LA NECESSITE DE PRENDRE EN CONSIDERATION LE PHENOMENE DE LA NON-SATURATION, DONT LA CARACTERISTIQUE PRINCIPALE EST LE DEVELOPPEMENT DE PRESSION NEGATIVE OU SUCCION, SE FAIT ACTUELLEMENT PRINCIPALEMENT RESSENTIR. DANS CE CADRE, NOUS PRESENTONS DES RESULTATS EXPERIMENTAUX RELATIFS A DES ESSAIS DE DETERMINATION DE LA CONDUCTIVITE HYDRAULIQUE ET DES ESSAIS TRIAXIAUX SUR UN LIMON NON SATURE. DEUX METHODES DE MESURE DE LA CONDUCTIVITE HYDRAULIQUE SONT EXPOSEES. LA PREMIERE, BASEE SUR LE SUIVI DU DEBIT SORTANT LORS DE L'APPLICATION D'UNE PRESSION D'AIR (SUCCION), PERMET D'ETUDIER LE COUPLAGE ENTRE LES VARIATIONS VOLUMETRIQUES DE L'ECHANTILLON ET CELLES DU VOLUME D'EAU DRAINEE. AFIN DE MESURER TRES PRECISEMENT CES PETITES VARIATIONS, QUI, BIEN EVIDEMMENT, NECESSITENT UN LONG TEMPS D'EXPERIENCE, UN SYSTEME DE MESURE DE HAUTE PRECISION A ETE UTILISE. LA SECONDE METHODE REPOSE SUR LE PRINCIPE DES PROFILS INSTANTANES ET PERMET DE COUVRIR UNE LARGE GAMME DE SUCCION. POUR CHAQUE METHODE, LES ESSAIS SERONT REALISES EN DRAINAGE ET EN HUMIDIFICATION. LES ESSAIS TRIAXIAUX, SUR LES ECHANTILLONS NON SATURES, ONT ETE REALISES DANS UNE CELLULE TRIAXIALE A SUCCION IMPOSEE

Le processus de déplacement vertical d’un fluide non miscible et plus dense que l’eau (DNAPL) en milieu poreux saturé a été étudié à l’échelle de Darcy. Les expériences sur colonnes de laboratoire ont été conduites en utilisant deux modes d'écoulement : vertical ascendant et vertical descendant. Le milieu poreux utilisé est un sable homogène et le polluant considéré est un composé organo-chloré (Trichloréthylène, TCE), fréquemment trouvé dans des cas de pollutions industrielles de sols et d’eaux souterraines. Dans chaque essai, nous avons mesuré les temps d’arrivée du front eau/DNAPL dans une section de contrôle du dispositif expérimental au moyen des capteurs à fibres optiques. Nous avons aussi mesuré la pression du DNAPL à l’entrée et à la sortie de la colonne de milieu poreux. Une cartographie in situ du champ de saturations en DNAPL a été également effectuée. De ce fait, nous avons pu mettre en évidence une forte non uniformité de la répartition du polluant non miscible dans le milieu poreux saturé. De plus, nous avons pu quantifier d’une manière précise les instabilités de déplacement. A partir des résultats obtenus, il a été montré que les forces de poussée (ou de gravité) sont capables d’exercer des effets très significatifs à la fois sur la stabilité du processus de déplacement et sur l’efficacité de la récupération de la phase mobile du DNAPL. Concernant la simulation numérique, un modèle discret de pores et de capillaires a été développé. Une approche de calcul basée sur la théorie d’empilement des sphères a été élaborée pour évaluer les caractéristiques géométriques du réseau équivalent du milieu poreux utilisé dans l’expérimentation. Les résultats expérimentaux et numériques s'accordaient bien. Le modèle numérique s’est montré capable de reproduire l’évolution temporelle de la pression observée pour les différents régimes de déplacement stable et instable.

Le travail effectué dans ce mémoire se situe dans le cadre de l'étude des transferts dans les sols non saturés. On porte une attention particulière au phénomène de dissolution d'un constituant gazeux dans l'eau d'un sol. A prés avoir fait l'état de la question dans la partie I, on élabore dans la partie II un modèle mathématique des transferts dans un sol non saturé. Ce modèle, basé sur la Mécanique des milieux hétérogènes et la Thermodynamique des Processus Irréversibles Linéaire, permet d'établir la relation phénoménologique de dissolution d'un constituant gazeux dans l'eau d'un sol. La partie III est consacrée à la vérification expérimentale de la relation de dissolution établie dans la partie II et à la mesure du coefficient phénoménologique de dissolution dans le cas du bromure de méthyle. Les matériaux utilisés sont pour ces expériences une porcelaine poreuse et une argile frittée partiellement saturées. La partie IV est consacrée à l'étude numérique de la pénétration par diffusion gazeuse et de la fixation paar dissolution du bromure de méthyle dans une colonne de sol.

L'UTILISATION DE METHODES NUMERIQUES CLASSIQUES POUR LA MODELISATION DU TRANSFERT DE POLLUANT DANS UN MILIEU POREUX HOMOGENE ET SATURE SE HEURTE A PLUSIEURS DIFFICULTES. AFIN DE CONTOURNER CES OBSTACLES, DEUX METHODES ONT ETE CHOISIES. LA PREMIERE EST CELLE DES ELEMENTS FINIS MIXTES HYBRIDES APPLIQUEE POUR LA RESOLUTION DE L'EQUATION DE L'ECOULEMENT ET DES TERMES DISPERSIF ET ACCUMULATIF DE L'EQUATION DE TRANSPORT. LA SECONDE EST LA METHODE DES ELEMENTS FINIS DISCONTINUS APPLIQUEE POUR LA RESOLUTION DU TERME CONVECTIF DE L'EQUATION DE TRANSPORT. CES METHODES SONT SOUMISES A DES COMPARAISONS, FAISANT L'OBJET D'UNE SYNTHESE BIBLIOGRAPHIQUE, AVEC D'AUTRES METHODES DANS LE CAS OU LE CONTRASTE DE MASSE VOLUMIQUE N'EST PAS PRIS EN COMPTE. LE CODE DE CALCUL A ETE GENERALISE POUR LE CAS O U LA VARIATION DE LA MASSE VOLUMIQUE EN FONCTION DE LA CONCENTRATION N'EST PLUS NEGLIGEABLE. LE NOUVEAU CODE EST TESTE SUR DEUX EXEMPLES DEVENUS CLASSIQUES. LA ZONE DE MELANGE LORS D'UN DEPLACEMENT, DANS UN MILIEU POREUX SATURE ET INDEFORMABLE, DE DEUX FLUIDES MISCIBLES AVEC CONTRASTE DE MASSE VOLUMIQUE A ETE ETUDIEE A TRAVERS DEUX TYPES DE DEPLACEMENT. LE DEPLACEMENT HORIZONTAL CONSTITUE LE PREMIER CAS OU L'INCLINAISON DU FRONT DE POLLUANT A ETE PARTICULIEREMENT ETUDIE A TRAVERS L'INFLUENCE DES PARAMETRES INTERVENANT DANS CE PHENOMENE. LE SECOND TYPE DE DEPLACEMENT EST CELUI DE L'INFILTRATION PONCTUELLE D'UNE SOLUTION SALINE DANS UN MILIEU POREUX INITIALEMENT SATURE EN EAU DOUCE AU REPOS. UNE SOLUTION THEORIQUE SIMPLIFIEE EXPRIMANT L'AVANCEMENT DU FRONT DE POLLUANT SUIVANT UN AXE VERTICAL A ETE COMPAREE AUX RESULTATS DES SIMULATIONS NUMERIQUES.

NOUS PRESENTONS DANS CE MEMOIRE, UNE NOUVELLE APPROCHE POUR LA RESOLUTION NUMERIQUE DU SYSTEME D'EQUATIONS QUI DECRIT LA PROPAGATION D'UN SOLUTE REACTIF DANS UN MILIEU POREUX SATURE INDEFORMABLE. IL S'AGIT D'UN MODELE BIDIMENSIONNEL A DEUX PAS DANS LEQUEL LE TRANSPORT EST REPRESENTE PAR LA METHODE DE MARCHE AU HASARD, ET LA SPECIATION CHIMIQUE EST RESOLUE PAR LA METHODE DE RAPHSON-NEWTON. CE MODELE PEUT CONSIDERER LES REACTIONS DE COMPLEXATION, DE PRECIPITATION-DISSOLUTION, D'ADSORPTION-DESORPTION (REPRESENTEES PAR UN MODELE DE COMPLEXATION DE SURFACE), D'OXYDATION-REDUCTION, ET UNE REACTION A CINETIQUE LENTE DU PREMIER ORDRE. LE MODELE EST VALIDE PAR COMPARAISON A DES SOLUTIONS ANALYTIQUES, DES RESULTATS DE MODELES UTILISANT D'AUTRES METHODES POUR RESOUDRE LES EQUATIONS DU TRANSPORT (ELEMENTS FINIS, DIFFERENCES FINIES), ET LES RESULTATS D'UNE EXPERIENCE DE TERRAIN. DANS TOUS LES CAS, LES REPONSES DU MODELE SONT BONNES, CE QUI PERMET D'AFFIRMER QUE LA METHODE DE MARCHE AU HASARD EST ADAPTEE A LA REPRESENTATION DU TRANSFERT DE SOLUTES REACTIFS EN MILIEU POREUX SATURE

L'hétérogénéité de la zone non saturée joue un rôle important dans le transfert d'eau et de soluté car elle accentue à la fois le développement des zones de stockage temporelles et les écoulements préférentiels. Par conséquent, la validation des modèles prédictifs nécessite le développement des outils expérimentaux spécifiques afin d'observer et de quantifier les mécanismes de transport impliqués dans un système non saturé hétérogène. Cette thèse vise à étudier l'effet combiné de la vitesse d'infiltration, de la barrière capillaire et l'angle de la pente d'interface entre deux matériaux sur les processus de l'écoulement de l'eau et du transport de soluté dans un modèle physique, le lysimètre de laboratoire 1x1x1.6 m3, nommé LUGH (Lysimeter for Urban Groundwater Hydrology) et un modèle numérique 3D de ce lysimètre. Le lysimètre LUGH est rempli par un sable fin et un mélange bimodal (50 % sable fin et 50 % gravier) en deux configurations: un profil uniforme de matériau bimodal ou un profil avec deux couches avec une pente de 14o. Ces agencements figurent l'hétérogénéité structurale et texturale observée sur un des sites expérimentaux de l'OTHU (Observatoire de Terrain en Hydrologie Urbaine) : le bassin d'infiltration d'eaux pluviales Django Reinhardt géré par la ville de Lyon (France). Le lysimètre est alimenté en eau et avec un traceur inerte (bromure de potassium, KBr) sur une partie de la surface par un système d'arrosage automatique. Les effluents ont été recueillis dans quinze sorties différentes en bas du lysimètre. La forte hétérogénéité des flux des sorties et des courbes de percée souligne la mise en place des écoulements préférentiels résultant à la fois de l'effet de barrière capillaire et de l'effet de fond du lysimètre. A partir des résultats expérimentaux, la modélisation numérique à l'aide de logiciel COMSOL MultiphysicsTM a permis de mieux comprendre les mécanismes responsables de ces transferts hétérogènes. Lorsque le modèle numérique validé, un test de sensibilité a été conduit pour étudier les effets de la vitesse d'infiltration et de la pente de l'interface sur l'écoulement. Les résultats montrent que la diminution de la vitesse d'infiltration ou l'augmentation de la pente de l'interface favorisent le développement des écoulements préférentiels. Notre étude a donné également des renseignements pertinents sur le couplage entre les processus hydrodynamiques et le transfert des solutés dans les sols non saturés hétérogènes en soulignant le rôle de la géométrie des interfaces ainsi que celui des conditions aux limites comme des facteurs clés pour la quantification des écoulements préférentiels.