Μοdélisatiοn de transfert de matières dissοutes et particulaires dans un milieu fracturé.

Modelling of dissolved and particulate matter transfer in a fractured medium.

• Auteur / Autrice : Hanan Hawi
• Direction : Hua-Qing Wang
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie civil
• Date : Soutenance le 18/07/2024
• Etablissement(s) : Normandie
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique, sciences de l’ingénieur, matériaux, énergie (Saint-Etienne du Rouvray, Seine Maritime)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire ondes et milieux complexes (Le Havre, Seine-Maritime)
• Partenaire(s) de recherche : Établissement co-accrédité : Université du Havre (1984-....)
• Jury : Président / Présidente : Mustapha Hellou
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Hua-Qing Wang, Nadia Saiyouri, Tariq Ouahbi, Yun Jia, Nasre-Dine Ahfir
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Mustapha Hellou, Nadia Saiyouri

Mots clés

Mots clés contrôlés

Sédiments (géologie) -- Transport

Écoulement (hydrologie) -- Vitesse

Kaolinite

Aquifères karstiques

Mots clés libres

Craie fissurée

Transport de particules

Effets hydrodynamiques

Orientation des fissures

Étude expérimentale

Convection

Dispersion

Fractured chalk

Transport of particles

Hydrodynamic

Résumé

Pour faire face aux problèmes émergents de pollution et de dégradation de la qualité des eaux, il est nécessaire de maîtriser le fonctionnement hydrogéologique des roches réceptrices de polluants. Cela implique de définir la vulnérabilité des aquifères et d'optimiser la modélisation des phénomènes de rétention et des mécanismes de transport des particules dans les roches. Dans les aquifères karstiques, les fractures servent de voies préférentielles pour les particules, permettant ainsi leur transport rapide. Le transport des particules et de la matière dissoute dans les fractures est régi par l'advection et la dispersion qui sont influencées par plusieurs facteurs. L'objectif de cette étude est de contribuer à une meilleure compréhension des mécanismes de transport des particules solides et des matières dissoutes dans les fractures et des différents facteurs qui influencent ces mécanismes. A cette fin, un programme expérimental a été développé pour comprendre l'influence de la vitesse d'écoulement, de l'ouverture de la fracture, de l'orientation de la fracture et de la force ionique sur le transport des particules de kaolinite et du traceur dissous (fluorescéine) dans des échantillons de craie fracturée. Un modèle numérique a été développé sur la base de l'équation d'advection-dispersion, afin de déterminer les paramètres de transport et de comprendre en profondeur les interactions entre les particules et la surface de la fracture dans différentes conditions.Les résultats de cette étude ont révélé que l'effet hydrodynamique est significatif quelle que soit l'orientation de la fracture, la récupération des particules augmentant avec la vitesse d'écoulement. Les particules de kaolinite sont transportées plus rapidement que la fluorescéine en raison de l'effet d'exclusion de taille et du coefficient de dispersion plus élevé de la fluorescéine. Le coefficient d’attachement augmente avec la vitesse d'écoulement pour toutes les orientations de fracture et est indépendant de l'ouverture de la fracture. Inversement, le coefficient de détachement, qui est négligeable pour les petites vitesses d'écoulement, est plus important dans les petites ouvertures en raison d'une contrainte de cisaillement plus élevée. Les résultats ont montré, aussi, que l'orientation des fractures affecte de manière significative le transport des particules de kaolinite mais a un impact négligeable sur la fluorescéine. L'augmentation de l'orientation verticale des fractures améliore la récupération et la dispersion des particules, tandis que le coefficient d'attachement diminue. Enfin, les résultats de l'effet de la force ionique indiquent qu'une force ionique plus élevée augmente la rétention des particules et diminue le taux de récupération. Le coefficient d'attachement présente une augmentation linéaire et le coefficient de détachement suit une évolution exponentielle avec l'augmentation de la force ionique.Les résultats de l'étude soulignent l'importance de prendre en compte des vitesses d'écoulement élevées dans l'étude des effets hydrodynamiques, de l'ouverture de la fracture et de l'effet de la force ionique pour comprendre les mécanismes de transport des particules de taille micrométrique dans les fractures de la craie. Elle contribue également à faire progresser la compréhension de l'effet de l'orientation des fractures sur le transport des particules. Cette compréhension est essentielle pour évaluer les risques pour les ressources en eaux souterraines et pour faire progresser les mesures de protection de l'environnement.

In order to face the emerging problems of pollution and deterioration in water quality, it is necessary to master the hydrogeological functioning of pollutant-receiving rocks. This involves, defining the vulnerability of aquifers and optimising the modelling of the retention phenomena and transport mechanism of particles in rocks. In karstic aquifers, fractures serve as preferential pathways for particles, thus allowing their rapid transport. The transport of particles and dissolved matter in fractures is governed by advection and dispersion which are influenced by several factors. The objective of this study is to contribute to a better understanding of the mechanisms of transport of solid particles and dissolved matter in fractures and the different factors influencing these mechanisms. For this purpose, an experimental program was developed to understand the influence of flow velocity, fracture aperture, fracture orientation and ionic strength on the transport of kaolinite particles and fluorescein dissolved tracer in fractured chalk samples. In addition, a numerical model was developed based on the Advection-Dispersion equation, to determine the transport parameters and deeply understand the particle-fracture surface interactions under different conditions. The results of this study revealed that the hydrodynamic effect is significant regardless of fracture orientation, with particle recovery increasing as flow velocity increases. Kaolinite particles travel faster than fluorescein due to the size exclusion effect and the higher dispersion coefficient of fluorescein. The attachment coefficient increases with flow velocity for all fracture orientations and is independent of fracture aperture. Conversely, the detachment coefficient, which is negligible for small flow velocities, is greater in smaller apertures due to higher shear stress. The findings showed that fracture orientation significantly affects the transport of kaolinite particles but has a negligible impact on fluorescein as a dissolved tracer. Increasing the fracture orientation vertically enhances particle recovery and dispersion, while the attachment coefficient decreases. The effect of ionic strength indicate that higher ionic strength increases particle retention and decreases the recovery rate. With the attachment coefficient exhibiting a linear increase and the detachment coefficient follows an exponential trend with increasing ionic strength.The study findings highlight the importance of considering high flow velocities in studying the hydrodynamic effect, fracture aperture, and IS effect in understanding micron-sized particle transport mechanisms in chalk fractures. It also contributes to the advancement of understanding the effect of fracture orientation on the transport of particles by using experimental methods. These understandings are essential for assessing risks to groundwater resources and advancing environmental protection measures.