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1 Etude bibliographique

1.5 Modélisation hydrogéochimique

contaminants entre les phases solides après divers traitements (séchage, dessalage du

matériau, dépôt soumis aux conditions atmosphériques…) et différentes lixiviations.

Pour valider les hypothèses émises sur les processus de relargage des éléments et

réaliser des prédictions, des modèles couplés chimie-transport (CHESS-HYTEC [93,114],

PHREEQ-C [123,124] ou LEACHXS-ORCHESTRA [125,5]) sont généralement utilisés.

1.5 Modélisation hydrogéochimique

1.5.1 Objectifs et principes

La modélisation répond à deux objectifs:

1. la prédiction du comportement à la lixiviation : la modélisation simule et extrapole les

résultats des essais de laboratoire aux conditions du stockage ou de valorisation, un calage

du modèle doit être effectuée pour s’assurer de la fiabilité de la prédiction,

2. la validation d’hypothèses: la simulation adéquate des résultats expérimentaux permet de

valider les hypothèses sur lesquelles se base le modèle.

La mobilisation des ETM et leur répartition dans les différents compartiments de

l’environnement mettant en jeu à la fois des phénomènes de transport (convection, diffusion,

dispersion) et des réactions chimiques (précipitation/dissolution, adsorption/désorption…), la

modélisation du terme Source ne peut s’effectuer qu’avec un couplage entre un modèle

géochimique et un modèle de transport.

1.5.1.1 Modèle géochimique

Il calcule la spéciation des différents éléments d’un état initial vers un état de

quasi-équilibre thermodynamique. Les calculs se réfèrent aux bilans de masse (conservation de la

matière) et de charge (électroneutralité), aux lois d’action de masse (modèle à l’équilibre) et à

des lois de cinétiques réactionnelles.

! 2

1.5.1.1.1 Conservation de la matière et lois d'action de masse

Dans un système fermé, selon la loi de Lavoisier, la masse totale des produits est égale

à la masse totale des réactifs consommés. Les modèles "à l’équilibre" considèrent le système à

l’équilibre thermodynamique en répartissant les éléments entre les espèces solides, liquides ou

gazeuses. Les lois d’actions de masse représentent la relation entre les quantités de réactifs et

les produits issue des réactions:

Avec K

j

, constante thermodynamique de la relation j; Nes, nombre d’espèces chimiques dans

la réaction; [C

i

], activité de l’espèce C

i

; 3ji, coefficient stœchiométrique de l’espèce C

i

. Les

lixiviats ou les solutions provenant des déchets étant généralement concentrés en solutés, il est

nécessaire de considérer les activités des espèces ioniques plutôt que leurs concentrations

[126].

2

1.5.1.1.2 L’électroneutralité

Elle est nécessaire à la validité d’une solution, que ce soit pour des résultats d’analyses

chimiques d’échantillons liquides ou pour des résultats de modélisation.

1.5.1.1.3 Cinétique de dissolution et de précipitation et indice de saturation

Les codes géochimiques intègrent des cinétiques de précipitation et de dissolution

selon le sens défini par l'indice de saturation SI:

SI= log(IAP)-log(K

i

)

Avec IAP, produit d'activité ionique; K

i

, produit de solubilité du minéral i ou constante de

dissociation de la molécule i; le produit d'activité ionique étant lui-même défini par:

Avec a

i

et a

m

, activités des espèces i et m; C

m,i

: coefficients stœchiométriques de l’espèce m

en réaction (positif pour les réactifs et négatif pour les produits) pour une molécule de

l’espèce i; M: nombre d’espèces en réaction.

!#2

1.5.1.2 Modèle de transport

Les sédiments stockés ou valorisés (en butte paysagère, sous couche routière…) sont

des milieux poreux où les transferts de matière se font principalement en solution aqueuse,

par diffusion (mouvement brownien), convection et dispersion (transport par flux de la

solution).

1.5.1.2.1 Transport par diffusion

La diffusion est décrite par la première loi de Fick reliant le flux d’une espèce à son

gradient de concentration:

Avec D, coefficient de diffusion dans l’eau; F, flux de l’espèce en solution; C, concentration

de l’espèce en solution. Lorsque l’équation est reliée au bilan de masse sur un volume

élémentaire en considérant D indépendant des concentrations, c’est la seconde loi de Fick

décrit par:

Il est nécessaire de prendre en compte le fait que tout élément en solution doit

contourner les particules ou grains qui composent le milieu poreux, ce qui allonge le

transport. Un coefficient de diffusion effectif (De) est donc utilisé, il est établi par le

comportement de traceurs conservatifs comme les chlorures [127], peu réactifs dans les tests

de percolation dynamique.

1.5.1.2.2 Transport par convection

Les solutés sont entraînés par le flux d’eau, c’est le transport par convection. En milieu

poreux, le trajet de la solution se fait suivants différents chemins préférentiels pour contourner

les particules solides. Il en résulte un étalement dans le temps du transport des solutés car

différents temps de séjour dans le milieu sont observés, c’est la dispersion cinématique ou

longitudinale. Dans les modèles, le transport par convection-dispersion est généralement

décrit par l’équation suivante:

!!2

Avec 4, vitesse d'advection; D

L

, coefficient de dispersion longitudinale; 5, gradient; ∇²,

opérateur de Laplace. On peut généralement regrouper la dispersion et la diffusion sous un

terme de dispersion globale, car les équations ont des descriptions similaires:

D

g

= D

e

+ D

L

Avec D

g

, coefficient de dispersion global. Contrairement à la diffusion moléculaire, le

coefficient de dispersion varie avec les conditions hydrodynamiques, il est proportionnel à la

vitesse d’écoulement [126]:

D

L

= 3.l1l (B)

Avec 3, dispersivité du milieu poreux.

L’écoulement en milieu poreux est décrit par la loi de Darcy généralisée aux milieux

non saturés:

q = -K(6). grad (H)

Avec q, vitesse de Darcy (flux surfacique); K(6), conductivité hydraulique à la teneur en eau

6; H, potentiel total.

1.5.1.3 Couplage chimie/transport:

Il est effectué suivant la relation:

Avec R

i

, vitesse de réaction de l’espèce i

Des problèmes de convergence peuvent se poser lors de la résolution des systèmes

d’équation chimie et transport, c’est pourquoi les deux systèmes sont résolus séparément et le

couplage se fait par intégration de chaque système selon un calcul par itération: (1) calcul de

la chimie, produisant une composition en solutés, (2) calcul du transport, déplaçant les solutés

dans un nouveau milieu, (3) calcul du transport à partir de la chimie (réitération des calculs de

la chimie, etc…) Dans certains modèles, l’hypothèse de l’équilibre local considère que les

réactions chimiques sont instantanées et donc la cinétique réactionnelle devient négligeable

face aux transferts de masse.