SCERES Un grand modèle expérimental de nappe phréatique pour mesurer, modéliser et mieux comprendre les mécanismes de transfert réactif

Les principales approches disponibles pour faire progresser nos connaissances dans les études de mécanismes de transfert réactif sont souvent confrontées à des complications.

Dans les expérimentations menées sur des modèles physiques de laboratoire, les recherches sont souvent handicapées par la taille limitée des dispositifs utilisés ; de même, les investigations qui sont conduites sur site naturel ou industriel peuvent être aussi délicates car la quantification des mécanismes en jeu est souvent difficile compte-tenu de la forte hétérogénéité des paramètres relatifs à l’hydrogéologie du site et/ou des incertitudes liées à la connaissance de la zone-source de pollution. Ces difficultés rencontrées aussi bien en laboratoire que sur site naturel vont se répercuter sur la performance de l’approche mettant en œuvre les modèles mathématiques de simulation qui, pour leur pertinence, nécessitent l’acquisition de données fiables.

Face à cette situation ont donc émergé les motivations de SCERES. Cette plateforme expérimentale incarne l’intermédiaire nécessaire entre l’échelle du laboratoire et celle du site naturel pour aborder à l’échelle réaliste et en conditions tridimensionelles contrôlées les processus de transfert (échanges entre phases, temps de séjour, bilan de matières, rôle de la frange capillaire, etc.), et étudier de manière plus représentative les mécanismes de transfert réactif dans l’hydrosystème souterrain.

   Travailler en situation réelle sur un domaine parfaitement contrôlé

   S’affranchir de la taille limitée des modèles physiques de laboratoire

   Mettre au point des procédés et des modèles de simulation transposables sur le terrain

   Disposer d’un espace suffisant où l’on accéde à une approche graduée et où les techniques d’investigation et les moyens de dépollution peuvent être mis au point

   Quantifier les mécanismes de transfert par les approches croisées des trois échelles (laboratoire – site contrôlé – site industriel)

Parmi les travaux de recherche déjà abordés sur la plateforme SCERES, les mesures et analyses suivantes furent des exemples réalisés et peuvent être toujours poursuivies :

• La quantification des transferts (concentrations, flux, bilan de matières, etc.) dans les zones saturée et non saturée, la frange capillaire, à l’interface sol/air et/ou dans l’air intérieur à travers des dalles de béton ;
• L’impact des flux d’eaux verticaux (battement de nappe) sur les transferts du polluant (produit pétrolier, solvant chloré, NAPL, etc.) dans la nappe ou en zone non saturée et ses interfaces ;
• La prise en compte des paramètres météorologiques (Patm., T°, humidité, vent) et des états ponctuels du champ de pressions de l’air du sol dans la détermination du transport (diffusif et convectif) des vapeurs du polluant présents dans le sol vers l’air atmosphérique ;
• Le rôle de la frange capillaire et/ou de l’eau capillaire suspendue «nappe perchée» et des hétérogénéités dans les échanges entre zone non saturée et zone saturée
• La validation de modèles numériques triphasiques de simulation adaptés à l’échelle du terrain

Les diverses actions déjà exercées sur la plateforme SCERES ont contribué à renforcer le transfert d’acquis scientifiques et de méthodes d’application concrète sur les diagnostics de cas de contamination sur site industriel, comme en témoignent ces quelques faits marquants :

- La démonstration in-situ de la capacité des solutions de tensioactifs à remobiliser vers le puits de pompage le polluant résiduel piégé dans le sol (formulation de tensioactifs permettant une très bonne performance aussi bien sur le plan des flux (perméabilité) que celui de l’efficacité de la récupération du polluant résiduel, essais issus d’un déversement accidentel de 480 litres de gazole soumis à des battements de nappe).

- La quantification des transferts de masse entre la zone non saturée et la nappe et l’impact des précipitations sur le transport des solvants chlorés ont fait apparaître l’importance des flux de vapeurs d’organo-halogénés volatils [trichloréthylène (TCE) et perchloréthylène (PCE)] dans l’air du sol (prédominance de la contamination sous forme gazeuse, dissolution des vapeurs, rôle de la frange capillaire, etc.)

- Le développement d’une approche de calcul visant à quantifier la distribution verticale en zone saturée d’un solvant chloré sous forme résiduelle à partir de concentrations en traces dissoutes mesurées à proximité de la zone source présumée. Cette approche innovante mise en œuvre sur la plateforme SCERES, s’appuyant sur une inversion itérative des profils de concentrations et couplée avec une modélisation numérique du transfert et du transport a également été appliquée à un cas de pollution en PCE sur un site industriel ;

- L’évaluation des performances de plusieurs méthodes de caractérisation de zones sources de pollution par les organo-halogénés volatils menée dans le cadre du programme de R&D MACAOH - ADEME (2002-2007), [méthode du traçage bisoluble (PITT), élaboration de méthodes et protocoles techniques permettant de guider les maîtres d’ouvrages et les bureaux d’études lors des diagnostics sur des sites industriels contaminés par des solvants chlorés, etc.] ;

- Dans le cadre du projet de R&D FLUXOBAT, le développement et l’optimisation de dispositifs pour l'évaluation des transferts vers l’air intérieur et/ou l’air atmosphérique des pollutions volatiles présentes dans les sols ;

- Le benchmarking de plusieurs types de préleveur d’eau multi-niveaux dans l’eau souterraine et la conception d’un préleveur multi-niveaux innovant afin de mieux prendre en compte les hétérogénéités de distributions verticales de concentrations dans l’eau souterraine lorsqu’on effectue des prélèvements d’échantillons d’eau dans les piézomètres (projet de R&D PEMN-ADEME (2011-2016)) ;

S. Cotel (IR1 CNRS) ; P. Friedmann (TCE CNRS) ; O. Razakarisoa (IR1 CNRS) ; G. Schäfer (PU1 UNISTRA).