Caractérisation et modélisation du transport de polluants dans la zone non saturée : application à une friche industrielle

Characterization and modelling of contaminant's transport in unsaturated zone : application on industrial wasteland

• Auteur / Autrice : Géraldine Picot
• Direction : Nor-Edine Abriak
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Science pour l'ingénieur. Génie civil
• Date : Soutenance en 2005
• Etablissement(s) : Artois

Mots clés

Mots clés contrôlés

Composés aromatiques polycycliques

Simulation, Méthodes de

Transport

Polluants

Modèles mathématiques

Sols -- Pollution par les hydrocarbures

Résumé

Les contaminants, accumulés dans les premiers mètres de sols peuvent se déplacer en profondeur, suite aux infiltrations successives, vers la nappe superficielle entraînant sa contamination. L'objectif principal de ce travail concerne la caractérisation et la modélisation de l'évolution spatiale et temporelle de polluant depuis la surface du sol jusqu'à la nappe. Celui comprend, d'une part, l'étude de l'influence des paramètres sur les résultats de simulation d'écoulement et de transport, et d'autre part, s'applique à une friche de cokerie polluée en hydrocarbures aromatiques polycycliqes (HAP). La première partie de ce travail nous permet d'identifier six paramètres à renseigner pour l'écoulement et cinq pour le transport de polluant. La caractérisation de ces paramètres s'effectue soit en laboratoire, soit in situ, et la valeur de certains peut être obtenue selon différentes méthodes. Ces dernières sont réalisées sur l'expérience de Gandola (1999) et montrent différentes valeurs d'un même paramètre selon la méthode utilisée. A ce point du travail de thèse, un problème se pose quant à la meilleure évaluation des paramètres, et donc à l'impact des valeurs sur les résultats de simulation. De ce fait, la seconde partie de ce travail aborde l'influence des paramètres et des modèles sur les résultats de simulation d'écoulement et de transport en zone non saturée. Un premier scénario utilisant les valeurs caractérisées montre des résultats numériques comparables aux résultats de laboratoire, indiquant alors la bonne démarche de caractérisation des paramètres. Après avoir fait varier la valeur des plus importants (type de maillage, conductivité hydraulique à saturation, porosité, paramètres de forme des différents modèles de rétention, coefficients de dispersion latéral et transversal et coefficient de diffusion moléculaire), il en ressort que dans ce cas d'étude : la vitesse de déplacement du bulbe est sensible aux valeurs de conductivité hydraulique à saturation et de porosité : l'évolution de la concentration en soluté du bulbe infiltré ne dépend que des valeurs des coefficients de dispersion. Les simulations sont sensibles au type de modèle de rétention utilisé (Van Genuchten-Mualem, 1980 ; Haverkamp et al, 1977 et Brooks et Corey, 1964). Enfin, chacun des modèles ne fait pas intervenir le même nombre de paramètres, ce qui ajouté à leur sensiblité devient un critère de sélection non négligeable. Les expériences contrôlées de laboratoire s'avèrent être intéressantes pour valider et tester des hypothèses de modélisation. Les conclusions apportées par la deuxième partie permettent de mieux appréhender l'étude du cas réel : la friche d'une ancienne cokerie qui est étudiée dans la dernière partie de ce travail. Réalisée en trois étapes, la première concerne le recueil des informations disponibles, faisant suite, la seconde étape détaille la campagne d'investigation renseignant les paramètres manquant (caractérisation hydrique de la zone non saturée estimée de 1,5 à 5 m de profondeur). La synthèse de ces deux étapes permet la réalisation d'une troisième qui consiste en la modélisation de la zone non saturée de la friche industrielle. Cinq faciès majeurs sont reconnus sur le site, caractérisés puis agencés en divers scénarii (profils de sol de 5,5 m) qui sont simulés. Tous sont composés d'une même source polluante, d'un même flux entrant (au sommet) et d'une charge hydraulique constante dans les graves. Les résultats de simulation sur dix années permettent d'évaluer la part de polluant arrivant dans l'aquifère des graves, mais également d'apprécier l'importance de la prise en compte de la zone non saturée et de sa composition dans une étude de contamination de la nappe depuis une source polluante placée en surface du sol. Il en ressort que la caractérisation physique du faciès portant la "source" polluante produit une différence dans la vitesse de transfert des polluants à la nappe. Cette variation est plus négligeable selon le type de faciès constituant la zone sous-jacente. Il est donc important dans ce type d'étude de caractériser les remblais constituant les premiers mètres ainsi que la stratification de la zone non saturée.

The contaminants accumulated in the first meters of the soil can move vertically, due to the successives infiltrations, towards the groundwater leading to its contamination. The main objective of this work deals with the characterization and the modelling of the spatial and temporary evolution of contaminants from the soil’s surface to the groundwater. This is on includes on one hand : the study of the parameter’s influence on the results of the simulation of flows and transport, and on the other hand this applies to polycyclic aromatic hydrocarbon (PAH) polluted plant coke. The first part of this work helps us to identify six parameters for flow and five for the transport of contaminant whiches have to be estimated for experimental studies. The characterization of these parameters is made either in laboratory or in situ, and the value of some parameters can be obtained according to various methods. These methods of characterization are applied on Gandola’s experiment (1999) and give different values according to the method which is used. From this point of this work, we can wonder what will be the best way to estimate the parameters and also the impact on the results of the simulation which results from this. So, the second part of this work deals with the influence of parameters and models on the results of the flow and transport’s simulation in an unsaturated zone. A first scenario using the characterizated values gives us the numerical results similar to the laboratory results, whiches the point out ther right reasoning of the parameters’ characterization. After making vary the value of the most important parameters (sort of maillage, hydraulic conductivity, porosity, retention’s curve parameters, coefficent of dispersivity and diffusion), what emerges from all that in this study is that : the speed of the flow is sensitive to the values of the hydraulic conductivity and of porosity ; the evolution of concentration only depends on the values of the coefficients of dispersivity. The simulations are sensitive to the sort of retention’s model that is used (Van Genuchten-Mualem, Haverkamp et al. And Brooks & Corey). At last, each one of these models doesn’t make intervene the same number of parameters, which added to the parameters sensitivity becomes a significant selection criteria. The tested laboratory experiments prove to be interesting to validate and to test modelisation’s hypothesis. The conclusions provided by the second part enable to better apprehend the study of the real case : The waste land of an old plant coke. Which is studied in the last part of this work made three steps, the first witth regard to the collection of avaible informations, then the second step explains in detail the investigation campaign giving informations on the unsaturated zone estimated from 1,5 m to 5 m deep. The synthesis of those two steps enables the realization of a third one which deals with the modelisation of the unsaturated zone of the industrial wasteland. Five main slice are recognized on the site, characterizated and then put together in different scenario (of 5 meters deep) whiches are simulated. All of them are made up of the same contaminated source, of the same flux coming in (at the top) and of a constant and identical hydraulic head in the froundwater. The results of the simulation aver ten years enable us to estimate the portion of the contaminant getting to the groundwater but also to appreciate the importance of taking the unsaturated zone and its composition into account, in a study of the groundwater’s contamination by a polluted source placed on the surface of the soil. What emerges from all that is that the physical and hydrical characterization of the sort of the soil containing the contaminating source produces a difference in the transfer ‘s speed of the contaminants to the grounwater. This variation is more negligible according to the sort of soil constituting the underlying zone. So it is important in such a study to characterize the embankment constituting the first meters, as well as the stratification of the unsaturated zone on this sort of site.