Afin de réaliser nos simulations, nous avons effectué une sélection de quelques POPs. Nous avons choisi le Benzo[a]Pyrène, le PCB-28, le lindane et l’hexaclorobenzène car ils représentent certaines grandes familles de POPs (HAPs, PCBs, pesticides) et qu’ils ont des comportements différents dans l’environnement en termes de volatilité, de persistance, de solubilité, d’affinité à la matière organique ou encore de partition dans l’atmosphère entre la phase gazeuse et la phase aérosol.
Toutefois, on ne se limite pas vraiment à ces seuls polluants car on réalise dans le chapitre 3 une analyse de sensibilité en faisant varier les propriétés physico-chimiques des polluants, et donc dans cette thèse on a une approche assez globale sur les POPs.
1.5.2 Benzo[a]Pyrène
Le Benzo[a]Pyrène (aussi couramment noté BaP) est un POP de la famille des hydrocar- bures aromatiques polycycliques (HAPs) et est par conséquent constitué d’atomes de carbone et d’hydrogène. Les HAPs sont générés pendant la combustion incomplète de matières organiques, lors de l’incinération des déchets agricoles, de la combustion du bois, du charbon ou des ordures ménagères mais surtout lors du fonctionnement des moteurs à essence ou diesel. Les HAPs sont surveillés par l’entreprise EDF de par sa possible production lors de la combustion incomplète du charbon dans les centrales thermiques à flamme. Le BaP est choisi pour représenter les HAPs car c’est le HAP le mieux connu et le plus étudié, et qu’il est particulièrement toxique. Il est en effet reconnu comme cancérogène par l’IARC (International Association for Reasearch on Cancer). Comme les HAPs ne sont pas intentionnellement émis dans l’atmosphère, les restrictions sur les émissions sont plus difficiles à mettre en place que pour les autres POPs directement produits et émis dans l’atmosphère.
Le B[a]P est un HAP lourd car il comporte 5 cycles aromatiques (voir figure 1.4). Il est donc présent majoritairement dans la phase particulaire, comme le laisse supposer sa pression de va- peur saturante et son coefficient de partage octanol-air (voir Annexe A). Il possède également une forte affinité avec la matière organique ce qui va engendrer une faible mobilité dans les sols et une faible tendance à se revolatiliser (voir valeurs de KOC et de constante de Henry H en
Annexe A).
Figure 1.4 – Structure du Benzo[a]Pyrène.
1.5.3 Polychlorobiphényle 28
Les polychlorobiphényles (PCB) sont des composés aromatiques organochlorés dérivés du biphényle, c’est-à-dire qu’ils ont la même structure que le biphényle (C12H10) mais qu’un cer-
tain nombre d’atomes de chlore peuvent remplacer les atomes d’hydrogène (voir par exemple la structure du PCB-28 sur la figure 1.5).
La production industrielle des PCBs a débuté aux Etats-Unis en 1929 (société Monsanto). Les PCBs sont ou ont été utilisés dans de nombreux secteurs industriels comme les matériels électriques, les échangeurs thermiques et hydrauliques, les matières plastiques, les peintures, les revêtements, l’industrie mécanique ou les produits phytosanitaires.
1.5. POLLUANTS ORGANIQUES PERSISTANTS CONSIDÉRÉS 37
Figure 1.5 – Structure du PCB-28.
Le PCB-28 est un POP relativement persistant, il se trouve en majeure partie sous forme gazeuse et est plus volatil que la Benzo[a]Pyrène.
1.5.4 Lindane
Le lindane (ou γ-HCH pour gamma-hexachlorocyclohexane) est un insecticide organochloré de formule C6H6Cl6 (voir figure 1.6). Il a également été utilisé en médecine vétérinaire comme
traitement contre les puces ou les poux, et en médecine humaine pour le traitement de la gale. Il est interdit en France depuis 1998 mais il pollue toujours le sol du fait de sa persitance. Le lindane est un polluant relativement volatil et il est plus soluble et moins persistant que les aures POPs considérés.
Figure 1.6 – Structure du lindane.
1.5.5 Hexachlorobenzène
L’hexaclorobenzène (HCB) a été utilisé depuis 1933 dans les domaines de l’agriculture (uti- lisation comme fongicide et pesticide sur les semences) et de l’industrie (pour la production de colorants, de feux d’artifices et de caoutchouc synthétique).
Le HCB est un polluant très volatil qui est sujet au transport transfrontière.
Chapitre 2
Modèle de Sol pour les POPs
Sommaire
Introduction . . . 40 2.1 Le transport de POPs dans les sols . . . 41 2.1.1 Le sol . . . 41 2.1.2 Sources de contamination du sol . . . 41 2.1.3 Processus de transfert dans les sols . . . 42 2.2 Etat de l’art des modèles existants . . . 46 2.2.1 Hypothèse de transport unidimensionnel . . . 46 2.2.2 Comparaison de modèles de sol . . . 46 2.2.3 Limites des modèles à une seule couche . . . 51 2.3 Modèle de sol multi-couches . . . 52 2.3.1 Choix effectués pour notre modèle de sol . . . 52 2.3.2 Équation d’évolution de la concentration des POPs dans le sol . . . 52 2.3.3 Influence de la température sur les propriétés physico-chimiques des POPs 54 2.3.4 Partition de la concentration atmosphérique entre les phases gazeuse et
particulaire . . . 55 2.3.5 Echanges avec l’atmosphère . . . 56 2.3.6 Echanges avec les autres milieux . . . 58 2.3.7 Bilan en eau . . . 59 2.4 Évaluation du modèle . . . 60 2.4.1 Présentation du modèle MERLIN-Expo implémenté sous Ecolego . . . . 60 2.4.2 Présentation des Mesures expérimentales . . . 62 2.4.3 Données d’entrée utilisées pour la simulation . . . 62 2.4.4 Comparaison Modèle / Mesures . . . 63 2.5 Profondeur d’enfouissement . . . 65 2.5.1 Motivation et définition . . . 65 2.5.2 Méthodologie . . . 66 2.5.3 Résultats . . . 69 2.6 Sensibilité du profil de concentration dans le sol . . . 71 2.6.1 Méthodologie . . . 71 2.6.2 Résultats généraux . . . 71 2.6.3 Contribution de chaque processus . . . 72 2.6.4 Influence des paramètres du sol . . . 73 2.6.5 Influence des propriétés des polluants . . . 79 Conclusion . . . 82
Introduction
Nous avons vu dans le chapitre d’introduction que le sol pouvait être un milieu important dans le devenir des polluants organiques persistants. Le sol agit en effet comme un réservoir en accumulant les dépôts venant de l’atmosphère mais, en raison de la baisse des émissions anthro- piques, le sol peut également contribuer à enrichir l’atmosphère en polluants via les réémissions. Celles-ci dépendent du comportement des polluants dans les sols, des conditions météorologiques et des propriétés du sol. La compréhension des processus impliquant la migration des polluants dans les sols revêt une grande importance car elle va déterminer l’impact sanitaire de ces pol- luants (Bossew and Kirchner, 2004) : la biodisponibilité des polluants vis-à-vis des végétaux cultivés sur les sols agricoles dépend par exemple de la partition entre l’eau porale et les parti- cules du sol, ainsi que des processus d’infiltration vers des couches plus profondes ; au contraire une migration rapide mènera à une contamination accrue des nappes souterraines et donc des sources d’eau potable. Il a été souligné qu’il existait beaucoup de modèles de sol considérant ce système comme “une simple boîte” qui reçoit des polluants. Cependant, négliger ainsi les phé- nomènes ayant lieu dans le sol peut mener à une mauvaise estimation de la partition des POPs entre les différents milieux.
Le modèle multi-milieux Polair3D-POP, développé par Queguiner (2008), est un exemple de ce type de modèle où le sol consiste en un compartiment de concentration homogène. Nous nous sommes demandé si le fait de complexifier ce compartiment en y intégrant des processus de transfert par advection, diffusion ou bioturbation, pourrait améliorer la fiabilité du modèle. Dans cette optique, l’objectif de ce chapitre est de développer un modèle de sol multi-couches, ayant la vocation d’être par la suite couplé au modèle atmosphérique, qui permette de déterminer de façon suffisamment précise le profil de concentration des POPs dans les sols afin notamment de bien estimer les réémissions vers l’atmosphère. Le modèle de sol développé ici considère un sol nu, sans végétation. Celle-ci sera toutefois incluse dans le modèle multi-milieux décrit au chapitre 4.
Dans une première partie, les principaux processus de transport de POPs dans les sols sont exposés à partir d’une étude bibliographique. Puis un état de l’art de différents modèles de transfert de polluants dans les sols est présenté afin de sélectionner des hypothèses de modélisation pertinentes. Après avoir évoqué les limites d’un modèle à une couche, je décrirai alors dans une troisième partie le modèle de sol multi-couches développé dans le cadre de cette étude et implémenté sous la plateforme Ecolego, que je présenterai succinctement. Afin d’éprouver la fiabilité de notre modèle, une comparaison avec des données expérimentales (Cousins et al., 1999b) est ensuite réalisée. Une cinquième partie aborde la notion de profondeur d’enfouissement, qui permet de connaître l’épaisseur de sol dans laquelle une fraction prédéterminée de différents POPs se retrouve. Enfin, pour essayer de comprendre quels sont les processus qui influencent le plus le transfert des POPs dans le sol, une analyse de sensibilité est mise en oeuvre dans une sixième et dernière partie pour plusieurs POPs, ayant des comportements différents.