Etude de la migration du trichloréthylène dans une colonne de sable : comparaison entre des résultats numériques et expérimentaux

Les solvants chlorés et les hydrocarbures, couramment utilisés dans les activités industrielles, agricoles, militaires ou domestiques, constituent des risques de pollution, à court et long termes, majeurs pour les sols et les eaux souterraines. Le comportement des solvants chlorés dans les sols dépend à la fois des propriétés physiques et chimiques des polluants mais également de celles du milieu poreux considéré (saturation en eau, teneur en matière organique...). La réactivité d'un polluant varie en fonction de la phase - liquide organique, dissoute ou volatile - et de l'état - libre, piégé ou adsorbé - dans lequel il se trouve dans son environnement. Malgré les nombreuses études réalisées sur ces phénomènes, seules quelques unes se sont focalisées sur le comportement de ces polluants dans la zone non saturée et sur l'évolution de leurs concentrations, quelle que soit leur forme, au cours de l'écoulement. Ainsi, nous nous sommes intéressés à la migration d'un solvant chloré (le Trichloroéthylène) dans un milieu poreux homogène à saturation en eau variable. Suite à des simulations numériques avec un code de calcul (SIMUSCOPP), nous avons mis au point et réalisé un dispositif expérimental en 2 dimensions permettant de suivre la migration d'un polluant dans un milieu poreux homogène à différentes saturations en eau. Les objectifs de cet article sont de : (i) analyser les expériences de caractérisation des milieux poreux utilisés, (ii) présenter le dispositif expérimental et le protocole associé et (iii) comparer les résultats numériques et expérimentaux

Approche méthodologique de la modélisation du transport des HAP dans les sols et les eaux

Afin de préciser le cadre d'utilisation de codes de transport de polluants dans les sols et les eaux, un programme d'intercomparaison de méthodes et de codes a été mis en oeuvre avec la collaboration de huit équipes appartenant à des instituts de recherche ou des bureaux d'études. Parmi les types de polluants étudiés, les hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP) ont fait l'objet de simulations par deux groupes de travail. Le premier groupe, composé de cinq équipes, s'est intéressé à leur comportement en phase dissoute à partir d'un cas réel de pollution. Disposant des mêmes données d'étude, chaque équipe avait pour mission de concevoir un modèle conceptuel (description géologique, définition de la source, paramètres d'écoulement et de transport) et de simuler la pollution de la nappe avec le code de son choix. Les résultats obtenus montrent des différences significatives qui trouvent leur explication dans les paramètres des modèles conceptuels adoptés plus que dans les simulateurs choisis. Cet exercice a confirmé l'importance des paramètres suivants qui sont souvent incertains mais justifieraient d'être mieux appréciés lors de diagnostics : paramètres hydrodynamiques (détermination du champ de vitesse), coefficient de partition (pour chaque horizon géologique), temps de demi-vie du ou des polluants, extension de la source de pollution. Le second groupe a étudié les écoulements en phase libre (phase liquide non aqueuse) sur un cas théorique inspiré d'un cas réel de déversement massif de naphtalène. La modélisation a été conduite par trois équipes avec trois codes polyphasiques différents (SIMUSCOPP, TOUGH/T2VOC, UTCHEM). Cet exercice comprend le suivi du déversement et de la migration du naphtalène sous formes liquide et dissoute sur une distance de 300 m et une durée de 10 ans. Le naphtalène révèle un comportement d'hydrocarbure " lourd " avec une phase huile (partiellement miscible) qui tend à descendre à travers la nappe. Ce comportement a été reproduit par chacune des équipes, de manière plus ou moins complète en fonction des possibilités de modélisation offertes par les codes. Les résultats obtenus permettent de vérifier la cohérence des différentes approches polyphasiques entre elles. Bien que plus complexe (paramètres plus nombreux, difficulté numérique accrue), l'approche polyphasique se justifie pour mieux comprendre et déterminer la répartition spatiale de HAP en profondeur dans une nappe

Modélisation de la production de lixiviat en centre de stockage de déchets ménagers

La prévision des volumes de lixiviat produits par les casiers de stockage de déchets ménagers (CSD) constitue un enjeu important dans la gestion à court terme et à long terme d'un CSD (dimensionnement, gestion du risque pour l'environnement, gestion du coût financier). Nous nous sommes intéressés au bilan hydrique à l'échelle d'un casier de stockage de déchets ménagers pour tenter de quantifier les flux d'eau entre le casier et l'extérieur (pluviométrie, ruissellement et évaporation) et à l'intérieur des déchets. Un casier de décharge a été instrumenté pour suivre l'évolution des termes du bilan hydrique. Cette étude a pour intérêt de présenter une approche relativement complète du cycle de l'eau et d'utiliser la technologie TDR dans les déchets. Les températures ont aussi été mesurées afin d'étudier leur impact sur les écoulements. Cette approche expérimentale a fourni des résultats originaux concernant le comportement thermique des déchets et des gradients de température observés. L'instrumentation en place a permis une quantification de l'infiltration à travers la couverture. Malgré les difficultés de comportement de certaines sondes, plusieurs capteurs TDR ont permis un bon suivi qualitatif des variations de teneur en eau en fond de casier. Une approche, pour calculer l'évaporation des déchets en contact avec l'atmosphère, a été proposée. Une modélisation des transferts couplés d'humidité et de chaleur au sein des centres de stockage de déchets ménagers a donc été développée. Le comportement du modèle thermique s'est révélé très satisfaisant par rapport aux mesures sur site. Le modèle couplé, quant à lui, a permis de reproduire avec fidélité les variations de stock en eau dans la couverture ainsi que la hauteur de lixiviat en fond de puits. L'analyse du modèle a montré l'influence des températures avec notamment l'apparition de barrières thermiques ralentissant le transfert de l'eau vers le fond.NANCY-INPL-Bib. électronique (545479901) / SudocSudocFranceF

Transport d'une solution saline en cellule de Hele-Shaw (expériences et simulations numériques)

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Ecoulements diphasiques en milieux poreux (modèle de ménisque)

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Modélisation de la production de lixiviat en centre de stockage de déchets ménagers

La prévision des volumes de lixiviat produits par les casiers de stockage de déchets ménagers (CSD) constitue un enjeu important dans la gestion à court terme et à long terme d'un CSD (dimensionnement, gestion du risque pour l'environnement, gestion du coût financier). Nous nous sommes intéressés au bilan hydrique à l'échelle d'un casier de stockage de déchets ménagers pour tenter de quantifier les flux d'eau entre le casier et l'extérieur (pluviométrie, ruissellement et évaporation) et à l'intérieur des déchets. Un casier de décharge a été instrumenté pour suivre l'évolution des termes du bilan hydrique. Cette étude a pour intérêt de présenter une approche relativement complète du cycle de l'eau et d'utiliser la technologie TDR dans les déchets. Les températures ont aussi été mesurées afin d'étudier leur impact sur les écoulements. Cette approche expérimentale a fourni des résultats originaux concernant le comportement thermique des déchets et des gradients de température observés. L'instrumentation en place a permis une quantification de l'infiltration à travers la couverture. Malgré les difficultés de comportement de certaines sondes, plusieurs capteurs TDR ont permis un bon suivi qualitatif des variations de teneur en eau en fond de casier. Une approche, pour calculer l'évaporation des déchets en contact avec l'atmosphère, a été proposée. Une modélisation des transferts couplés d'humidité et de chaleur au sein des centres de stockage de déchets ménagers a donc été développée. Le comportement du modèle thermique s'est révélé très satisfaisant par rapport aux mesures sur site. Le modèle couplé, quant à lui, a permis de reproduire avec fidélité les variations de stock en eau dans la couverture ainsi que la hauteur de lixiviat en fond de puits. L'analyse du modèle a montré l'influence des températures avec notamment l'apparition de barrières thermiques ralentissant le transfert de l'eau vers le fond.NANCY-INPL-Bib. électronique (545479901) / SudocSudocFranceF

Evolution de la qualité de l'eau dans les mines abandonnées du bassin ferrifère lorrain (de l'expérimentation en laboratoire à la modélisation in situ)

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Ecoulement dans une fracture de géométrie radiale (Influence d'une rugosité périodique)

Le sujet s'inscrit dans une thématique "écoulement dans les massifs rocheux fracturés". Nous avons étudié le comportement hydraulique des écoulements divergents dans des fractures radiales lisse et rugueuses (motif de rugosité périodique). Ces écoulements montrent des différences significatives comparées au modèle d'écoulement entre deux plans. La variation continue du nombre de Reynolds local engendre des effets inertiels macroscopiques. Ces forces d'inertie sont renforcées par les fluctuations locales de la vitesse dues aux rugosités qui entraînent des effets inertiels microscopiques et une dissipation visqueuse supplémentaire. Trois approches ont été mises en œuvre: expérimentale, numérique et théorique. L'approche théorique, basée sur une technique d'homogénéisation, nous a permis d'obtenir une nouvelle équation macroscopique de l'écoulement qui apporte, par rapport à la solution de Stokes, des termes de corrections tenant explicitement en compte: (i) de la force d'inertie globale, (ii) des forces d'inertie locales (correction cubique en terme de débit volumique) et (iii) de la dissipation visqueuse supplémentaire. L'approche expérimentale a été réalisée à partir d'un dispositif original permettant de mesurer les vitesses par LDV. La fracture rugueuse est asymétrique, la surface du disque supérieur comporte des cavités de sections carrées. Pour l'approche numérique, nous avons eu recours à un code industriel: CFD-ACE. Ces études ont permis: (i) de justifier la validité de la loi macroscopique pour un écoulement laminaire de faible inertie à travers une fracture radiale rugueuse dont le rapport "ouverture moyenne sur période des rugosités" est petit devant un, et dans le cas contraire, (ii) de mettre en évidence une correction quadratique en terme de débit volumique due aux forces inertielles microscopiques pour un écoulement de forte inertie et (iii) de relier ces phénomènes physiques à des cartes de vitesses particulières.NANCY/VANDOEUVRE-INPL (545472102) / SudocSudocFranceF

Elaboration d'une méthodologie de détection et de caractérisation des courts-circuits hydrauliques entre aquifères causés par un défaut de scellement de puits

Une approche théorique et expérimentale a été développée pour la détection de courtscircuits hydrauliques et la quantification de la contamination croisée dans le contexte de deux aquifères séparés par un aquitard et interceptés par un forage. De tels écoulements peuvent être dus, par exemple, à un défaut de scellement de puits de pompage ou de puits d'observation et peuvent avoir de graves conséquences économiques et de santé publique si l'aquifère inférieur est exploité pour la production d'eau de consommation. L'approche envisagée s'insère dans une perspective de développement durable et de préservation des ressources en eau. Le projet de recherche a consisté à développer et tester d'une part un protocole technique de détection des courts-circuits hydrauliques, et d'autre part une application mathématique pour caractériser et quantifier l'importance des débits de fuite engendrés par les courts-circuits hydrauliques. La méthode a été testée et validée par des modélisations numériques, des expériences de laboratoire à petite échelle, et à grande échelle sur un site de recherche expérimental. La méthode consiste en la réalisation de séries de pompages successifs à débits variables dans l'aquifère inférieur pour lesquelles les débits de fuite associés sont évalués. Le débit de fuite est déterminé à partir d'un essai de traçage non réactif. À chaque palier de pompage, un traceur est injecté en continue et à concentration constante dans un piézomètre installé dans l'aquifère supérieur. Si un défaut de scellement existe, le traceur s'écoulera à travers celui-ci et pourra être récupéré en sortie de pompage dans l'aquifère inférieur. Les équations présentées décrivent la relation existant entre le débit de fuite, la concentration d'injection du traceur, le débit de pompage et la concentration stabilisée mesurée en sortie de pompage. Des propriétés hydrauliques et géométriques du défaut de scellement peuvent ensuite être déterminées. La méthode a été testée sur le terrain, sur le site expérimental de Sorel au Québec, caractérisé par l'existence d'un système aquifère à nappe libre/aquifère à nappe captive séparé par un aquitard. Plusieurs forages ont été réalisés pour lesquels des défauts de scellement artificiels ont été créés. Les essais de terrain ont consisté à injecter une solution diluée de lithium dans l'aquifère à nappe libre et à réaliser une série de pompage dans l'aquifère à nappe captive. Les concentrations en lithium recueillies ont alors été utilisées pour les prédictions des débits de fuite. Les propriétés hydrauliques et géométriques des défauts de scellement ont ensuite été déterminées Les résultats obtenus ont alors été confrontés avec les caractéristiques in situ connues des défauts de scellement. La méthode proposée présente plusieurs avantages. Elle est relativement simple et peu coûteuse pour une application sur le terrain, aussi bien pour tester de nouveaux puits ou d'anciens puits déjà en place. Le piézomètre, qui fonctionne également en puits d'injection, peut être installé dans le même trou de forage que le puits (dans le cas de l'installation d'un nouveau puits) ou bien être installé dans un autre forage à proximité du puits (dans le cas d'un puits déjà en place). Le puits de pompage lui-même permet de recueillir les eaux marquées. Une limite pour l'application de la méthode est à relever. Elle concerne le contraste de conductivité hydraulique entre le défaut de scellement et l'aquitard. Il a été montré numériquement que pour un bon fonctionnement de la méthode, la conductivité hydraulique de l'aquitard doit être au moins de deux ordres de grandeur plus faible que la conductivité hydraulique du défaut de scellement. La théorie sur laquelle se base la méthode suppose que l'écoulement à travers l'aquitard est négligeable par rapport à celui du défaut de scellement. Dans le cas contraire, la méthode ne permettra pas une bonne évaluation des débits de fuite à travers le défaut de scellement. Bien que des hypothèses doivent être réalisées, la méthode fonctionne dans un cadre très général de système aquifères/aquitards. Enfin, il est à signaler que les propriétés du défaut de scellement pouvant évoluer dans le temps, l'importance de la contamination croisée est susceptible d'être modifiée. C'est pourquoi un puits suspect pourrait être amené à être retesté. Si le protocole est suivi et que les hypothèses sont respectées, la méthode développée constitue une approche très pratique et très fiable pour la détection et la caractérisation de courts-circuits hydrauliques engendrés par des défauts de scellement de puits.An experimental and theoretical approach has been developed for detecting and quantifying hydraulic short-circuits and cross-contamination between two aquifers separated by an aquitard and intersected by a borehole. Such leaks can be caused, for example, by improperly sealed pumping or monitoring wells and can have serious economic and health consequences if the underlying aquifer is being pumped for water supply. The research was undertaken within the global perspective of sustainable development and as an application of water resources protection. The research project consisted in developing and testing a technical approach and associated instrumentation for detection of short-circuits, and a mathematical approach to characterize and quantify the fluid and mass leakage rates. The methodology was successfully tested by numerical modelling, small-scale laboratory experiments, then finally at a large-scale field research site. The method consists in executing a series of successive, variable-rate pumping tests in the lower aquifer and measuring the leakage rates associated with each of the pumping steps. The leakage rate is estimated by a non reactive tracer test. At each pumping step, the tracer is injected under constant concentration from a piezometer installed in the upper aquifer. If a seal defect exists, the tracer will leak past the seal defect and will be recovered from the lower aquifer. The theoretical equations presented here describe the relationship between the leakage rate, the initial concentration of the injected tracer, the pumping rate and the recovered concentration. Hydraulic and geometrical properties of the seal defect can then be determined. The methodology was tested at the Sorel, Quebec field site, which is characterized by an unconfined and confined aquifer separated by an aquitard. The site includes several boreholes for which defective seals were artificially created. The field trial consisted of injecting a diluted lithium solution into the upper aquifer and concomitantly executing a series of pumping tests in the confined aquifer. The recovered lithium concentrations were used to confirm the theoretical solution for predicting the leakage rates. The predicted behaviour of the short-circuits and their calculated geometric and physical properties were confirmed with the in situ data. This newly developed methodology has several advantages. It is relatively simple and inexpensive to apply in the field, for wells to be newly dug as well as for existing wells. The piezometer, which also functions as the injection port, can be installed within the same borehole as the well (in the case of a new well), or drilled separately (for an existing well). The pumping well itself is used to monitor the tracer breakthrough. One limitation has been identified in regards to the applicability of this method. It concerns the contrast of hydraulic conductivity between the aquitard and the defective seal. It has been numerically shown that in order for the method to function, the hydraulic conductivity of the aquitard must be inferior to the hydraulic conductivity of the defective seal by at least two orders of magnitude. The theory upon which the method is based supposes that the aquitard leakage rate is negligible compared to that of the defective seal. In the opposite case, the method will not provide an accurate prediction of the leakage rate through the defective seal. Although some assumptions must be made, the method works for a wide range of aquifer/aquitard properties and leakage rates. However it must remembered that the properties of a seal can change with time, which can affect the degree of crosscontamination. Thus a suspect well should be re-tested fairly often. If the protocol is followed and the assumptions are respected, the approach provides a useful and practical method for detecting hydraulic short circuits.NANCY/VANDOEUVRE-INPL (545472102) / SudocSudocFranceF

Experimental and numerical studies of trichloroethylene migration

International audienceChlorinated solvents represent one category of the most widespread pollutants in soils and aquifers. Among them, the Tricholoroethylene (TCE) is a DNAPL [Pankow and Cherry, 1996]. Its industrial use as a dry cleaner leads to contaminate plenty of industrial sites and justifies a specific study on its behaviour. In porous media, TCE can be found under different forms: pure, volatile and dissolved in water and adsorbed on the solid matrix. Each form is a risk of pollution for soils and aquifers, at long and short terms. In order to focus our study on the phenomena of volatilisation and dissolution, we will not take into account the adsorbed form of the pollutant. In fact, we try to understand and explain the behaviour of TCE in a soil, in order to determine and apply the most appropriate remediation technique for a contaminated site