Chapitre I. Devenir des HAP dans le sol : présentation des processus et approches de 2. Réactivité et modélisation du devenir des HAP dans le sol 2.3. Processus de transport 2.3.1. Généralités et définitions L’eau peut entrainer le déplacement des polluants organiques dans le sol par le ruissellement, par la lixiviation et par le lessivage (Fernandes et al., 2006). Le ruissellement est le phénomène décrivant l’écoulement de l’eau et des matières dissoutes et colloïdales qu’elle solubles (i.e. les colloïdes) tandis que la lixiviation concerne le transport d’éléments dissous comme par exemple, les polluants dissouts dans la solution du sol et les matières organiques dissoutes. Le ruissellement des contaminants sur le sol peut entrainer la pollution des eaux de surface comme les lacs, ruisseaux, rivières. La lixiviation et le lessivage peuvent contribuer à la pollution des eaux du sol et de la nappe. La migration des polluants vers les eaux profondes dépend à la fois des propriétés du polluant et de celles du sol. En ce qui concerne les propriétés du polluant, les polluants les plus persistants peuvent présenter des risques accrus de mobilité vers les eaux souterraines. D’après Jones et al. (1989), la quantité transportée des HAP ne décroit pas avec l’augmentation de la masse molaire car les matières organiques dissoutes servent de vecteurs à ces polluants vers les eaux profondes. En terme de propriétés du sol, un sol drainant à faible capacité de rétention (avec peu de matière organique) ou encore la présence d’écoulements préférentiels rapides (Jarvis, 2007) favorisent l’entrainement des polluants par lixiviation vers les eaux profondes. 2.3.2. Modélisation du transport des HAP en solution Le transport d’un composé dissous dans la porosité du sol se produit principalement par l’association de trois processus qui sont la convection, la diffusion moléculaire et la dispersion mécanique. L’équation de la convection-dispersion (ou l’équation générale du transport) est utilisée dans la plupart des modèles mécanistiques pour décrire le transport des solutés en milieu poreux. On citera à titre d’exemple les modèles PEARL (Leistra et al., 2001), PRZM (Carsel et al., 1998) et MACRO (Larsbo and Jarvis, 2003)). L’équation générale de transport est la combinaison des équations de transfert de matière et de la loi de conservation de la masse. Ainsi, pour un transport unidirectionnel, elle a la forme suivante : ¶(r CS) ¶t + ¶(q Cw) ¶t = -¶(vCw) ¶z + ¶ ¶z DLq ¶Cw ¶z æ è ç ö ø ÷ (I-19) Où t est le temps (s), z est la profondeur (m), ⍴ est la masse volumique apparente sèche du sol (kgsol m-3sol), θ est la teneur en eau volumique du sol (m3eau m-3sol), Cw est la concentration de la substance dissoute (HAP) dans la solution du sol (kgsub m-3eau), Cs est la concentration de la substance adsorbée sur la phase solide du sol (kgsub kg-3sol) et DL est le coefficient de dispersion (m2 s-1). Le premier terme à droite de l'équation (I-19) représente le transport du soluté par advection ou convection ; c’est-à-dire par le mouvement de flux d’eau au travers du milieu poreux. Ainsi, la quantité de soluté transporté par advection est fonction de sa concentration et de la vitesse de l’eau. La variable v est donnée par l’équation suivante : v= K q e dh dz (I-20) Avec dh/dz qui est le gradient hydraulique, K la conductivité hydraulique et θe la porosité effective (-). Celle-ci correspond à la partie de la porosité dans laquelle l’eau pourra circuler. Le deuxième terme à droite de l'équation (I-19) représente le transport par le biais de la dispersion liée au coefficient de dispersion apparent DL qui associe le coefficient de diffusion moléculaire De (m2 s-1) basé sur la diffusion de soluté dans un milieu poreux et le coefficient de dispersion mécanique qui est égale à une propriété de la géométrie du milieu poreux, la dispersivité longitudinale du sol (-), multiplié par la vitesse linéaire moyenne v. On a alors : DL=De+l v (I-21) Le premier terme à gauche de l’équation (I-19) est un terme correcteur qui permet de décrire les processus de sorption et désorption des solutés avec la phase solide du sol. Il est également possible, et selon les conditions environnementales gouvernant le milieu d’étude, d’introduire d’autres termes correcteurs qui rendent compte de processus supplémentaires qui peuvent modifier la réactivité du soluté dans la solution du sol (par exemple, la dégradation, le prélèvement par les racines des végétaux, les précipitations atmosphériques). 2.3.3. Modélisation du co-transport des HAP avec la MOD Le transport de contaminants hydrophobes comme les HAP est souvent décrit en prenant en compte la phase adsorbée sur la matière organique dissoute (MOD) qui peut co-transporter le polluant plus en profondeur dans le sol. Les matières organiques dissoutes (MOD) sont des molécules organiques dont la taille n’excède pas 0,46 μm (Zsolnay et al., 1999). Elles représentent une faible fraction des quantités totales de matières organiques. D’après Nierop et al. (2002), cette quantité ne dépasse pas les 1 % de quantité totale de la matière organique du sol. Leur première source est l’activité des plantes et la production d’exsudats racinaires. Leur seconde source définie par McDowell (2003) est l’activité biologique et la décomposition de la matière organique par les micro-organismes du sol. Rav-Acha and Rebhun, (1992) ont proposé un modèle (Figure I.7) basé sur des équilibres de sorption entre le polluant organique, la MOD et la phase solide du sol. Les interactions prises en compte sont les équilibres de sorption : i) entre le polluant organique libre (POL) dans la polluant organique adsorbé sur la phase solide du sol et iii) entre la MOD dans la solution du sol et celle adsorbée sur la phase solide du sol, selon les relations suivantes : KPOL- MOD= CPOL- MOD CPOLCMOD;KPOL- SOL= SPOL CPOL;KMOD= SMOD CMOD (I-22) Avec CPOL-MOD, CPOL et CMOD qui sont les concentrations dans la solution du sol des POL associés à la MOD, des POL libres et du COD respectivement ; SPOLet SMOD représentent les quantités de polluants organiques libres et de COD adsorbés sur la phase solide du sol, et KPOL-MOD, KPOL-sol et KMOD représentent les coefficients de distribution des différentes interactions. En se basant sur des relations additives des concentrations des deux formes de polluants organiques (libres et associées à la MOD) en phase aqueuse et en solution respectivement. Les auteurs calculent alors un coefficient de distribution du polluant total entre la phase liquide et la phase solide du sol, KPOLT selon : KPOLT = SPOLT CPOLT = SPOL+SPOL- MOD CPOL+CPOL- MOD = KPOL- SOL+KMODKPOL- MODCMOD 1+KPOL- MODCMOD (I-23) Avec SPOL-MODla quantité de POL-MOD adsorbée sur la phase solide du sol. La relation a été établie en faisant l’hypothèse simplificatrice que l’objet associé POL-MOD a les mêmes propriétés d’adsorption sur le sol que la MOD. Selon l’équation (I-23), si CMOD=0 (i.e. absence MOD), alors KPOLT =KPOL- SOL. C’est-à-dire que le coefficient de distribution du polluant total devient équivalent au coefficient de distribution du polluant libre sur la surface du sol. Si KPOL- SOL>>KPOL- MOD, alors l’équation (I-23) peut être réécrite comme : KPOLT = KPOL- SOL 1+KPOL- MODCMOD (I-24) Ici, l’équation (I-24) entraîne que l’adsorption du POL total en présence de la matière organique est réduite pour des concentrations croissantes de MOD (KPOLT <KPOL- SOL). Ceci explique l'effet de solubilisation observé dans certaines études qui ont rapporté que la capacité d’adsorption des polluants organiques diminue avec une concentration croissante de MOD, tandis qu’en présence d’une MOD fortement réactive (une valeur de KPOL- MOD élevée), l’inverse se produit. Cette approche d’interaction polluant-MOD a été utilisée par la suite par Sabbah et al.( 2004) dans un modèle de transport convectif dispersif prenant en compte un modèle de sorption à deux types de sites, instantanés et cinétiques. Ils ont pu montrer comment la matière organique dissoute pouvait faciliter le transport de HAP par son effet sur les taux de sorption et de désorption. La décomposition de la matière organique de compost épandu entraine la formation de MOD qui peut favoriser leur solubilité apparente dans la solution du sol par le biais des interrelations entre les polluants organiques et la MOD et donc un entrainement en profondeur par transport facilité (Xiu-hong et al., 2014). Chabauty et al. (2016) ont mis en évidence ce phénomène pour divers contaminants organiques sur des colonnes de sol. Figure I.7. Schéma des interactions entre les polluants libres dans la phase soluble (POL), adsorbés sur les MOD et sur les phases solides du sol (modifié de Barriuso et al. (2011)). Dans le document Modélisation de la dynamique des hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP) dans des sols soumis à un gradient de contamination allant d’un contexte agricole à un contexte industriel (Page 37-41)
