Influence d’un macropore sur l’écoulement et le transport de solutés en milieu poreux : expérimentations sur sol modèle macroporé et simulations numériques

influence of a macropore on flow and solute transport in porous media : experiments on macroporous model soil and numerical simulations

• Auteur / Autrice : Stéphane Batany
• Direction : Patrick Dangla
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides
• Date : Soutenance le 23/11/2016
• Etablissement(s) : Paris Est
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences, Ingénierie et Environnement (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2010-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Français des Sciences et Technologies des Transports, de l'Aménagement et des réseaux. Département géotechnique environnement, risques naturels et sciences de la terre - Département Géotechnique- Environnement- Risques naturels et Sciences de la terre / IFSTTAR/GERS
• Jury : Président / Présidente : Marie-Odile Nicolas-Simonnot
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Patrick Dangla, Mathieux Javaux, Didier Stemmelen, Pierre-Emmanuel Peyneau, Laurent Lassabatère
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Liliana Di Pietro, Isabelle Braud

Mots clés

Mots clés contrôlés

Écoulement en milieux poreux

Modèles mathématiques

Théorie du transport

Mécanique des fluides

Mots clés libres

Porosité

Écoulement

Transport

Macropore

Boltzmann sur réseau

Porosity

Flow

Transport

Macropore

Lattice-Boltzmann

Résumé

La modélisation des écoulements et du transport dans les milieux poreux est un domaine actif pour, notamment, progresser dans la compréhension du transfert des polluants dans les sols. Les sols présentent fréquemment des hétérogénéités comme des macropores (provoqués par la faune, la flore ou des fissures) et un certain nombre de modèles numériques utilisent les concepts de double ou de multi-perméabilité pour tenir compte de tous les types d’écoulements susceptibles de coexister dans de tels systèmes. Cependant, les modèles classiques semblent sous-estimer l’effet de la macroporosité sur l’écoulement et le transfert préférentiels et restreindre la zone d’écoulement préférentiel au seul volume occupé par la macroporosité. Diverses études expérimentales antérieures à cette thèse ont questionné cette hypothèse. Cette étude se propose de comprendre l’établissement de l’écoulement et du transport préférentiel et en particulier les mécanismes d’échange d’eau et de masse entre un macropore et une matrice poreuse environnante en condition saturée. Pour cela, des traçages de l’eau sont réalisés pour un milieu poreux modèle constitué de billes de verre, traversé par un macropore synthétique et mis en place en colonnes de laboratoire. Elution et transfert dans les colonnes sont caractérisés par suivi de la concentration en sortie et par imagerie par résonance magnétique. Un modèle numérique développé sur la base de la méthode de Boltzmann sur réseau est utilisé pour simuler numériquement des écoulements dans un système macroporé et identifier les mécanismes d’écoulements préférentiels à l’échelle de pores. Les données expérimentales montrent que le transfert du traceur est fortement dépendant du débit d’injection ainsi que du coefficient de diffusion dans l’eau. À fort débit, le transfert semble s’effectuer exclusivement dans le macropore, avec très peu d’échange avec la matrice. Pour des débits plus faibles, la percée présente une inflexion suivie d’un pic. Les images IRM montrent alors un échange significatif de traceur entre le macropore et la matrice poreuse environnante. Les simulations numériques sont utilisées pour calculer le champ de vitesse de l’écoulement dans le système en fonction du débit. Les modélisations numériques montrent que l’écoulement préférentiel est étendu dans la matrice poreuse sur une zone de même dimension que le diamètre moyen des grains indépendamment de la taille du macropore et du débit, dans la gamme de débits simulés. Ces résultats expérimentaux et numériques montrent que l’influence du macropore sur les transferts doit être étendue dans la matrice poreuse sur une zone de la taille des grains pour l’écoulement et sur une zone dépendant du coefficient de diffusion du traceur ainsi que du temps de séjour moyen de celui-ci pour le transfert des solutés

Flow and transport modeling through porous media is of primary concern nowadays, especially in order to progress in the understanding of pollutant transfers through soils. Soils present frequently heterogeneities such as macropores (caused by fauna, flora or cracks) and several numerical models use double or multi permeability concepts in order to take into account all flow types that may exist in such porous systems. Nevertheless, classical models seem underestimate the macropore effect on preferential flow and transport by restricting the preferential flow zone only to the volume occupied by the macroporosity. Various experimental studies prior to this thesis have questioned this hypothesis. This study proposes to understand the establishment of preferential flow and transport and in particular the mechanism of flow and solute exchanges between a synthetic macropore and a surrounding porous matrix in saturated condition. For this purpose, water tracing are realized for a model porous media constituted by glass beads, crossed by a synthetic macropore and implemented in laboratory columns. Breakthrough and transport in columns are characterized by monitoring the concentration at the end of the column by magnetic nuclear resonance. A numerical model developed on the basis of lattice-Boltzmann method is used to simul ate flow in macroporous system and identify preferential flow mechanisms at pore scale. Experimental data show that tracer transport is strongly dependent on injection flow rate and the diffusion coefficient in water. At high flow rate, the transport seems to occur exclusively in the macropore, with very little masse exchange with the porous matrix. At lower flow rates, the breakthrough exhibits an inflexion followed by a peak. The MRI images show a significant mass exchange of tracer between the macropore and the surrounding porous matrix. The numerical simulations are used to calculate the flow field in a porous system as a function of flow rate. They show that preferential flow is extended in porous matrix into a zone of same dimension the mean diameter of beads regardless of macropore size or injected flow rate, in the range of simulated flow rates. These experimental and numerical results show that macropore influence on transport should be extended through the surrounding porous matrix into a zone of the same size of grains diameter for flow and into a zone depending on diffusion coefficient as well as mean residence time of the studied tracer for solute transport