Simulation de transfert d’eau et de soluté dans un modèle physique réduit .1 Lysimètre et sa classification

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où v [LT^-1] est la vitesse de pore de la fraction d’eau mobile (donc v pour le modèle CDE ou vm pour le modèle MIM).

Le temps caractéristique d’échange, tα [T], représente le temps nécessaire au soluté pour atteindre un état équilibré de la concentration entre les deux fractions mobile et immobile. Ce temps est estimé sous l’effet unique de la diffusion. Il correspond au rapport entre la fraction d’eau immobile et le coefficient cinétique d’échange :

�_� =�_��

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I.4.4 Simulation de transfert d’eau et de soluté dans un modèle physique réduit I.4.4.1 Lysimètre et sa classification

Le terme « lysimètre » est une combinaison des mots grecques : « lusis » = solution et « metron » = mesure (Muller, 1996). Ce terme fait référence à "un dispositif qui isole, entre la surface du sol et une profondeur donnée, un volume de sol ou de terre et comporte à sa base un système de récupération des eaux qui percolent" (Muller, 1996). Le lysimètre est un outil efficace pour étudier les processus hydrologiques dans la zone non saturée et les transferts de polluants appliquées de la surface du sol (métaux lourds, composés organiques, radionucléides ...) (Lanthaler, 2004). Il est largement utilisé dans plusieurs domaines comme l’hydrologie, la science de sol, l’agronomie, l’écologie, la protection de l’environnement ...

Le principal avantage du lysimètre, dont le volume est connu, est la capacité qu’il offre de pouvoir contrôler et mesurer les comportements de l’eau ainsi que l’équilibre chimique dans le sol qu’il contient. D’un volume de grande taille, le sol dans le lysimètre représente des meilleures conditions expérimentales que les colonnes du sol au laboratoire. Comme son nom l’indique, la fonction d’origine du lysimètre est la mesure du transport et de la rétention des solutés dans le sol. Aujourd’hui, il peut également être utilisé pour déterminer

quantitatifs mais aussi en termes qualitatifs et de pronostics des effets de la pollution sur le sol non saturé et, particulièrement, sur la nappe phréatique (Lanthaler, 2004).

Sur la base des caractéristiques différentes, les lysimètres peuvent être classés selon plusieurs critères, à savoir :

- La taille de la surface : Petite (<0.5 m²), standard (0.5 – 1 m²) et grande (> 1 m²) (Lanthaler, 2004).

- La procédure de remplissage : non-remanié (monolithe) et remanié (reconstruit). - Le lysimètre : pondérable et non pondérable.

- L’existence de la nappe : lysimètre avec ou sans nappe (variable ou invariable). - La localisation : lysimètre au laboratoire et/ou sur terrain.

- Le type de sol qu’il contient : sable, argile, limoneux…

- Le système de drainage : système à drainage libre ou à aspiration contrôlée.

I.4.4.2 Lysimètre au laboratoire

Les lysimètres doivent être construits et utilisés en fonction des objectifs de recherche. Chaque type de lysimètre a des avantages et des limitations propres. Un défi majeur pour la recherche est l'amélioration des modèles complexes en utilisant des méthodes de mesure plus précises (Hansen et al., 2000).

Actuellement, la majorité des lysimètres, surtout en Europe, sont mis en œuvre in situ (Lanthaler, 2004). La construction et le suivi de ces expériences à l’échelle du terrain ont l’avantage de révéler des comportements sous les conditions réelles, mais elles sont longues et coûteuses. En outre, les résultats des expériences présentent des difficultés d'interprétation liées à l’existence de régimes d’écoulement transitoire couplés avec l'hétérogénéité spatiale des terrains naturels et au couplage de différents mécanismes physiques, chimiques et biologiques non linéaires (Kaskassian et al., 2009; Kaskassian et al., 2012). Des hypothèses simplificatrices fortes, par exemple, des conditions initiales et aux limites données et l’existence d’un régime d’écoulement permanant pendant les expériences, doivent alors être appliquées. Pour répondre à ces exigences, des lysimètres de laboratoire ont été développés pour tester et valider des modèles qui permettent, d’une part, en prenant en compte le couplage de processus différents (processus en 3D), et, d’autre part, en prenant en compte l'effet de l'hétérogénéité du milieu. Ils constituent une

approche intermédiaire entre des essais dans des conditions de terrain difficiles et de laboratoire trop simplifiées, comme des petites colonnes de taille réduite (Hansen et al., 2000).

Le lysimètre au laboratoire peut être rempli par un sol non-remanié ou remanié. Le sol non-remanié prélevé directement d’un site d’étude assure bien les conditions physiques structurales du sol ; en effet, il contient alors la même structure interne du système poreux que le sol naturel. Ce type de lysimètre est à encourager pour les études des écoulements macroporeux et matriciels. Cependant, le bloc du sol non-remanié peut être facilement endommagé et déformé au cours du processus d’excavation et de transport. Les techniques de préservation de la structure sont alors nécessaires, en particulier, dans l’excavation des sols contenant des graviers ou des roches où existent des problèmes de maintien de la stabilité du bloc de sol (Lanthaler, 2004). Ceci introduit un coût élevé de sa construction. Pour les sols graveleux et sableux, l’utilisation du sol remanié est un choix acceptable (Lanthaler, 2004). Avec un coût modéré de construction, on peut facilement choisir et contrôler à la fois l'agencement structural et textural des matériaux.

Selon des objectifs de l’étude, dans un lysimètre, il peut exister éventuellement une nappe (variable ou invariable). Par exemple, c’est le cas d‘étude des interactions entre la zone non saturée et la zone saturée dans le processus de transfert de soluté vers la nappe. Dans le cas inverse, sans la nappe, tout le milieu du sol est considéré comme un milieu non saturé. D’après la façon dont l'eau est drainée, il existe deux types de lysimètres : les systèmes à drainage libre et les systèmes à aspiration contrôlée (c.-à-d. à pression contrôlée). Dans le premier type, l'eau s'écoule librement à l'extérieur du lysimètre par gravité. Ce lysimètre est facilement construit et ses résultats sont stables en fonction du temps. Pour le lysimètre d’aspiration, l’eau d’infiltration est recueillie en appliquant une pression d'aspiration au niveau de la sortie (à l’aide d’une plaque d'aspiration ou une ventouse) (Lanthaler, 2004). Ce type de lysimètre est généralement plus difficile à contrôler (Bergstrom, 1990). La pression doit être maintenue constante. Cependant, le dispositif d'aspiration peut être modifié physiquement par l'interaction avec l'eau et les solutés ou par des mécanismes de colmatage en fonction de temps (Rimmer et al., 1995a; Rimmer et al.,

pression capillaire dans un lysimètre est vraiment un grand problème. Dans l’étude de l’évaporation de l’eau, un lysimètre pondérable permet de préciser la quantité d’eau dans le sol et sa variation en fonction de temps. Cependant, le coût de construction et de maintenance d’un tel dispositif est très onéreux. Afin d’estimer les paramètres hydriques, des sondes (tensiomètre, TDR (Time-domain reflectometry), …) sont largement utilisées pour mesurer la teneur volumique en eau et la pression capillaire en différentes positions pendant une longue période de temps.

II Matériel et méthodes

Ce chapitre présente le matériel et les méthodes utilisés pour les expériences d’infiltration dans le sol non saturé au laboratoire:

- En colonne de sol de 60 cm de hauteur et 10 cm de diamètre, et

- En lysimètre LUGH (Lysimeter for Urban Groundwater Hydrology) de 60 cm de hauteur, 160 cm de longueur et 100 cm de largeur.

A l’échelle du laboratoire, les essais sont réalisés en régime d’écoulement permanent et en maitrisant : les conditions initiales et aux limites, la nature (texturale et structurale) du milieu et la concentration et le volume de soluté. L’objectif des travaux présentés dans ce chapitre est d’évaluer le rôle de l’hétérogénéité structurale du sol non saturé sur le transfert d’un soluté répandu en surface, en écoulement bi et tridimensionnel. Ensuite, à partir des résultats expérimentaux, un modèle numérique est développé pour modéliser les expériences et les comportements des flux dans le lysimètre LUGH.

L’écoulement dans le milieu non saturé est influencé par l’hétérogénéité du sol, le degré de saturation et la vitesse d’écoulement. Pour déterminer l’effet de ces paramètres, nous avons considéré des profils du sol différents et des débits différents d’injection dans les essais en colonne et en lysimètre. Ces profils sont inspirés des caractérisitiques de la zone non saturée, observées dans l’Est Lyonnais, et en particulier, celles du sous-sol d’un bassin d’infiltration qui a fait l’objet d’étude au LEHNA sur plusieurs années : le bassin d’infiltration Django Reinhardt du GrandLyon.

Ces conditions d’expérimentation différentes sont effectuées à l’aide de traçages couplées à une modélisation des résultats expérimentaux. L’étude de la déformation subie par les signaux des traceurs en sortie de colonne et du lysimètre permet d’identifier et d’évaluer les phénomènes impliqués dans le transport et la rétention au cours du transfert. A partir des résultats expérimentaux, il est alors possible de modéliser (à l’aide d’HYDRUS et COMSOL Multiphysics) le comportement hétérogène de l’écoulement de l’eau et du

Dans nos études, la colonne et le lysimètre ont la même hauteur de sol. Des géométries structurales différentes dans le lysimètre LUGH, nous permettent de d’étudier l’effet d’échelle horizontale (les deux dispositifs ont la même échelle verticale) par rapport à l’écoulement monodimensionnel (essai en colonne). Les essais en colonne ont été réalisés en premier afin de mettre au point le protocole d’essai et les moyens expérimentaux et de valider les modèles numériques en milieu homogène. Leur objectif est de démontrer la faisabilité de la méthode qui sera appliquée sur le lysimètre LUGH.

Différents traceurs sont utilisés pour identifier et comparer leurs comportements en vue d’une étude future sur le comportement de polluants. A cause de la durée de la thèse, ce travail n’a pu être développé qu’en partie, en colonne. La transposition vers le lysimètre sera appliquée lors de projets futurs.