Essais de traceur

La phase fluide se déplaçant dans la matrice poreuse peut transporter avec elle un certain nombre de substances dissoutes. Plusieurs phénomènes physiques ou chimiques peuvent intervenir dans le transport de ces solutés (Besnard, 2003). Le transport de polluant non réactif en milieu poreux est un processus relativement complexe qui met en jeu trois mécanismes : l’advection, la diffusion moléculaire et la dispersion cinématique. L’advection est l’entraînement du soluté par le mouvement moyen du fluide qui se déplace. L’équation de transport résultante s’obtient en appliquant la loi de conservation de la masse sur un volume élémentaire (Besnard, 2003). La diffusion moléculaire est un phénomène physico-chimique qui peut se dérouler même en l’absence de l’écoulement, donc indépendamment de la convection. Ce phénomène est lié à l’agitation moléculaire. Dans un fluide au repos, le mouvement brownien envoie des molécules dans toutes les directions de l’espace. Si la concentration dans le milieu n’est pas homogène, c'est-à-dire qu’il existe un gradient de concentration entre deux points voisins, le point ayant la concentration la plus élevée enverra plus de particules dans toutes les directions que l’autre point. La résultante sera donc un transfert de particules des zones à concentration élevée vers les zones à concentration faible selon la loi de Fick (Besnard, 2003). La dispersion cinématique est une dilution du soluté du fait de la microstructure du milieu poreux et de l’hétérogénéité au sein du milieu poreux quelle que soit l’échelle d’observation du champ de vitesse du fluide. Trois processus sont essentiellement à l’origine de ce phénomène (Besnard, 2003) :

 la variation des dimensions des pores entraîne une variation de la vitesse moyenne de propagation d’un pore à l’autre;

 la fluctuation des lignes de courant autour de la direction principale de l’écoulement;  le profil des vitesses à l’échelle du pore est parabolique (maximale au milieu et

minimale à la surface solide).

Les essais de traceur permettent de comprendre quel mécanisme de transport parmi les trois énumérés précédemment (la dispersion cinématique, la diffusion moléculaire ou convection) domine dans les matériaux étudiés. Pendant plusieurs années, cette technique a fourni des informations précieuses en hydrologie et hydrogéologie (voir Maqsoud et al. (2007) pour des applications diverses de traceur. Pour être efficace, un traceur doit être représentatif ou se rapprocher du mouvement ou comportement de l’eau. Trois propriétés principales sont requises pour un traceur artificiel (Milanovic, 1987) : stabilité chimique, faible adsorption et une haute solubilité dans l'eau. En plus de ces propriétés, quelques conditions pratiques doivent être remplies par un traceur efficace (Maqsoud et al., 2007) : (i) la limite de détection basse pour réduire la masse du traceur à être utilisé; ( ii ) les faibles coûts d'achat et d'analyse et ( iii ) la quantification facile. Les principaux traceurs artificiels peuvent être divisés en deux groupes (Käss, 1998): les traceurs solubles et les traceurs particules. Ce dernier type n'est pas considéré comme approprié dans plusieurs études en raison des difficultés de quantification et les coûts élevés impliqués. La catégorie de traceurs solubles comprend les sels (comme le chlorure de sodium, etc.).

Les données obtenues à partir de ces essais permettent d'estimer les différentes propriétés du milieu tel que (Maqsoud et al., 2007): le temps principal de transit du traceur, la vitesse moyenne du traceur, la vitesse maximale du traceur, le pourcentage récupéré du traceur injecté, le volume de la zone de transport, le nombre de peclet, le coefficient de dispersion cinématique et la dispersivité longitudinale.

Un essai de traceur en laboratoire consiste à injecter de l’eau avec une concentration précalculée de traceur en amont de la colonne expérimentale, à mesurer le débit et l’évolution de la concentration de l’eau en traceur à la sortie de la colonne à intervalles de temps définis, et à construire une courbe de concentration du traceur en fonction du temps avec différents temps caractéristiques. L’analyse des courbes de concentration du traceur en fonction du temps à la

sortie ainsi construite peut apporter des informations sur la dispersion et la vitesse d’écoulement du traceur qui permettront d’évaluer l’apport de chaque mécanisme sur le transport du traceur à travers le matériau testé.

Afin d’évaluer l’apport relatif de chaque mécanisme dans le transport d’un soluté, on peut utiliser le nombre de Peclet, qui est défini comme suit (Garges and Baehr, 1998) :

Pe = q.x

D (2.59)

où :

Pe : est le nombre de Peclet ;

q : est le débit spécifique de la phase aqueuse ou gazeuse ;

D : est le coefficient de dispersion (inclus le mécanisme de dispersion et de diffusion); x : est la distance parcourue par le traceur.

Les régimes de transport peuvent alors être divisés en quatre classes selon le nombre de Peclet (Pfannkuch, 1962; Peregoedova, 2012) :

 Pe < 0,01 – La diffusion moléculaire est le mécanisme principal de transport par rapport à la dispersion cinématique;

 0,1 < Pe < 4 – Les deux mécanismes, la diffusion moléculaire et la dispersion cinématique participent dans le transport du soluté;

 4 < Pe < 104 – La dispersion cinématique est le mécanisme principal de transport par rapport à la diffusion moléculaire;

 104 < Pe < 106 – La dispersion cinématique est le seul mécanisme de transport. La diffusion moléculaire est négligeable.

Dans le cas d’essais de traceur dans les matériaux grossiers (exemple des stériles miniers en colonne), la diffusion moléculaire est pratiquement négligeable étant donné que la vitesse d’écoulement de l’eau est grande.

Tel que mentionné auparavant, la construction de la courbe de concentration du traceur à la sortie en fonction du temps permet de déterminer certains « temps caractéristiques » notamment le temps d’advection. Ce temps est évalué comme suit :

Vx (2.60)

où :

L est la distance entre le point d’injection d’un soluté et le point de mesure (souvent la longueur de l’échantillon); et

Vx – la vitesse linéaire d’écoulement interstitiel dans la direction principale [L/T].

On peut évaluer aussi le temps d’arrivée des premières molécules du traceur (tarr). Dans le cas de

l’utilisation du sel (NaCl) comme traceur, le temps de la première arrivée du traceur peut être détecté à partir des mesures de la conductivité de l’eau à l’aide d’un conductimètre (voir chapitre 3 pour les détails).