Modélisation numérique et expérimentale du transport préférentiel de particules dans les sols non saturés [Thèse 2007]

par Samer Majdalani

Thèse de doctorat en Science du sol et hydrologie

Sous la direction de Rafael Angulo-Jaramillo.

Soutenue en 2007

à Grenoble, INPG .


  • Résumé

    Les particules colloïdales transportées dans la zone non saturée du sol facilitent le transport des contaminants vers les eaux souterraines. Dans cette thèse, l'intérêt est porté sur la mobilisation in-situ et le transport des particules naturellement présentes dans des colonnes de sol non remaniées, et ceci sous des conditions non saturées d'écoulement. L'étude soulève la problématique de la disponibilité et de la possibilité de régénération ou d'épuisement du stock (« pool ») de particules mobilisables. L'objectif de la thèse est d'étudier l'évolution temporelle du stock de particules que ce soit pendant l'événement pluvieux ou pendant la durée d'interruption de pluie (la pause) qui sépare deux événements pluvieux successifs. En s'appuyant sur les données expérimentales, un modèle de mobilisation et de transport préférentiel des particules dans des lysimètres (70 cm hauteur, 25 cm diamètre) a été élaboré. Le modèle utilise l'approche des ondes cinématiques dispersives pour décrire le transfert de l'eau, et l'équation convection dispersion avec un terme source/puit pour décrire la mobilisation et le transfert des particules. L'idée de base du modèle est de prendre en compte la possibilité d'une évolution temporelle du stock de particules mobilisables pendant l'événement pluvieux. Ceci est fait à travers une cinétique de détachement (source) de premier ordre ayant un coefficient de détachement variable avec le temps. Quant au terme puit, il est décrit par une cinétique d'attachement de premier ordre ayant un coefficient d'attachement constant avec le temps. Le modèle reproduit avec satisfaction les tendances des particulogrammes pour différentes conditions physico-chimiques expérimentales. L'évolution temporelle du pool de particules mobilisables pendant la pause qui sépare deux événements pluvieux est étudiée expérimentalement. Ceci est fait en observant l'impact de la durée de pause sur la mobilisation ultérieure de particules. Pour cela, une large gamme de durées de pauses (allant d'une heure à un mois et demi) est essayée sur deux sols différents et avec deux forces ioniques et deux intensités de pluie différentes. Les pauses sont imposées dans un ordre croissant, régulier ou irrégulier. Les résultats montrent que la mobilisation de particules durant la pause dépend de sa durée. Le comportement de mobilisation observé est assez particulier : la masse de particules mobilisées par événement pluvieux augmente, passe par un maximum puis diminue pour des pauses croissantes. Les forces capillaires semblent être le mécanisme responsable de la mobilisation de particules durant la pause. L'application du modèle de transport de particules sur tous les particulogrammes résultant de l'étude de l'effet de pause sur la mobilisation ont permis de lier le paramètre décrivant le détachement par accélération du flux d'eau à une condition expérimentale : la durée de pause.


  • Résumé

    Colloidal particles of the vadose zone facilitate contaminant transport into groundwater. In this thesis, we are interested in in-situ mobilization and transport of naturally occurring particles from undisturbed soil columns, under unsaturated water flow conditions. The study raises the problematic of the availability and the possible regeneration or exhaustion of the stock (pool) of dispersible particles. The thesis objectives are to study the temporal evolution of the particles stock, during both the rainfall event and the pause period separating two successive rainfall events. Based on the experimental data, a mobilization and preferential particle transport model through lysimeters (height: 70 cm, diameter: 25 cm) was developed. The model uses the dispersive kinematic waves approach in order to describe water transfer and the convectiondispersion equation with a source/sink term to model particles mobilisation and transport. The temporal evolution of the pool of particles during the rainfall event is taken into account by considering a first order kinetic detachment of particles (source) with a detachment coefficient variable with time. The sink term is described by a classical first order kinetic attachment (constant attachment coefficient). The model reproduces successfully the breakthrough curves corresponding to different physico-chemical experimental conditions. The temporal evolution of the pool of particles during the pause period is investigated under the experimental aspect. This is done by studying the effect of the pause duration on subsequent particle leaching. A large panel of pause durations (ranging from one hour to one and a half month) was tested on two different soils with two different ionic strength and two different rainfall intensities of the incoming solution. Pauses were tested in an increasing, regular, and irregular order. The results show that particle mobilization during the pause depends on the duration of the pause. A particular mobilization behavior was observed: the total mass of particles mobilized by rainfall event increases, reaches a maximum, then decreases for ever increasing pause durations. Capillary forces are thought to be the responsible mechanism of particle mobilization during the pause. By applying the preferential particle transport model on the breakthrough curves resulting from the study of pause duration effect on particle mobilization, we find that the parameter describing particle detachment by water flux acceleration is related to an experimental condition : the pause duration.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (196 p.)
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : Bibliogr. 118 réf.

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  • Bibliothèque : Service interétablissements de Documentation (Saint-Martin d'Hères, Isère). Bibliothèque universitaire de Sciences.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : TS07/INPG/0126/D
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  • Cote : TS07/INPG/0126
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