Transferts complexes en milieu poreux :<br />Quelques approches physiques et numériques

The feasibility and safety of nuclear waste storage containers is studied.The thermodynamics of water/air flow is described and applied, via a simplified numerical model, to a simple experimental apparatus yielding heat pipe effect.The 2D influence of deterministic boundary conditions is important on kinematics and transport. Dispersivity depends on the nonuniform flow type and integrates the often marginal gaussian part of plume spreading.A new algorithm, based on jump locality and recalibration, avoids the small biais induced by inter-cell diffusive jumps.Several algorithms modeling transport of decaying, soluble, sorbing, or precipitating species are compared. Stability and precision criteria are analyzed. Up-stream over-precipitation and negative down-stream concentrations are observed for high solubility contrasts.La modélisation hydrogéologique est un outil puissant de compréhension de nombreuxprocessus mettant en jeu le transport d'eau et de matière en milieu poreux souterrain. Laproblématique du devenir du combustible nucléaire en fin de cycle, à forte activitéradiologique et à longue durée de vie, a donné de l'élan à la recherche sur cettethématique. L'objectif de la recherche est de montrer, grâce à la modélisation, lafaisabilité et la sûreté de différents scenarios comme le stockage quasi-définitif demilliers de conteneurs dans de vastes réseaux de galeries souterraines, creusées dans descouches géologiques profondes et peu perméables, ou leur entreposage sur quelques sièclesdans des sites plus proches de la surface en attendant de leur trouver un usage ou une finplus définitive.Dans ce contexte, ce rapport de thèse retrace quelques unes des approches complexes misesen oeuvre dans la modélisation de processus élémentaires concourant au transport d'eauet de polluant en milieu poreux. La complexité est envisagée dans les processus mis enjeu, dans la structure du milieu et dans les méthodes numériques déployées. Thermo-hydraulique La physique complexe de l'écoulement diphasique eau/air, couplé à la thermique, estexposée théoriquement en partie I, à l'aide d'un modèle thermodynamique après avoirprécisé et critiqué quelques concepts comme le potentiel de l'eau, la charge hydrauliqued'une phase gazeuse, la pression capillaire, la loi de Fick, l'osmose, etc. Un modèlenumérique simplifié à trois équations de conservation (eau, air, et enthalpie) est exposé,y compris dans sa dégénérescence à un seul constituant ou une seule phase. Il est mis enoeuvre pour simuler le fonctionnement d'un dispositif expérimental, appelé MASCILIA,reproduisant dans son principe l'entreposage géologique d'un container de déchetsradioactifs de haute activité. Il consiste en un chauffage localisé d'un bac de sablerempli d'eau, et le suivi du développement d'une "bulle" de vapeur. On montre comments'entretient un échange de chaleur par effet caloduc à l'interface de cette bulle et dumilieu poreux encore saturé d'eau.Milieux hétérogènes La complexité peut aussi découler de l'hétérogénéité du milieu poreux. La Méthode deMonte-Carlo permet de générer des réalisations de milieux aléatoires connaissant leurstructure statistique. On applique cette méthode, en partie II, à des milieuxsédimentaires (non fracturés) afin, par l'intermédiaire de modèles stochastiques, decomprendre l'impact des hétérogénéités sur la réponse d'un milieu naturel à diversessollicitations. L'influence de la proximité, en 2D, de frontières déterministes (comme desconditions aux limites) sur la structure statistique des grandeurs associées àl'écoulement et au transport a été caractérisée (chapitre 2). Elle peut être trèsimportante, tant sur la charge hydraulique et la vitesse de Darcy que sur l'étalementlongitudinal ou transversal d'un panache de traceur. Ces effets sont sensibles également àla nature (charge ou flux) de la condition imposée aux limites. On met en évidencenumériquement ces particularités et on en démontre une partie théoriquement. Cette analyseest importante pour l'interrogation numérique du concept de dispersivité.La dispersivité est une mesure de l'étalement de type diffusif d'un panache au fil dutemps. Son intérêt est mis à l'épreuve au chapitre 3, avec la même méthodologie queprécédemment, d'écoulements moyens non uniformes (tournant, radial convergeant vers unpuits, dipolaire entre deux puits). Elle s'avère dépendre étroitement du type d'écoulementet n'est donc pas une caractéristique intrinsèque au milieu poreux. De plus, elle ne rendcompte que de la partie gaussienne de l'étalement spatial des panaches, quand précisémentcet étalement est en réalité fortement dissymétrique en présence de puits. L'existenced'une telle singularité de l'écoulement a pour conséquence que la dispersivité n'atteintpas de valeur asymptotique. Ainsi, tout calage d'une dispersivité sur la base d'essais detraçage entre puits est sans rapport avec la réalité des processusdispersifs. Paradoxalement, et dans le cas précis d'un seul puits de pompage, il se trouvetoutefois que la dispersivité calée rend bien compte de la dispersivité que le milieuexhiberait si l'écoulement était uniforme.Transport particulaireCes études numériques s'appuient sur le développement de méthodes sophistiquées derésolution d'équations d'écoulement et de transport. On détaille ainsi, chapitre 4, unalgorithme de transport particulaire avec convection, diffusion et dispersion. Aux sautsélémentaires de convection s'ajoutent des sauts aléatoires (bruit blanc) engendrant de ladiffusion. C'est le principe de la marche aléatoire. L'originalité de l'algorithme résidedans la localité des sauts, que l'on limite à chaque maille par calage du pas de temps enrésolvant une équation du second degré en racine de Delta t. On évite ainsi un légerbiais positif sur les sauts diffusifs entre mailles.Géochimie simplifiéeOn aborde enfin au chapitre 5, en l'illustrant sur un cas-test, la modélisation dutransport d'espèces disparaissant par décroissance radioactive, pouvant aussi êtredissoutes, adsorbées ou précipitées. Cette situation, mathématiquement fort générale, serencontre notamment lors de la lixiviation de la matrice d'oxyde d'uranium constituant lesbarres de combustible nucléaire, lorsque l'eau souterraine a achevé de corroder lesconteneurs. On compare plusieurs algorithmes calculant, par point fixe, l'équilibre dedissolution dont la cinétique peut être au choix instantanée, linéaire ou imposée. Lescritères de stabilité et de précision sont exposés, ainsi que les manières de lessatisfaire ou de les contourner. Des effets indésirables de sur-précipitation amont ou deconcentration négative en aval des fronts de précipitation surviennent lorsque lescontrastes de solubilité sont importants

Des usages quantitatifs de l'eau

International audienceL'Homme utilise l'eau à toute les sauces. Chacun de nos gestes met en jeu des situations, des objets, des activités physiques qui la mobilisent quelque part d'une manière qualitative, quantitative, voire symbolique. Cela tient d'une part à sa présence et de sa disponibilité dans notre environnement, et d'autre part, à ses propriétés physiques primaires, desquelles émergent ses qualités propices à notre existence comme à celle de l'essentiel de la vie sur Terre. De quelles ressources en eau disposons-nous, et quel usages en avons nous

Humectation sous contrainte de mélanges poudre/berlingots d'argile Foca : Expérimentation et modélisation numérique

International audiencePotential geological nuclear waste disposals must be properly sealed to prevent contamination of the biosphere by radionuclides. In the framework of the RESEAL project, the performance of a bentonite shaft seal is currently studied at Mol (Belgium). This paper focuses on the hydro-mechanical physical behavior of centimetric, unsaturated samples of the backfilling material-a mixture of FoCa-clay powder and pellets-during oedometer tests. The hydro-mechanical response of the samples is observed experimentally, and then compared to numerical simulations performed by our Cast3M Finite Element code. The generalized Darcy's law and the Bar-celona Basic Model mechanical model formed the physical basis of the numerical model and the interpretation. They are widely used in engineered barriers modeling. Vertical swelling pressure and water intake were measured throughout the test. Although water income presents a monotonous increase, the swelling pressure evolution is marked by a peak, and then a local minimum before increasing again to an asymptotic value. This unexpected behavior is explained by yielding rather than by heterogeneity. It is satisfactorily reproduced by the model after parameter calibration. Several samples with different heights ranging from 5 to 12 cm show the same hydro-mechanical response, apart from a dilatation of the time scale. The interest of the characterization of centimetric samples to predicting the efficiency of a metric sealing is discussed.La capacité de scellement d'un puits d'accès à un stockage de déchets radioactifs par un bouchon de bentonite est en cours d'étude à Mol (Belgique). Ce papier aborde le comportement hydro-mécanique d'échantillons centimétriques non saturés du matériau de remplis-sage, constitué par un mélange de poudre et de berlingots d'argile FoCa. Chaque échantillon est confiné dans un oedomètre, mouillé par la base, et exposé à l'air ambiant en son sommet. Le présent travail tente de comprendre et de reproduire la réponse hydro-mécanique des échantillons, à l'aide de la loi de Darcy généralisée et du modèle de base de Barcelone, implémentés dans notre code aux Eléments Finis Cast3M. L'entrée d'eau montre une imbibition progressive et asymptotique, alors que la pression de gonflement présente une variation non monotone avant de tendre vers une valeur asymptotique. Ce processus s'explique par plastification plutô t que par l'hétérogénéité, et est bien reproduit par le modèle calibré. Les échantillons, de 5 à 12 cm de hauteur, montrent la même réponse hydro-mécanique, suggérant ainsi une invariance d'échelle préc-oce compte tenu de la taille des berlingots. L'utilité de cette caractérisation vis-à-vis de la prédiction de l'efficacité d'un scellement métri-que est discutée

Projections Climatiques dans les Alpes - Zoom sur l’enneigement et les régimes hydrologiquesUtiliser les modélisations réalisées dans le cadre du GIEC pour alimenter des modèles plus fins et évaluer les impacts possibles dans le futur. Deux exemples: les projets SCAMPEI et EXPLORE 2070

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Transferts complexes en milieux poreux (quelques approches physiques et numériques)

PARIS-BIUSJ-Thèses (751052125) / SudocPARIS-BIUSJ-Sci.Terre recherche (751052114) / SudocSudocFranceF

STRATEAU, un outil innovant pour identifier les possibles crises de l'eau -Exemple du diagnostic des demandes en eau en France

International audienceLa capacité de gestion interne des ressources en eau est la première source de génération de conflits à l'échelledu bassin versant. L'eau qui conditionne à la fois l'accès à l'hygiène, à la production de culture irriguée ou encoreà la production d'énergie (hydro-électrique ou par centrales thermiques devant être refroidies) se trouve au cœurd'un nexus avec l'alimentation et l'énergie.Le changement climatique devrait aggraver d'une part les ressources en eau disponibles (via la baisse despluies ou de la neige sur les régions chaudes et tempérées, la baisse des capacités d'infiltration des sols, lasalinisation des aquifères côtiers...), d'autre part les pertes nettes des usages (évaporation transpirationaccrues), et enfin une augmentation des demandes (énergétique-climatisation, rafraîchissement des villes, neigeartificielle...).Ces implémentations préliminaires démontrent clairement que STRATEAU est un outil très prometteur pour aider à lagestion de l'eau. Il pourrait avantageusement contribuer au diagnostic des tensions sur l'eau par son déploiement enMéditerranée et ailleurs, et aider, par son interface intuitive et la facilité d'élaboration et de comparaison de différents scénarios,à la concertation pour la recherche de compromis entre les usages dans une perspective d'optimisation et de partage de laressource, de développement durable, d'adaptation au changement climatique et d'apaisement des conflits

Assessment of Holocene surface hydrological connections for the Ounianga lake catchment zone (Chad)

A hydrological perspective to the recent sedimentary analysis conducted at Lake Yoa (Ounianga region, NE Chad) is proposed. The complex hydrological and hydrogeological situation alters the climatic stress. The potential paleo-water network and lake levels have been computed based on SRTM elevation information and ArcGis software. Results show that Lake Yoa is situated in a favorable location, and in addition to continuous input from the Nubian Sandstone Aquifer System (NSAS), it could benefit from river input from distant recharge areas, including the Tibesti Mountains and a large catchment area in the Erdis. Water budgets for 6000 cal yr BP reconstructed conditions show that the maximum lake level (40m above its present level) was probably maintained relatively easily by surface and subsurface water

Hydrogeological modeling as a tool supporting the interpretation of pollen proxies for palaeoclimate reconstitution: The Senegalese “niayes” case-study

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STRATEAU, un nouvel outil de prospective sur les tensions sur l'eau - Application à la reconstitution des usages de l'eau en France métropolitaine

Prospecting water tension with the new bottom-up tool STRATEAU-Application to water usage in France Water use in France in 2006 has been quantitatively evaluated from final use data using the decision support tool STRATEAU. Indeed, declarative water-withdrawal tax data, often used for diagnosis, are inprecise and agregated. Instead, we use national data bases assessing human actitivy (such as demography, tertiary employement, industrial and power productions, agricultural inventory and yield, etc.), often more precise and systematic to estimate water need, demand and theoretical consumption. A similar approach for water resources could not be achieved due to the lack of data at that scale. The elementary descriptive mesh is the disctrict, nudged into two agregating spatial scales (administrative or hydrographic) up to national scale so as to attribute data to their representative scale-here the 24 hydrographic regions. Lower scale water balance is hindered by inter-basin transfert inconsistencies, uncharted usage or misplaced individual industries. Similarily, time-steps are one month and one year. Anthropic activities is also available in nudged definitions, following NAF nomenclature, from sectors to very refined categories. Data is therefore used at its best available representative level. Results confirm the dominance of power plant cooling in water withdrawal and of agriculture in water consumption. Estimates honor tax-related data with a mean error about 5%, hiding higher discrepancies according to sectors of activity and areas. Despite the lack of definite validation data, this good fit conforts the reconstitution method as well as withdrawal data while it indicates ways of progress. The originality of the results resides in their monthly description, their sub-territorialisation and their refinement over the sub-sectorial activities. For example with respect to drinking water, domestic usage largely dominates industrial or tertiary ones. With respect to agriculture, effectively irrigated areas have been estimated, as well as withdrawals and evapprative losses. Whence grassland, when irrigated, ranks first as a withdrawer per unit area, whereas grain corn remains the first absolute water consumer.Les usages de l'eau en France en 2006 ont été reconstitués quantitativement à partir de la connaissance des utilisations finales de l'eau à travers l'outil d'aide à la décision STRATEAU. Les bases de données nationales qui renseignent les activités humaines (démographie, emploi de service, productions industrielles et énergétiques, recensement et production agricole, etc) permettent en effet de s'affranchir de limitations des données de redevances pour prélèvement, qui sont souvent imprécises et agrégées temporellement et sectoriellement. Les besoins en eau, les demandes associées (modifiées par des choix standards de satisfaction) ainsi que les consommations théoriques sont ainsi calculées et présentés à l'échelle des régions hydrographiques. Les résultats sont similaires aux déclarations de prélèvements pour redevance des Agences de l'Eau avec une erreur d'environ 5% malgré quelques désaccords liés aux inconsistances des données (notamment les transferts inter-bassin et les usages non référencés) et à l'absence de limitation des demandes théoriques par l'eau disponible. Ils confirment la prédominance des prélèvements pour refroidissement des centrales énergétiques, et celle de l'agriculture pour la consommation d'eau. Les résultats sont mensuels, territorialisés, et déclinés par sous-secteurs. Par ex. pour le secteur agricole, le maïs grain constitue la culture la plus consommatrice d'eau, mais les prairies irriguées gravitairement prélèvent proportionnellement le plus. Descendre en échelle spatiale demande de mieux connaître les lieux de prélèvement et les itinéraires techniques. MOTS CLEFS : usages de l'eau, GIRE, outil d'aide à la décision, prospective territoriale, scénario

Comparaison des résultats de l'outil STRATEAU aux données de prélèvements pour redevances des Agences de l'Eau

L’objectif final est de tester la pertinence de l’outil Strateau à des mailles variées de gestion (tant administratives qu’hydrologiques) et en fonction des thématiques d’usages de l’eau traitées (multi-secteurs).L’outil Strateau est un outil d’aide à la décision qui permet d’appréhender la situation actuelle de l’équilibre offre/demande en eau et également de travailler sur des scénarios d’évolution les plus fiables possibles.L’équipe d’Energies Demain s’appuie sur une reconstitution « bottom-up » de la demande en eau, centrée sur le besoin, qu’elle confronte aux différentes offres disponibles. Les informations exploitées sont les bases de données socio-économiques nationales sur l’emploi, la population et les surfaces agricoles pour l’aspect demande et pour l’offre, les données Météo France ainsi que l’IDPR sont utilisées. Cette approche permet de s’affranchir des données issues des redevances prélèvements et simplement d’effectuer une comparaison en fin de traitement.L’objet de cette étude est de présenter les résultats de la comparaison entre les données reconstituées par Strateau sur le territoire métropolitain et les données recensées dans les bases redevances. L’explication des écarts est un point central du travail réalisé