Etude et modélisation du transport et du piégeage des solutés en milieu souterrain variablement saturé. Evaluation des paramètres hydrodispersifs par la réalisation et l'interprétation d'essais de traçage in situ

La protection à long terme des ressources en eau souterraine implique d’étudier le comportement de l’eau et des éventuels contaminants qu’elle véhicule depuis l’entrée dans le milieu souterrain (recharge) jusqu’à l’exutoire naturel (émergence, cours d’eau) ou forcé (pompage) de la nappe. Au cours de ce transit, de nombreux phénomènes d’origine physique ou chimique sont susceptibles d’affecter la mobilité et les concentrations du ou des contaminants. Il s’agit donc de tenir compte du pouvoir atténuateur, retardateur, voire auto-épurateur du milieu souterrain à leur égard, les conséquences pouvant être positives (dispersion, dilution, dégradation du contaminant) ou négatives (difficultés de reprise du contaminant, impact à long terme de la contamination, …).

L’objectif de cette recherche est de développer une approche conceptuelle et mathématique visant à l’étude in situ et à la modélisation de la mobilité et du piégeage temporaire ou définitif des solutés au sein du milieu souterrain variablement saturé en eau. Une classification des processus physico-chimiques influençant la mobilité des solutés est proposée, reposant sur trois critères : (1) un distinction entre processus « microscopiques », ayant cours à l’échelle de quelques pores et processus « macroscopiques », ayant cours à l’échelle du terrain ; (2) une distinction entre processus physiques (affectant tout type de contaminant, indépendamment de sa nature chimique) et processus chimiques (affectant certains contaminants, en fonction de leurs propriétés chimiques spécifiques) ; (3) une distinction entre processus à l’équilibre (indépendant du temps) et processus cinétiques (dépendant explicitement du temps). Sur base de cette analyse, le modèle conceptuel considéré comporte trois éléments principaux : l’advection, la dispersion hydrodynamique et un processus de stockage-déstockage de soluté au sein d’une phase immobile liquide (effet d’eau immobile) ou solide (sorption cinétique), représenté par une équation de transfert de premier ordre. Suivant le schéma conceptuel, les adaptations et développements réalisés au sein du code éléments finis SUFT3D, en vue de permettre la simulation du comportement d’un soluté dans le milieu souterrain variablement saturé, sont décrits.

La détermination des paramètres gouvernant les processus de migration et de piégeage des solutés repose sur l’interprétation d’essais de traçage réalisés in situ, en milieu saturé et non saturé. Une part importante de la recherche a donc été consacrée à l’amélioration des techniques de traçage et d’interprétation des résultats en termes d’évolution de la concentration et d’évolution de la masse restituée du traceur, cette dernière étant plus adaptée à l’évaluation et à la quantification des effets de retard. En vue de représenter de manière plus physique et plus précise l’injection d’un traceur, une nouvelle approche conceptuelle, mathématique et numérique est élaborée, considérant explicitement les interactions puits – aquifère. A l’aide de ce modèle, divers tests numériques démontrent l’impact des conditions d’injection du traceur sur les résultats de traçage, pouvant potentiellement conduire à des erreurs d’interprétation en termes d’identification des processus agissant et de quantification des paramètres calibrés. En vue d’une interprétation correcte des résultats de traçage, le contrôle des conditions d’injection est donc primordial.

Deux études expérimentales servent de base et d’illustration aux développements réalisés. Une campagne d’essais de traçage en milieu saturé a été réalisée dans la plaine alluviale de la Meuse, à Hermalle-sous-Argenteau. Ces essais permettent de valider et d’illustrer l’approche développée en vue de représenter précisément l’injection des traceurs et les interactions puits – aquifère, de mettre en évidence une série de problèmes conceptuels et pratiques rencontrés lors de la réalisation des essais de traçage, d’examiner le comportement chimique de plusieurs traceurs artificiels et de mettre en évidence les propriétés hydrodispersives des formations alluviales. La deuxième étude a eu pour objectif d’étudier les mécanismes de migration de substances dissoutes au sein de la zone non saturée surmontant la nappe aquifère des craies en Hesbaye. Les résultats de ces tests permettent de proposer une approche unifiée visant à représenter le comportement hydrodynamique et hydrodispersif des craies fissurées sous des conditions variables de recharge, donc de saturation en eau. Cette étude permet également de mettre en évidence le lien entre les propriétés physiques et hydrodynamiques des limons éoliens en Hesbaye.