Principaux modèles analytiques d’évaluation des concentrations en COV dans l’air ambiant

 _        1 I. 1

avec ρ la masse volumique du mélange air-TCE, CTCE, la concentration en TCE dans l’air,

Mair et MTCE la masse molaire de l’air pur et du TCE, respectivement, et ρair la masse volumique de l’air pur.

A partir de l’équation I. 1, la masse volumique du mélange air-TCE calculée varie dont de 1,2 à 1,53 kg.m^-3, pour l’air pur (sans TCE) à la concentration maximale de TCE dans l’air, i.e., à saturation.

Patterson et Davis (2009), trouvent, à partir d’une étude expérimentale de terrain, que, quand le bâtiment est maintenu à pression atmosphérique, la diffusion est le phénomène dominant, mais dès que le bâtiment est en dépression (dépression testée de -12Pa dans leur étude), la convection domine, en particulier si le béton est fissuré.

3.3 Principaux modèles analytiques d’évaluation des concentrations en

COV dans l’air ambiant

De nombreux modèles plus ou moins simplifiés proposent des estimations des flux et concentrations de polluants susceptibles de s’introduire dans l’air ambiant. Une liste et description succincte de ces modèles est disponible dans l’article de Turczynowicz et Robinson (2007). Il existe des modèles proposant des calculs à l’état stationnaire (voir les modèles de Little et al., 1992 ; Ferguson et al., 1995 ; Sanders et Talimcioglu, 1997 ; Park, 1999 ; Parker, 2003), ou en régime instationnaire (par exemple le « Behaviour Assessment Model» de Jury et al., 1993, 1984 et 1990 ; ou les modèles de Sanders et Stern, 1994 ; Labieniec et al., 1996 ; Lin et Hildemann, 1995 ; ou encore Jeng et al., 1996). Cependant, la littérature est également riche en articles récents mettant en doute l’efficacité de ces modèles (Fitzpatrick et Fitzgerald, 2002 ; Hers et al., 2002 et 2003; Tillman et Weaver, 2005), et dans leur rapport pour l’agence de l’Environnement du Royaume-Uni, Evans et al. (2002), qui ont passé en revue dix modèles de transport de vapeurs, ont conclu que pas un seul de ces modèles ne prenait en compte suffisamment de paramètres pour décrire de manière correcte le transfert des polluants gazeux depuis les sols jusqu’à l’air ambiant.

A l’heure actuelle, les modèles les plus utilisés sont ceux de Johnson & Ettinger (1991), particulièrement aux Etats-Unis (ou l’utilisation de ce modèle est même obligatoire pour toute étude de terrain contaminé), et VOLASOIL (Waitz et al., 1996), plus utilisé en Europe. Il s’agit de deux modèles qui prennent en compte des phénomènes de diffusion, de convection et d’advection du contaminant dans le sol et vers l’intérieur du bâtiment. Ces modèles utilisent les paramètres caractéristiques du polluant, du sol et du bâtiment ; notamment la constante d’Henry en présence d’eau, les teneurs en eau et en air, la porosité du matériau de construction, le coefficient de diffusion, le coefficient de partage sol/eau et la concentration initiale du sol.

Nous avons réalisé une étude comparative approfondie de ces modèles (présentée en annexe B-1), le Tableau I. 6 en est un récapitulatif.

Tableau I. 6 : Récapitulatif de la comparaison entre les modèles de Johnson et Ettinger (J&E) et

VOLASOIL.

Modèles : J&E VOLASOIL

Auteurs : ^{Développé par EPA US.}

Johnson et Ettinger, 1991.

Développé par le RIVM. Waitz & al., 1996. Hollande.

Intégré par le « Dutch commercial software Rise Human ».

Développé afin de remédier aux limitations dans ce cas de figure du module de volatilisation du modèle CSOIL.

Utilisations :

Permet d’estimer le transport de substances contaminantes volatiles depuis le sol ou une nappe aquifère vers l'intérieur d'une habitation située à l'aplomb ou proche de la source

Permet l'évaluation des risques dans le cas de contamination du sol et de la nappe par des substances volatiles en tenant compte de la concentration de ces dernières à l’intérieur d'une habitation

Hypothèses :

 Sol homogène

 Pas de dégradation (biologique) ;

 Pas d’autres sources ou puits de pollution (pas de sorption sur les

 Source de contaminant inexhaustible à une certaine profondeur de sol ;

matériaux du bâtiment par exemple)  Pas de sorption des composés volatils dans la zone capillaire ouverte ;

 Pas de transport latéral ou de lixiviation.

 Une seule couche de sol insaturé.

Schématisation des flux : Phénomènes de transport considérés, et zones concernées :

Frange capillaire et ZNS : diffusion dans l’air et l’eau du sol

Frange capillaire : convection et dispersion ZNS : convection dans l’air du sol, et diffusion dans l’air et l’eau résiduelle du sol.

Zone d’influence du bâtiment : convection

Voie de transfert vers l’air intérieur :

Transfert en priorité à travers les voies préférentielles : fissures entre dalle et parois du bâtiment, gaines de câbles, vide ordure…

Pas de prise en compte des voies de circulation préférentielle (uniquement transfert à travers plancher)

« perméabilité de fissure »

Modélisation d’un cylindre équivalent

autour de la dalle de béton ^{Modélisation par des tuyaux verticaux}

Calcul de la concentration dans l’air intérieur :

A l’aide d’un coefficient :

source building C

C . ^{En calculant d’abord la concentration dans} le vide sanitaire.

Perspectives d’amélioration :

Développement (2004) d’un modèle prenant en compte les mélanges de polluants (NADL)

Développement par INERIS d’un modèle pour sols multicouches

Appréciation : ^{Plus simple et plus directe (selon} l’INERIS).

Ces modèles mènent donc à des fortes incertitudes : ils ne prennent pas en compte suffisamment de paramètres de transfert, et sont basés sur de fortes hypothèses. En effet, à titre d’exemple, l’INERIS a réalisé une étude (Hulot et Gay, 2007) à partir de mesures sur site, où les chercheurs ont comparé les résultats des mesures de la concentration de différents polluants avec les prédictions des modèles VOLASOIL et J&E. Ils ont trouvé des résultats différents d’un facteur 10 à 100 entre les modèles, mais également entre les prédictions et les mesures ! Il est aujourd’hui difficile de choisir quel modèle utiliser face à un cas de pollution réel, car l’efficacité d’aucun n’a été prouvée. Ceci montre l’intérêt d’une étude fine afin de

développer un modèle plus solide d’estimation des flux de COV allant du sol à l’air

atmosphérique, ou ambiant ; en étudiant précisément les phénomènes entrant en jeu dans les milieux poreux concernés, et permettant de mieux faire ressortir quels modèles sont utilisables suivant le contexte étudié ...

Dans notre étude, afin d’être sûrs de prendre en compte les bonnes équations et les bons paramètres, nous utiliserons une méthode de changements d’échelle afin de repartir de l’échelle microscopique à laquelle les équations de bases sont valables de manière certaine, pour remonter à l’échelle de nos prélèvements. Cette méthode est courante, mais complexe, nous rappelons donc le principe et présenterons un exemple détaillé dans le chapitre suivant.

C

:

Parmi les polluants organiques, le contaminant qui a été sélectionné pour cette étude est le trichloréthylène (TCE), du fait de l’universalité des cas de pollution au TCE, et de ses caractéristiques physico-chimiques classiques pour un DNAPL qui lui confère un comportement de "DNAPL moyen". D’autre part, sa toxicité relativement plus faible, comparée à certains autres COV, rend possible sa manipulation moyennant quelques précautions pouvant aisément être mises en place (protection de l’expérimentateur par blouse et gants en nitriles, hotte aspirante …).

L’analyse des moyens expérimentaux existant a permis le choix de notre dispositif

expérimental : il apparaît que le dispositif colonne est bien adapté à notre étude. Notre

colonne sera en verre, matériau souvent utilisé pour son bon comportement au contact avec les solvants, et qui nous permettra le contrôle visuel de la mise en place des expériences et de leur évolution dans le temps. La validation de ce dispositif expérimental, et les techniques d’analyse associées seront présentées au chapitre III.

L’étude de la diffusion en milieu poreux, couplée aux autres phénomènes de transfert entre phases, et en particulier dans le béton, matériau hétérogène étudié presque uniquement en génie civil, semble être particulièrement intéressante, car peu étudiée, mais également très compliquée à mettre en place, du point de vue expérimental. Nous devrons donc mettre en place des dispositifs expérimentaux adaptés à l’étude des transferts de gaz agressif à travers un milieu consolidé. La réalisation de duplicats des essais permettra de vérifier la maîtrise des conditions expérimentales. Ceci sera développé dans les chapitres suivants.

Comme c’est souvent le cas, le milieu que nous avons choisi pour représenter le sol est un

sable moyen et pauvre en matière organique. Bien que la technique d’analyse la plus

fréquemment utilisée soit le prélèvement et l’utilisation d’un GC/FID, pour des raisons de disponibilité et de sensibilité, nous utiliserons un GC/ECD (ayant une limite 100 fois plus faible que les GC/FID, selon le constructeur). Le protocole spécifique développé dans cette étude sera présenté au chapitre III.

Dans la description et la modélisation des différents phénomènes entrant en compte dans les transferts à travers le milieu poreux comme le sable et le béton tels qu’ils vont être traités dans les parties suivantes, il est important de bien préciser les outils théoriques et modèles mathématiques utilisés. C’est ce qui fait l’objet du chapitre suivant.