The soil is the medium through which pollutants originating from human activities, both in agriculture and industry, move from the land surfaces to groundwater. Polluting substances are subject to complex physical, chemical and biological transformations during their movement through the soil. Their displacement depends on the transport properties of the water-air-soil system and on the molecular properties of the pollutants. Prediction of soil pollution and restoration of polluted soils requires an under standing of the processes controlling the fate of pollutants in the soil medium and of the dynamics of the contaminants in the un saturated zone. Our book was conceived· as a basic overview of the processes governing the behavior of pollutants as affected by soil constituents and environmental factors. It was written for the use of specialists working on soil and unsaturated zone pollution and restoration, as well as for graduate students starting research in this field. Since many specialists working on soil restoration lack a back ground in soil science or a knowledge of the properties of soil pollutants, we have included this information which forms the first part of the book. In the second part, we discuss the partitioning of pollutants between the aqueous, solid and gaseous phase of the soil medium. The retention, transformation and transport of pollutants in the soils form the third section.

ON PRESENTE UNE METHODOLOGIE D'ETUDE DU TRANSPORT DE SOLUTES INTERACTIFS EN MILIEU POREUX NATUREL, BASEE SUR L'EXPERIMENTATION ET LA MODELISATION. LA MODELISATION S'EFFECTUE GRACE A UN CODE DE CALCUL COUPLANT HYDRODYNAMIQUE ET GEOCHIMIE, DES AMELIORATIONS Y SONT APPORTEES AVEC LA PRISE EN COMPTE DE CORRECTIONS D'ACTIVITE ET SURTOUT, AVEC LA SIMULATION D'EFFETS CINETIQUES CHIMIQUES OU DIFFUSIONNELS. LA METHODOLOGIE PROPOSEE A ETE APPLIQUEE AU CAS DE MIGRATION DU CHROME DANS LA NAPPE ALLUVIALE DU DRAC (ISERE). L'ETUDE DU SITE EXPERIMENTAL ASSOCIEE A LA CONNAISSANCE GENERALE DE LA CHIMIE DU CHROME, A PERMIS DE DEFINIR ET DE CADRER LES EXPERIENCES A MENER AU LABORATOIRE POUR CARACTERISER LES INTERACTIONS DU CHROME AVEC LES ALLUVIONS. CES EXPERIENCES ONT MONTRE QUE C'EST UN PHENOMENE D'ADSORPTION QUI IMPOSE LA REPARTITION DU CHROME HEXAVALENT ENTRE PHASES MOBILE ET IMMOBILE. CE PHENOMENE A ENSUITE ETE DECRIT A L'EQUILIBRE THERMODYNAMIQUE PAR DEUX MODELES, LE PREMIER UTILISE UN PHENOMENE ELEMENTAIRE DE TYPE ECHANGE ANIONIQUE ENTRE CHROMATE ET BICARBONATE, LE SECOND EST RESUME A UNE LOI DE LANGMUIR. LES COURBES EXPERIMENTALES ONT ETE SIMULEES EN CONSIDERANT CES DEUX MODELES AVEC DES LIMITATIONS CINETIQUES. LES EXPERIENCES DE TRACAGE SUR LE SITE ONT MONTRE QUE LE CHROME HEXAVALENT Y A UN COMPORTEMENT EQUIVALENT A UN TRACEUR D'EAU. CE RESULTAT SOULIGNE QUE CERTAINS PARAMETRES CAPACITIFS DES INTERACTIONS NE PEUVENT ETRE DETERMINES AU LABORATOIRE ET DOIVENT FAIRE L'OBJET DE MESURES IN-SITU

Le présent travail vise à synthétiser l'état des connaissances en matière de modélisation du transfert de polluants organiques en milieu poreux naturel. Il s'articule autour des deux interrogations suivantes : - devant le nombre croissant de modèles de transfert de polluants, de plus en plus spécifiques et complexes, quels sont les critères de sélection à prendre en considération afin de disposer d'outils prédictifs relativement simples (requérant le moins de paramètres) ? - à l'issue d'une étude historique approfondie, d'un diagnostic classique de site pollué et d'une estimation des paramètres d'entrée des modèles de transport et d'écoulement, obtenue à l'issue d'une recherche bibliographique détaillée, peut-on, à l'aide de simulations relativement simples, valider ou approcher les valeurs observées lors du suivi ? Pour ce faire, dans un premier temps, un modèle de transfert a été sélectionné à l'issue d'un inventaire des codes disponibles sur le marché et dans la littérature. Dans un second temps, le code sélectionné a été appliqué à deux cas de pollutions issues de l'utilisation de produits de préservation du bois : la première due au lindane, la seconde due à la créosote. Les résultats des simulations ont été par la suite confrontés aux valeurs de concentrations relevées à l'issue du suivi réalisé sur ces deux sites.

Prévoir les risques de migration des polluants radioactifs autour des sites de stockages de déchets nucléaires nécessite la définition d'une méthodologie précise et l'utilisation de techniques adaptées. Cet objectif de départ, axé sur les aspects méthodologiques concerne plus généralement l'étude du transport transitoire de solutés aqueux, radioactifs ou non, dans les milieux poreux, naturels ou artificiels, en présence d'interactions physico-chimiques entre la solution aqueuse, le soluté étudié et le milieu poreux. Le cas du transport du césium sous forme cationique (Cs+) dans l'aquifère alluvial d'un site pilote du CENG, équipé par la SAT, a été choisi comme support pour tester les méthodes et techniques envisagées. Ce cas particulier a permis de mettre en œuvre des expériences sur des colonnes de laboratoire garnies d'échantillons de l'alluvion naturelle (un sable argilo-calcaire). Le but de ces expériences est la compréhension des mécanismes d'interaction avec le césium, puis l'évaluation des paramètres associés aux mécanismes mis en évidence. Le principe de ces expériences est simple : étudier la déformation d'un signal de concentration quand il traverse une colonne d'alluvion soumise à un écoulement permanent. Cette déformation, dépendant des interactions, permet alors de caractériser les différents mécanismes. Cependant l'interprétation de ce type de résultats nécessite de se doter d'un outil numérique flexible, permettant de simuler les expériences sur la base des mécanismes envisagés et de certaines valeurs des paramètres. La comparaison directe entre résultats expérimentaux et théoriques est alors un outil d'investigation pratique. Un code de calcul, IMPACT, a donc été construit dans le but de s'adapter facilement aux différentes substances chimiques et aux différents types d'expériences (laboratoire ou terrain). Ce code de calcul, dont les bases théoriques sont présentées dans ce mémoire, permet de simuler le tranport de substances chimiques dans les milieux poreux en supposant l'équilibre thermodynamique local. Les interactions, choisies par l'utilisateur, sont prises en compte par leur stœchiométrie et la loi d'action de masse associée. L'écoulement est simulé par un réseau de cellules de composition uniforme où l'eau circule de manière permanente. La diversité des configurations possibles permet de simuler des conditions d'écoulement variées comme celles rencontrées au laboratoire ou surtout sur le terrain. En ce qui concerne l'interprétation des expériences en colonne de laboratoire, une approche théorique basée sur la méthode des caractéristiques nous a permis de trouver des règles simples pour interpréter les résultats. En particulier, la simple stœchiométrie des mécanismes d'interaction permet de prévoir certaines déformations caractéristiques d'un signal de concentration élémentaire (modification brusque de la composition de l'eau d'alimentation d'une colonne, nommée "signal échelon"). Par exemple la "règle stœchiométrique" présentée dans ce mémoire, permet de prévoir le nombre de fronts de concentration successifs, pouvant apparaître en raison des interactions. D'autres règles qualitatives sont données, et la voie est tracée pour en trouver d'autres, peut-être plus précieuses. L'ensemble des expériences réalisées au laboratoire avec le césium et avec d'autres cations alcalins (Li+, Na+) a permis de mieux comprendre les interactions existant avec l'alluvion. Ainsi, pour le césium, deux mécanismes ont été envisagés pour décrire l'échange Ca/Cs: échange sur deux types de sites en parallèle ou échange couplé à une complexation de surface. Ces interactions ont été quantifiées. Cependant, la compréhension du transport du césium au travers de colonnes de laboratoire n'est pas suffisante pour prévoir son transit sur le site pilote. Plusieurs types de paramètres doivent être déterminés à l'aide d'expériences "in situ". Ce sont d'abord les paramètres hydrodynamiques, mais aussi certains paramètres physico-chimiques non extrapolables directement du laboratoire au terrain. En remarquant que l'utilisation directe de substances polluantes "in situ" ne serait pas toujours possible pour des raisons de sécurité et de temps, nous avons développé la "méthode des substances relais", Cette méthode consiste à injecter simultanément un traceur de l'eau et une substance réagissant au sein du milieu poreux. Le traceur de l'eau permet de caractériser l'hydrodynamique par des distributions de temps de séjour de l'eau dans le milieu poreux. La substance "relais" associée est choisie au laboratoire pour son adaptation à la mesure d'un paramètre physico-chimique par l'analyse de la différence existant entre sa restitution et celle du traceur de l'eau. Là aussi, l'utilisation du code de calcul IMPACT peut être indispensable pour l'application de la méthode. Appliquée dans le cas du césium, cette méthode a abouti à la mesure "in situ" de la capacité d'échange cationique par l'intermédiaire du lithium comme substance relais. Pour trois zones différentes, on a obtenu 62, 42 et 54 meq/litre d'eau de la nappe. Ce paramètre est en effet indispensable à la description de l'échange de cations, et il ne peut être extrapolé simplement du laboratoire comme une constante thermodynamique. En dernier lieu, les résultats acquis au laboratoire et sur le terrain permettent d'envisager la prévision des migrations du césium en solution grâce à l'utilisation du code de calcul IMPACT. Cette dernière étape permet d'envisager les perspectives de développement de la méthodologie proposée et du code de calcul mis en place.

Annotation This book contains papers presented at the Third International Conference on Advances in Fluid Mechanics.

L’objectif principal de ce travail est le développement d’un modèle numérique qui permet de simuler le transport de masse dans les milieux poreux homogènes et hétérogènes. Cet outil numérique sera à terme un moyen de prédiction de la progression d’une pollution dans un sol et d’évaluation des risques de contamination des nappes phréatiques. Le modèle est basé sur l’équation de convection-dispersion avec une cinétique de dépôt/relargage de premier ordre. La résolution de cette équation en 1D et 2D est basée sur une méthode Lagrangienne, appelée méthode particulaire, qui utilise la technique de vitesse de dispersion. Les conditions aux limites (entrée du domaine) sont traitées avec une technique de particules images. La variation de porosité dans le milieu poreux due à la rétention et au détachement des particules est évaluée à partir de la relation de Kozeny-Carman. L’étude de sensibilité du modèle, effectuée dans différentes configurations lorsque les solutions analytiques sont fournies, montre une précision suffisante pour un choix adéquat de paramètres numériques. La validation du code de calcul est obtenue par l’ajustement d’essais de traçage en colonnes de laboratoire dans des conditions d’écoulement à débit constant ou à charge constante. Dans ce dernier cas, un couplage entre l’équation de transport et celle de l’écoulement (Equation de Darcy) est réalisé. La résolution de l’équation de l’écoulement est effectuée à l’aide d’un schéma numérique en différences finies sur une grille fixe. L’équation de transport est d’abord résolue pour calculer la concentration sur les particules, puis à l’aide d’un schéma séquentiel non itératif, on résout l’équation de l’écoulement pour évaluer la charge hydraulique et la vitesse sur les nœuds de la grille. Les échanges entre la grille et les particules sont assurés au moyen de fonctions d’interpolation. La simulation d’essais en injection instantanée ou continue a montré un bon ajustement entre les courbes de restitution calculées et mesurées, et notamment les essais où le dépôt et le relargage agissent simultanément. Les profils de porosité obtenus le long de la colonne, montrent une diminution de la porosité à l’entrée de la colonne, et qui est plus marquée dans le cas d’un écoulement à charge constante. Le modèle numérique est adapté à la simulation de l’érosion (suffusion) d’un sol en considérant uniquement le relargage, et l’ajustement d’essais d’érosion totale au laboratoire a montré un bon accord. Afin de simuler le transport de soluté dissous dans deux milieux homogène et hétérogène supposé infinis, la cinétique de dépôt/relargage est remplacée par un partage non linéaire de Freundlich. Pour tenir compte des hétérogénéités du champ de perméabilité aléatoire qui engendre des vitesses d’écoulement préférentielles, plusieurs simulations dite monte Carlo sont réalisées et montrent que la vitesse de dispersion offre une alternative intéressante (convergence plus rapide). Les résultats obtenus sont en accord avec les résultats de la littérature. Cette étude numérique a permis la mise en œuvre de la méthode particulaire pour simuler le transport, dépôt et relargage dans un milieu poreux fini. Néanmoins, le modèle de dépôt /relargage de premier ordre adopté peut être amélioré afin de prendre en compte le couplage entre les deux processus et notamment le seuil de détachement des particules.