandis que la deuxième se concentre sur la reproduction de la variabilité au sein et entre les branches du réseau.Elles sont toutes deux basées sur les méthodes de Simulations Gaussiennes Séquentielles (SGS), ici adaptées à des objets 1D-curvilinéaires. La troisième contribution est le prototype d'une méthode ayant pour but de simuler stochastiquement des réseaux karstiques discrets sous forme de graphes (qualifiés de squelettes des réseaux). Il est espéré qu'une fois entièrement développée, elle permette de simuler différents types de réseaux et de prendre directement en compte les données de terrain ainsi que les informations géologiques. Elle consiste en trois grandes étapes : i) la génération d'un nuage de points, ii) le calcul de leur connectivité et iii) leur connexion pour former le squelette du réseau karstique. Ces contributions ouvrent de nouvelles perspectives quant à la simulation de réseaux de drains karstiques utilisables pour la simulation d'écoulement (e.g., SWMM, Epanet, Modflow-CFP), ce qui devrait permettre une meilleure caractérisation des flux en leur sein.
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Dates and versions

tel-03652808 , version 1 (27-04-2022)

Identifiers

  • HAL Id : tel-03652808 , version 1

Cite

Yves Frantz. Simulation stochastique des réseaux karstiques. Géomorphologie. Université de Lorraine, 2021. Français. ⟨NNT : 2021LORR0215⟩. ⟨tel-03652808⟩
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