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Etude expérimentale de l’effet de l’intensité de la pluie
sur la mobilisation de particule de sol
Thomas Rivière
To cite this version:
Thomas Rivière. Etude expérimentale de l’effet de l’intensité de la pluie sur la mobilisation de particule de sol. [Stage] Université Toulouse III - Paul Sabatier (UPS), Toulouse, FRA. 2009, 31 p. �hal-02818811�
UNIVERSITE PAUL-SABATIER
TOULOUSE
MASTER 2 RECHERCHE HYDROLOGIE, HYDROCHIMIE, SOL,
ENVIRONNEMENT
Rapport de Stage
effectué à
L’Institut National de Recherche
Agronomique d’Avignon
sous la direction de M. Eric Michel
par
Thomas RIVIERE
Etude expérimentale de l’effet
de l’intensité de la pluie sur la
mobilisation de particule de sol
TABLE DES MATIERES
I.
INTRODUCTION ... 5
II.
MATERIEL ET METHODE ... 6
II.1 Prélèvement des colonnes de sol ... 6
II.1.1 Protocole expérimental ... 7
II.2 Le simulateur de pluie ... 7
II.2.1 Protocole expérimental ... 8
II.3 La spectrophotométrie... 10
II.4 La granulométrie ... 11
III.
RESULTATS ET INTERPRETATIONS ... 13
III.1 Forme type d’un hydrogramme et particulogramme... 13
III.2 Teneur moyenne initiale en eau des colonnes T et C ... 15
III.2.1 Colonne T ... 15
III.2.2 Colonne C... 16
III.3 Effet de l’intensité de la pluie (5, 10, 20, 30 mm/h) à pause constante de 23h... 16
III.3.1 Sur la colonne T ... 16
III.3.2 Sur la colonne C ... 19
III.4 Effet de l’intensité de la pluie (5, 10, 15, 20, 25, 30, 35 mm/h) à pause constante de 143h et 23h ... 21
III.4.1 Evolution des courbes cumulées de particules avec l’intensité de la pluie ... 22
III.4.2 Evolution des courbes cumulées de particules avec la durée de la pause. ... 24
III.5 Granulométrie des essais d’infiltrations 31 à 44 ... 25
III.6 Modèle conceptuelle du détachement de particules ... 26
IV.
CONCLUSION ... 28
LISTE DES FIGURES
Fig 1. Dispositif expérimental permettant de simuler les événements pluvieux en laboratoire.
(Majdalani, 2008)... 8
Fig 2. a) hydrogramme (carrés) et particulogramme (losanges) types obtenu lors d’essai d’infiltration sur les colonnes de sol b) Courbe de mobilisation de particule traduisant la masse cumulée de particule en fonction de la masse cumulée d’effluent. ... 14 Fig 3. Evolution du poids de la colonne T selon le numéro de la manipulation ... 15 Fig 4. Evolution du poids de la colonne C selon le numéro de la manipulation... 16 Fig 5. a) Evolution du temps de percée en fonction de l’intensité b) Effet de l’intensité de la pluie sur la vitesse d’écoulement de la solution en milieu poreux... 17 Fig 6. Incidence de l’intensité de la pluie sur le volume de percée... 18 Fig 7. a) courbe cumulée correspondant à des évènements pluvieux d’intensité constant (20 mm/h) et une pause régulière de 23h b) courbe cumulée correspondant aux essais
d’infiltration à intensité variable (5, 10, 20, 30mm/h) et une pause régulière de 23h... 18 Fig 8. Influence de l’intensité de la pluie sur la mobilisation de particules ... 19 Fig 9. a) Evolution du temps de percée en fonction de l’intensité b) Incidence de l’intensité de la pluie sur le volume de percée ... 20 Fig 10. Effet de l’intensité de la pluie sur la mobilisation de particule... 21 Fig 11. Effet de l’intensité de la pluie sur la vitesse d’écoulement de la solution en milieu poreux pour les durées de pause de 23h et 143h ... 22 Fig 12. Incidence de l’intensité de la pluie sur le volume de percée... 22 Fig 13. Evolution de la masse cumulée de particule avec l’intensité de la pluie a) courbe cumulée correspondant à des évènements pluvieux d’intensité variable (5, 10, 15, 20, 25, 30, 35 mm/h) et une pause régulière de 143h b) courbe cumulée correspondant aux essais
d’infiltration à intensité variable (5, 10, 15, 20, 25, 30, 35 mm/h) et une pause régulière de 23h. ... 23 Fig 14. Influence de l’intensité de la pluie sur la mobilisation de particules pour un volume d’eau de 150 mg. ... 23 Fig 15. A gauche effet de la durée de la pause sur la mobilisation pour une intensité de 20 mm/h. La ligne est un ajustement linéaire des points expérimentaux. A droite, aux mêmes données on superpose les résultats obtenus en faisant varier l'intensité pour les deux durées de pause 23 et 143 heures. ... 25
Fig 16. A gauche, distribution de taille des particules présentes dans le premier cm3 d'effluent recueilli en bas de colonne pour trois infiltrations à 5 (essai 33, cercles), 20 (essai 31,
triangles) et 35 (essai 43, carrés) mm/ heure survenant après 143 heures de pause. A droite, position du mode (taille de particule correspondant au pic) pour toutes les infiltrations numéro 31 à 44, réalisées après 143 heures de pause (cercles pleins) ou 23 heures de pause (carré
vide)... 26
Fig 17. Vue d’un profil de sol aux différentes échelles ... 26
Fig 18. Mécanisme de détachement de particules de sol. (a) saturation en eau du sol (b) arrêt de la pluie (c) effet des forces capillaires sur la paroi de deux pores de tailles différentes (d) saturation en eau du sol après une durée de pause ... 27
LISTE DES TABLEAUX
Tableau 1. Caractéristiques physiques et chimiques de la colonne T ... 6Tableau 2. Caractéristiques physiques et chimiques de la colonne T ... 6
Tableau 3. Récapitulatif des expériences menées sur la colonne T. ... 9
Tableau 4. Récapitulatif des expériences menées sur la colonne C ... 10
LISTE DES PHOTOS
Photo 1. Extraction d’une colonne de sol sur le site de l’INRA d’Avignon a) enfoncement vertical b) déblayage du sol autour de la colonne c) soulèvement de la colonne... 7Photo 2. Spectrophotomètre UV/VIS Cary 50 ... 11
Photo 3. Granulo laser Mastersizer Hydro 2000S Malvern a) circulation du fluide à l’aide d’une pompe péristaltique dans le petit mélangeur b) vue de la cuve ou circule les échantillons d’effluents... 12
RESUME
Les particules de taille colloïdale possèdent une surface spécifique importante. Certains des polluants peu solubles peuvent s’adsorber sur ces particules. Le transport de ces polluants vers les nappes souterraines en est facilité. Plusieurs facteurs jouent un rôle important dans la mobilisation des particules de sol (la force ionique de la solution infiltrante, le durée entre deux évènements pluvieux, l’intensité de la pluie, la présence d’interface eau-air dans le sol…). Suite aux différences observées dans la littérature sur l’effet de l’intensité de la pluie, notre étude se porte sur l’effet de l’intensité d’évènements pluvieux sur des colonnes de sol non-remaniés prélevées à proximité et sur le site INRA Avignon. Ces colonnes de sol comportent des chemins d’écoulement préférentiel créé par les vers de terre ou les racines des plantes. On a pu observer que la mobilisation de particules de sol augmentait avec l’intensité. Cette augmentation peut être comprise dans le cadre d'un modele conceptuel de mobilisation en cours de développement à l'INRA.
I. INTRODUCTION
Depuis plusieurs décennies, le transport de particule dans le sol fait l’objet de nombreuses études, notamment sur les particules de tailles colloïdales. De part leurs surfaces spécifiques importantes, les particules colloïdales forment d’excellent sorbants pour les polluants. L’intérêt d’une telle étude est de pouvoir prédire les risques de pollution des sols et des nappes phréatiques. Il a ainsi été démontré que les particules de taille colloïdale constituent de bon vecteur de polluants si ce dernier a une bonne affinité avec ces particules (McCarthy et Zachara, 1989). Ainsi lors d’un évènement pluvieux, les particules adsorbées peuvent être transportés plus vite vers les nappes phréatiques qu’un polluant en solution. Penrose et al., 1990, ont étudié la migration du plutonium et américium (provenant d’un déchet radioactifs liquides traités) dans un sol d’une région semi-aride. Il s’est avéré que les deux actinides migrent plus vite sous forme colloïdale que sous forme ionique.
Afin de mieux prédire l’impact de l’arrivée de polluants adsorbés sur ces particules dans les nappes souterraines, il est important d’étudier les facteurs contrôlant le détachement (mobilisation) de ces particules de sol. Des études portant sur des milieux modèles ont permis de répertorier les facteurs favorisant cette mobilisation. Parmi eux on peut citer : la force ionique de la solution infiltrante (Kretzschmar et al., 1999), la présence d’interface eau-air (Sharma et al., 2008, Sirivithayapakorn et Keller, 2003 ; Wan et Wilson, 1994), la durée de pause entre deux évènements pluvieux successifs (Majdalani et al., 2008 ; Schelde et al., 2008), l’intensité de la pluie (Shang et al., 2008 ; Kaplan et al., 1993 ; Ryan et al., 1998)… Parmi ces facteurs, les résultats obtenus sur l’effet de l’intensité de la pluie sont assez controversés. Shang et al., 2008, ont observé une augmentation de la quantité de particule avec l’intensité de la pluie sur des sédiments séchés puis recompacté dans une colonne qui est ensuite humidifié. Kaplan et al., 1993, ont également fais les même observations sur un lysimètre dont le profil de sol a été reconstruit. D’autres études ne voient aucun effet de l’intensité de la pluie sur la mobilisation (Jacobsen et al., 1996, Ryan et al., 1998, Biddle et al., 1995).
Plusieurs raisons peuvent être avancées quant à ces différentes observations : des expériences effectués avec des conditions initiales différentes (teneur en eau initiale, durée de pause…), le nombre de pluies simulées n’est pas assez importantes (Rousseau et al., 2004, ont étudié l’influence de trois facteurs (force ionique, intensité, teneur en eau initiale) avec douze expériences seulement), le type de sol…
La majeure partie des expériences réalisées pour étudier la mobilisation de particules s’est faites sur des milieux modèles ou des sols reconstruit. A notre connaissance à l’exception de Jacobsen et de Rousseau qui ont utilisé des colonnes de sol intact, l’étude du facteur intensité de la pluie sur la mobilisation a été faite sur des milieux modèles. Le intérêt de notre travail va donc consister à faire des essais d’infiltrations sur des colonnes de sol non-remanié, plus proches de la réalité. Ces colonnes comportent des chemins d’écoulement préférentiels pour l’eau (terriers de vers de terre, espace laissé par des racines décomposées, fissures de dessiccation). Les expériences vont être faites avec des conditions initiales constantes (du moins celles que l’on peut contrôler) de telles sortes que l’on mette bien en évidence l’effet de l’intensité de la pluie.
II. MATERIEL ET METHODE
II.1 Prélèvement des colonnes de sol
L’étude de l’effet de l’intensité de la pluie sur la mobilisation de particule de sol a été effectuée sur deux colonnes de sol non remaniées. On les a nommés colonne T et colonne C (hauteur : 30cm, hauteur de sol 25.6 cm, surface : 96,25cm2).
La colonne T provient d’une des parcelles de terrains cultivés sur le site de l’INRA d’Avignon. Elle a été prélevée le 8 Avril 2008, puis enveloppée dans deux films plastiques et conservée au réfrigérateur à 5°c. Le sol est limono sableux argileux (Calcisol). Le profil pédologique de la zone d’extraction peut être considéré comme un appartenant à un même horizon. Les propriétés physico-chimiques du sol sont reportées dans le Tableau 1 suivant :
Profondeur cm 0-20 Argile <2 µm (%) 46,3 Limon fins 2-20 µm (%) 39,8 Limons grossiers 20-50 µm (%) 7,8 Sables fins 50-200 µm (%) 4,9 Sables grossiers 200-2000 µm (%) 1,2 Carbone organique g/kg 14,3 Matière organique g/kg 24,8 CEC cmol+/kg 17,8
Tableau 1. Caractéristiques physiques et chimiques de la colonne T
La colonne C provient d’un verger de pommier abandonné (proche du site INRA Avignon). Elle a été prélevée en Février 2009. Le sol est principalement composé de limon et d’argile. Les propriétés physico-chimiques du sol sont reportées dans le Tableau 2 suivant :
Profondeur cm 0-20 Argile <2 µm (%) 23,1 Limon fins 2-20 µm (%) 32,5 Limons grossiers 20-50 µm (%) 23,9 Sables fins 50-200 µm (%) 17,1 Sables grossiers 200-2000 µm (%) 3,4 Carbone organique g/kg 17,4 Matière organique g/kg 29,9 CEC cmol+/kg 8,2
II.1.1
Protocole expérimental
Les deux colonnes ont été prélevées par carottage suivant ce protocole:
- enfoncement vertical de la colonne de PVC biseautée par un maillet (Photo 1.a) - déblayage du sol entourant la colonne à l’aide d’une bèche et truelle (Photo 1.b) - soulèvement de la colonne (Photo 1.c)
Avant usage les colonnes sont positionnées sur une grille de PVC (diamètres des trous : 1 mm ; 42% de vide). Cette grille et la colonne remplit de sol qu’elle supporte est ensuite scellée sur un support annulaire en PVC. Le drainage en bas de colonne est libre.
Rem : Des échantillons de sol autour de nos colonnes ont été prélevées afin de pouvoir déterminer les courbes d’étalonnages liant la concentration à l’absorbance spéctrophotométrique ainsi que les propriétés physico-chimiques du sol.
Photo 1. Extraction d’une colonne de sol sur le site de l’INRA d’Avignon a) enfoncement vertical b) déblayage
du sol autour de la colonne c) soulèvement de la colonne
II.2 Le simulateur de pluie
Les essais d’infiltration menés sur les colonnes T et C ont été effectués à l’aide du dispositif expérimental présenté en Fig. 1. Le simulateur de pluie est composé de 29 aiguilles hypodermiques, de 0,5 mm de diamètre, distribués dans un réseau de maille carrée de 2 cm de côté, permettant d’irriguer la surface de la colonne. Les aiguilles sont situées à une dizaine de centimètres de la surface de la colonne. L’effet de l’intensité et la durée de la pluie sont contrôlé par une pompe à impulsion. La pompe à été réglée (course du piston) pour que l’on ait un diamètre des gouttes de l’ordre de 2 mm. Lors des essais d’intensité variable, seule la fréquence des impulsions a été modifiée.
Fig 1. Dispositif expérimental permettant de simuler les événements pluvieux en laboratoire. (Majdalani, 2008)
La solution infiltrante d’une force ionique de 0,2M est fabriquée à partir de MgCl2
solide. Des lors que la solution s’infiltre, on récupère les effluents au bas de la colonne. Un logiciel permet de faire un enregistrement du poids des effluents avec un temps d’acquisition toutes les 5 secondes via la balance 1. Cet enregistrement des différents échantillons obtenus va nous permettre de tracer les hydrogrammes de drainage (flux en fonction du temps). De même la concentration massique des particules lessivées va par la suite être analysée afin de tracer les particulogrammes (concentration massique en fonction du temps). La balance 2 mesure le poids de la colonne + balance 1 + effluents. Pour chaque essai d’infiltration la colonne de sol est pesée en début et fin de manipulation. Cela permet de calculer la teneur en eau moyenne de la colonne.
II.2.1
Protocole expérimental
Notre étude consiste à étudier l’effet de l’intensité de la pluie sur la mobilisation de particules de sol. Pour ce faire le seul paramètre qui va varier sera la fréquence des impulsions de la pompe. Toutes les manipulations se sont faites à « durée de pause » constante, force ionique constante (0,2M) et intensité de pluie variable. On appelle « durée de pause », l’intervalle de temps entre deux pluies successives. Ainsi deux types d’expériences ont été menés sur la colonne T et une sur la colonne C :
Numero manip pause (h)Durée de l'expérience (h)Durée de Intensité (mm/h) distribué (cm3)Volume d'eau 1 0 2 10,82 208,29 2 20,83 1 13,24 127,44 3 139,12 1,1 15,53 164,42 4 28,28 1 19,16 184,42 5 67,73 4 24,58 946,33 7 197,75 1 19,93 191,83 8 63,02 1 20,15 193,94 9 75,15 1 19,89 191,44 10 23,00 1 19,89 191,44 11 23,00 1 19,47 187,40 12 23,00 1 18,91 182,01 13 23,00 1 19,44 187,11 14 64,833 1 20,34 195,77 15 23,002 4 5,57 214,45 16 23 0,667 29,53 189,58 17 23 2 9,83 189,23 18 23 1 19,74 190,00 19 98,33 1 20,32 195,58 20 20 1 20,13 193,75 21 45 1 19,86 191,15 22 2 1 20,45 196,83 23 68 1 19,96 192,12 24 2 1 20,41 196,45 25 43 1 20,34 195,77 26 22 1 20,36 195,97 27 119 1 20,34 195,77 28 23 1 19,94 191,92 29 143 1 20,28 195,20 30 23 1 19,73 189,90 31 143 1 20,3 195,39 32 23 1 20,52 197,51 33 143 4 5,85 225,23 34 23 4 5,89 226,77 35 143 1,333 15,19 194,89 36 22,67 1,333 15,31 196,43 37 143 2 10,62 204,44 38 23 2 10,43 200,78 39 143 0,8 24,97 192,27 40 23 0,8 25,38 195,43 41 143 0,667 29,32 188,23 42 23 0,667 28,62 183,74 43 143 0,57 35,14 192,79 44 23 0,57 35,9 196,96
Intensité variable Deux pauses (143h et 23h)
Obtention d'une teneur en eau stable
Intensité constante Pause constante Intensité constante Pause variable Intensité constante Pause variable
Tableau 3. Récapitulatif des expériences menées sur la colonne T.
La colonne T a subi, sur une durée de une semaine (manip 14 à18), des intensités de pluies de 5, 10, 20, 30 mm/h avec des durées de pause de 23h. Cette expérience a été précédée par 4 pluies à intensité et pause constantes (Manip 10 à 13). Puis une autre expérience a été menée sur une durée de deux mois pour des intensités de pluie de 5, 10, 15, 20, 25, 30 et 35 mm/h, avec une durée de pause de 143h. Ces expériences (pause de 143h) ont toutes été suivies par une autre infiltration d’une durée de pause de 23h (expérience 31 à 44). Entre ces deux séries d’essais, 12 infiltrations a intensité constante et pause variable ont été réalisés (manip 19 à 31).
Numero manip Durée de pause (h) Durée de l'expérience (h) Intensité (mm/h) Volume d'eau distribué (cm3) 1 0 4 7,72 297,22 2 120,38 1,5 14,5 209,34 3 45,37 1 19,79 190,48 4 46,75 0,667 29,89 191,89 5 92,25 0,567 33,67 183,75 6 25,52 1 20,37 196,06 7 23,15 0,667 30,57 196,26 8 121,42 1 20,73 199,53 9 41,93 1 20 192,50 10 764,75 1 20,01 192,60 11 23,00 1 19,57 188,36 12 23,07 1 20,28 195,20 13 23,27 1 20,53 197,60 14 23,02 1 20,15 193,94 15 238,65 1 19,37 186,44 16 23,00 1 19,28 185,57 17 23,00 4 5,56 214,06 18 23,03 0,667 30,2 193,88 19 23,02 2 10,52 202,51
Tableau 4. Récapitulatif des expériences menées sur la colonne C
La colonne C quant à elle a subi sur une durée de une semaine, des intensités de pluies de 5, 10, 20, 30 mm/h avec des durées de pause de 23h (Manip 15 à 19). Cette expérience a été précédée par 4 pluies à intensité et pause constantes (Manip 10 à 14)
Pour les deux colonnes, neuf infiltrations préliminaires ont été réalisées. Ces infiltrations ont été effectuées jusqu’à ce que la teneur en eau de la colonne se stabilise. Il est à noter que la durée d’infiltration a été calculé de tel sorte que l’on ait le même volume d’eau distribué dans la colonne. Pour des durées de pauses « courtes », c'est-à-dire inférieure à 24 h les colonnes de sol ont été conservé à température ambiante et fermé par une plaque en PVC à son sommet. Pour des pauses supérieures, la colonne de sol est enveloppée dans un sac imperméable et fermé à son sommet.
II.3 La spectrophotométrie
Principe : cet appareil mesure l’absorbance d’une solution à une longueur d’onde donnée. Lorsqu’une intensité (I0) émise par une source polychromatique traverse une solution, une
partie de ce faisceau est absorbé par le soluté. L’intensité de la lumière transmise (I) est inférieure à I0. L’absorbance ou densité optique (DO) est défini par la relation suivante :
La densité optique des effluents de la colonne T et C est mesurée par un spectrophotomètre UV/VIS (CARY 50) en utilisant un faisceau d’une longueur d’onde de 400 nm (Photo 2). Des lors les concentrations massiques de nos effluents vont pouvoir être établies, à l’aide d’une droite d’étalonnage.
Photo 2. Spectrophotomètre UV/VIS Cary 50
Les solutions étalons sont préparées à partir d’une solution mère provenant d’échantillon de sol prélevé à proximité du lieu de carottage. La solution mère est obtenue par dissolution d’échantillon de sol dans de l’eau déionisé. Pour connaître la concentration massique de la solution mère, on place un volume connu de solution mère à 100°c pendant 5 jours. Puis on pèse le résidu sec. La solution mère a été diluée : 10X, 20X, 50X, 100X, 200X, 500X, 1000X. L’absorbance de chacune de ces solutions diluées est mesurée par spectrophotométrie. Ces valeurs sont alors corrélées à leurs concentrations massiques pour obtenir les courbes d’étalonnages.
Les valeurs des concentrations massiques de chaque effluent sont obtenues en multipliant la pente de la courbe d’étalonnage par leurs densités optiques.
Afin d’éviter les fortes variations de densité optique entre deux mesures successives sur un même échantillon, notamment du à la sédimentation des grosse particules, les échantillons passe dans une cuve relié à une pompe péristaltique. De même la cuve est nettoyée par de l’eau MQ entre deux mesures d’échantillons différents.
Rem : Les effluents les plus riches en particules sont dilués juste avant leur mesure.
II.4 La granulométrie
Principe : Cet appareil permet de mesurer la taille de particules. C’est une technique basée sur le principe de diffusion d’un faisceau laser. Lorsque la lumière éclaire une particule, on peut observer un phénomène de diffusion. Pour des particules inférieures à 100 µm (selon la théorie de Mie), l’intensité de la lumière en fonction de l’angle de diffraction dépend de la taille des particules.
La distribution granulométrique de chaque effluent est caractérisée par granulométrie laser. Le granulomètre laser utilisé est le Mastersizer Hydro 2000S Malvern (Photo 3). Sa gamme de mesure s’étend de 20 nm à 2 mm. Le faisceau laser est composé d’un laser hélium-néon et d’une diode laser dont la longueur d’onde est 488 nm. La solution dispersante utilisée est l’eau avec un indice de réfraction de 1,33. L’indice d’absorption et de réfraction utilisé pour nos solutions en suspensions sont respectivement de 0,001 et 1,475. Nos mesures ont permis de connaître la distribution angulaire de l’intensité diffusée pour remonter ainsi à la distribution de taille des particules.
Photo 3. Granulo laser Mastersizer Hydro 2000S Malvern a) circulation du fluide à l’aide d’une pompe
péristaltique dans le petit mélangeur b) vue de la cuve ou circule les échantillons d’effluents
Etant donné que nous avions de faibles quantités de solution, les mesures ont été faites dans le petit mélangeur. Pour éviter la sédimentation des grosses particules, nous avons utilisé une pompe péristaltique pour faire circuler les fluides. La cellule est rincée entre deux mesures.
III. RESULTATS ET INTERPRETATIONS
III.1 Forme type d’un hydrogramme et particulogramme
Lors de nos expériences d’infiltrations, un logiciel permet l’acquisition de données (toutes les 5s). Ces données enregistrent la masse des effluents recueillis au bas de nos colonnes de sol. Cela nous permet ainsi de tracer des hydrogrammes (Fig. 2.a - carrés) et ainsi de suivre l’évolution du flux au cours du temps. Pour chacune de nos expériences (sur la colonne T et C), nous avons obtenu des hydrogrammes contenant les trois phases distinctes suivantes : la première phase (dite transitoire) correspond à l’augmentation rapide du flux dans la colonne de sol, la seconde phase (stationnaire) est décrite par l’installation d’un régime permanent de l’écoulement, enfin la troisième phase dénote une diminution rapide du flux (due à l’arrêt de la pluie) jusqu’à la fin du drainage. Pour la suite de notre travail, le temps au bout duquel les premiers effluents traversent le bas de la colonne sera appelé le temps de percée (tp) et correspond donc au début de la première phase de notre hydrogramme. La détermination des concentrations massiques des particules lessivées en fonction du temps par le spectrophotomètre permet l’obtention des particulogrammes (Fig. 2.a – losanges). Comme précédemment, ces courbes types ont été obtenues pour chacune de nos manipulations. Pour chacune d’elle, on a observé un pic de concentration initial de particules très élevé qui décroit au cours de l’infiltration pour tendre vers un niveau plus ou moins constant. L’apparition de ce pic est corrélée avec l’augmentation du flux. L’observation de ce pic initial est en accord avec les recherches précédentes sur l’infiltration d’eau dans un milieu poreux (El Farhan et al., 2000; Shang et al., 2008 ; Zhuang et al., 2007). Aussi, Jacobsen et al., 1997, ont noté l’apparition d’un pic de concentration initiale élevé lors de la phase transitoire de l’hydrogramme pour des infiltrations sur des colonnes de sol à structure sableuse. Ce pic est suivi d’une décroissance de la concentration vers un niveau bas et constant.
Afin de mieux apprécier l’évolution de masse de particule recueillis dans les effluents, on trace une courbe de masse cumulée de particule lessivée en fonction de la masse d’effluents cumulée (Fig. 2.b). La masse d’eau cumulée est trouvée en ajoutant pour chaque flacon, la masse de l’effluent précédemment recueillis. La masse de particule cumulée quant à elle est obtenue en multipliant la concentration massique des échantillons par sa masse d’eau cumulée. Pour toutes les courbes cumulées, on remarque deux phases distinctes : la première phase correspond à une mobilisation rapide de particules que l’on nommera pour la suite de notre rapport le « pic » ; le pic de la courbe cumulée est généré par la contribution du pic de concentration initial du particulogramme. La plus forte mobilisation de particule est apportée par les particules lessivées par le front d’imbibition lors de sa percée. Il y a ensuite une seconde phase caractérisée par une faible augmentation de la mobilisation de particule jusqu’à la fin du drainage, nommée par la suite « queue ». Lors d’un évènement pluvieux, il y a plus de particules apportées par les premiers 35 cm3 d’eau (qui correspondent à 16 minutes de drainage) que pour les 155 cm3 d’eau suivant (qui correspond à 150 minutes de drainage). Les premiers centimètres cubes d’eau contiennent plus de 50 % des particules totales mobilisés. Cette mobilisation s’atténue au cours du temps.
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 0 0,5 1 1,5 2 2,5 Temps (h) C o n c e n tr a ti o n ( m g /l ) 0 5 10 15 20 25 30 35 40 F lu x ( m m /h ) 0 5 10 15 20 25 30 35 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
Masse cumulée d'éffluent (g)
M a s s e c u m u lé e d e p a rt ic u le d a n s le s é ff lu e n ts ( m g )
Fig 2. a) hydrogramme (carrés) et particulogramme (losanges) types obtenu lors d’essai d’infiltration sur les
colonnes de sol b) Courbe de mobilisation de particule traduisant la masse cumulée de particule en fonction de la masse cumulée d’effluent.
b)
Contribution du pic
III.2 Teneur moyenne initiale en eau des colonnes T et C
III.2.1 Colonne T
Evolution de la masse de la colonne de sol aux cours des essais d'infiltrations 5750 5800 5850 5900 5950 6000 6050 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Numero de l'expérience M a s s e d e l a c o lo n n e ( g )
Fig 3. Evolution du poids de la colonne T selon le numéro de la manipulation
Le graphique ci-dessus représente la masse de la colonne en fonction du numéro d’expérience ; les pics inférieurs correspondent à la masse de la colonne pesée avant le début de l’infiltration ; les pics supérieurs correspondent à la masse de la colonne avant manipulation ajouté à la masse d’eau infiltrée pendant la durée de la pluie.
Plusieurs essais d’infiltrations ont été appliqués à la colonne de sol afin d’avoir une teneur en eau moyenne globale constante dans notre milieu poreux. Les essais d’infiltrations 1 à 8 ont permis d’atteindre cette teneur en eau moyenne constante. Ainsi les expériences numéros 10 à 13 effectués avec une durée de pause de 23h et intensité de 20 mm/h atteste de cette teneur en eau initiale de la colonne comme étant constante (5961,60 ± 0,67 g). Pour la suite des expériences on remarque cependant une faible variation de ces teneurs initiale moyenne qui tend même à croitre. Les essais 31 à 44 correspondent à des expériences à intensité variable (5, 10, 15, 20, 25, 30, 35 mm/h) et des temps de pauses constant. Les essais 31, 33, 35, 37, 39, 41, 43, ont été effectués à un de temps de pauses constant (143h), la masse moyenne calculée pour ces essais est de 5971,2 ± 3,8 g. Les essais 32, 34, 36, 38, 40, 42 ont subi une pause constante de 23 heures, la masse moyenne de la colonne pour cette série de manipulation est de 5974,9 ± 3,8 g. Le masse moyenne de la colonne de sol post infiltration reflète la teneur moyenne globale en eau.
Essais 1 à 8 Essais 10 à 13
Essais 15 à 18
III.2.2
Colonne C
Evolution de la masse de la colonne au cours des essais d'infiltrations
5950 6000 6050 6100 6150 6200 6250 6300 6350 6400 6450 0 5 10 15 20 25
Numero de l'expérience
M
a
s
s
e
d
e
l
a
c
o
lo
n
n
e
(
g
)
Fig 4. Evolution du poids de la colonne C selon le numéro de la manipulation
Comme précédemment des essais préliminaires (essai 1 à 9) ont été effectués sur la colonne C afin d’obtenir une teneur initiale en eau globale constante (Fig. 4). Les essais 11 à 14 correspondent aux expériences menées à intensité constante (20 mm/h) et une pause fixe de 23h. Le poids moyen de la colonne lors de ces manipulations est de 6325,2 ± 5,9 g. Les essais 16 à 19 correspondent aux expériences menées aux intensités variables et pause fixe (23h). Le poids moyen de la colonne lors de ces manipulations est de 6343,7 ± 4,7 g. Notons que l’amplitude des oscillations décroit des essais 1 à 19 sur cette colonne C, alors qu’elle reste sensiblement constante à partir de l’essai 10 sur la colonne T.
III.3 Effet de l’intensité de la pluie (5, 10, 20, 30 mm/h) à pause
constante de 23h
III.3.1
Sur la colonne T
Pour cette manipulation, quatre infiltrations successives ont été appliquées à la colonne T. L’intensité de la pluie est le seul paramètre ayant varié lors de ces essais. Ainsi tous les autres paramètres que l’on pouvait contrôler sont restés constant : la chimie de la solution infiltrante (force ionique de 0,2M), le temps de pause (23h) et le volume d’eau distribué. Ces essais d’infiltrations ont été précédés par une succession d’évènements pluvieux sur une semaine avec une intensité constante de 20 mm/h (essais de référence,
Les essais d’infiltrations ont montré une variation du temps de percée avec l’intensité (Fig. 5.a - carrés). Le temps de percée diminue avec l’augmentation de l’intensité de la pluie. La fig. 5.b - carré représente l’inverse du temps de percée en fonction de l’intensité de la pluie. Si on multiplie la longueur du chemin emprunté par le fluide avec l’inverse du temps de percée, on obtient une valeur homogène à une vitesse. Notons que nos essais de référence (essais 10 à 14) représenté sur la figure a) et b) par des losanges, donnent des temps de percée similaire à celui de l’essai 15 à 18 pour une intensité de 20 mm/h. La vitesse d’écoulement croit linéairement avec l’augmentation de l’intensité. Le temps de percée est relié à la teneur en eau locale du sol.
Evolution du temps de percée avec l'intensité de la pluie 0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0 10 20 30 40 Intensité (mm/h) T e m p s d e p e rc é e (h )
Effet de l'intensité de la pluie sur les vitesses d'écoulement y = 0,7674x R2 = 0,9956 0 5 10 15 20 25 30 0 10 20 30 40 Intensité (mm/h) 1 /t p ( h -1 )
Fig 5. a) Evolution du temps de percée en fonction de l’intensité b) Effet de l’intensité de la pluie sur la vitesse
d’écoulement de la solution en milieu poreux
Le volume de percée (Vp) correspond à la quantité d’eau nécessaire pour que la première goutte de solution arrive au bas de la colonne. Ce volume est calculé en multipliant l’intensité de la pluie par le temps de percée. La fig. 6 ci-dessous représente l’évolution du volume de percée en fonction de l’intensité. Son évolution est constante quelque soit l’intensité de la pluie. En moyennant ces valeurs de Vp on obtient une quantité moyenne de 12,795 ± 0,385 cm3.
Le Vp dépend de deux paramètres : la géométrie du chemin le plus court que parcourt le fluide dans un milieu poreux et de l’humidité initiale. Nous pouvons en déduire que le fluide emprunte lors de chaque infiltration le même chemin (le plus court) pour arriver au bas de la colonne quelle que soit l’intensité de la pluie et que la teneur en eau initiale de ce chemin est constante.
Le fait que la masse de la colonne et que Vp soient constants permet de conclure que la teneur en eau initiale moyenne de la colonne et la teneur en eau locale (du chemin d’écoulement préférentiel) est constante.
Evolution du volume de percée avec l'intensité
0
5
10
15
20
0
10
20
30
40
Intensité (mm/h)
V
p
(
c
m
3)
Fig 6. Incidence de l’intensité de la pluie sur le volume de percée
Ainsi le seul facteur que l’on ne pouvait contrôler (la teneur en eau initiale) reste constant. Le facteur principal de notre étude dans le détachement de particule est donc l’intensité de la pluie. Il est de nature hydrodynamique
III.3.1.1
Evolution des courbes cumulées de particules avec l’intensité de
la pluie
Les courbes cumulées correspondant aux essais d’infiltrations sont exposées sur la Figure.
Mobilisation de particule lors des essais de références
0 10 20 30 40 50 0 50 100 150 200 250
Masse d'eau cumulée (mg)
M a s s e c u m u lé e d e p a rt ic u le ( g ) T#10 - Intensité de 19,89 mm/h T#11 - Intensité de 19.47 mm/h T#12 - Intensité de 18.91 mm/h T#13 - Intensité de 19.44 mm/h
Effet de l'intensité de la pluie sur la mobilisation de particule pour un temps de pause de 23h
0 10 20 30 40 50 0 50 100 150 200 250
Masse d'eau cumulée (g)
M a s s e c u m u lé e d e p a rt ic u le ( m g ) T#16 - Intensité de 29,53 mm/h T#18 - Intensité de 19,74 mm/h T#17 - Intensité de 9,83 mm/h T#15 - Intensité de 5,57 mm/h
Fig 7. a) courbe cumulée correspondant à des évènements pluvieux d’intensité constant (20 mm/h) et une pause
régulière de 23h b) courbe cumulée correspondant aux essais d’infiltration à intensité variable (5, 10, 20, 30mm/h) et une pause régulière de 23h
Les Fig. 7.a et b montrent une allure similaire pour les 8 essais d’infiltrations pour des pauses constantes. On note en particulier que les pentes des queues sont identiques pour tous les évènements pluvieux. En ce qui concerne les essais de référence (essai 10 à 13), les courbes sont presque superposables. Pour un volume d’effluents donné (150 mg), la masse cumulée de particule varie entre une valeur minimale de 16,3 mg et une valeur maximale de 21,475 mg. Elle oscille autour d’une valeur moyenne de 18,7 mg avec un écart types de 2,3 mg.
En faisant varier l’intensité de la pluie (Fig. 7.b), on observe une variation de l’amplitude du pic. La queue reste sensiblement la même pour les différentes intensités avec une valeur moyenne de la pente de 0,0516 ± 0,003 mg.g-1. Toujours pour un même volume d’eau donné (150 mg), la masse cumulée de particule varie entre un minimum de 12,6 mg et un maximum de 44,8 mg. La comparaison de ces séries d’infiltration (essais de références et intensité variable) montre une différence significative d’amplitude. Cela démontre bien l’influence de l’intensité de la pluie sur la mobilisation de particule qui fait l’objet de notre étude.
L’influence de ce paramètre est encore plus apparente si on représente la mobilisation de particules pour un même volume d’eau (150 mg) en fonction de l’intensité de la pluie pour les deux jeux de données (Fig. 8): intensité et pause fixe (losange bleu) et intensité variable et pause fixe (carré noir)
Effet de l'intensité de la pluie sur la mobilisation de particule
0 10 20 30 40 50 0 5 10 15 20 25 30 35
Intensité (mm/h)
M
a
s
s
e
c
u
m
u
lé
e
d
e
p
a
rt
ic
u
le
p
o
u
r
1
5
0
m
L
d
'e
ff
lu
e
n
t
(m
g
)
Fig 8. Influence de l’intensité de la pluie sur la mobilisation de particules
La mobilisation totale de particule de sol croit avec l’intensité de la pluie. L’augmentation de l’intensité de 5 mm/h à 30 mm/h induit respectivement une mobilisation croissante de 12,57 mg à 44,80 mg.
Cette augmentation de mobilisation est due uniquement à une augmentation de l’amplitude du pic de concentration qui on lit pendant la phase transitoire ou l’écoulement. La mobilisation de particules augmente avec l’intensité. Des résultats similaires ont pu être trouvés dans des articles explorant l’effet de l’intensité de la pluie sur la mobilisation de colloïde. Shang et al., 2008, ont observé une augmentation de la quantité de colloïde avec l’intensité sur des sédiments séchés puis recompacté dans une colonne qui est ensuite humidifié. Kaplan et al., 1993, ont constaté que la concentration en particule de sol était proportionnelle à l’intensité du flux pour des essais d’infiltrations pratiqué sur un lysimètre dont le profil de sol a été reconstruit.
III.3.2
Sur la colonne C
Les essais précédents ont été produits sur autre colonne (colonne C) provenant d’un sol légèrement différent. Les résultats des expériences obtenues sur la colonne T étant
concluante, quatre infiltrations successives ont été appliquées à la colonne C. Les essais d’infiltrations menées sur cette colonne de sol reprennent exactement les mêmes conditions expérimentales appliquées précédemment ainsi que le même modèle opératoire (intensité variable et pause fixe).
Les essais d’infiltrations corroborent les résultats obtenus sur la colonne T : le temps de percée diminue avec l’augmentation de l’intensité (Fig. 9). Notons que le volume de percée croit vers une valeur maximum de 25,7 cm3 puis diminue vers une valeur minimale de 7,3 cm3. Les essais de référence (essais 10 à 14) représenté sur la fig. 9.a et b par des losanges, donne respectivement des temps de percée et des volumes de percées similaire aux essais 16 à 19 pour une intensité de 20 mm/h.
Le Vp n’est pas constant lors des essais d’infiltration 16 à 19. Ce résultat est très important pour la suite de notre travail. On vient de démontrer que même si la teneur moyenne globale initiale en eau de la colonne est constante (6343,7 ± 4,7 g) elle n’implique pas forcement une teneur en eau locale constante. On peut penser que lors de ces manipulations, l’écoulement du fluide dans le sol n’a pas tout le temps parcouru le même chemin préférentiel.
Evolution du temps de percée avec l'intensité de la pluie 0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0 10 20 30 40 Intensité (mm/h) T e m p s d e p e rc é e (H )
Evolution du volume de percée avec l'intensité
0 5 10 15 20 25 30 35 0 10 20 30 40 Intensité (mm/h) V p ( c m 3 )
Fig 9. a) Evolution du temps de percée en fonction de l’intensité b) Incidence de l’intensité de la pluie sur le
volume de percée
La comparaison des courbes cumulées entre l’essai de référence (essai 11 à 14) et les essais à intensités variables et pauses fixes (essai 16 à19) ne montre pas de variations d’amplitudes significatives. En effet les variations de mobilisation lors des essais avec intensité variable (Fig. 10 – carrés) sont du même ordre de grandeur que celles observées lors des essais de références (Fig. 10 – losanges)
Effet de l'intensité de la pluie sur la mobilisation de particule 0 2 4 6 8 10 12 0 10 20 30 40 Intensité (mm/h) M a s s e c u m u lé e d e p a rt ic u le p o u r 1 5 0 m L d 'e ff lu e n t (m g )
Fig 10. Effet de l’intensité de la pluie sur la mobilisation de particule
Il se pourrait que aux variations de masse cumulée de particule liée à l’intensité de la pluie se superposent des variations liées à celle de l’humidité initiale (Vp non constant et masse de la colonne non stabilisée).
III.4 Effet de l’intensité de la pluie (5, 10, 15, 20, 25, 30, 35 mm/h) à
pause constante de 143h et 23h
Suite aux premiers essais d’infiltrations, une croissance de la mobilisation de particule avec l’intensité semble être observée. Or quatre points d’intensité variables ne nous permettent pas de décrire correctement cette courbe. D’où l’intérêt de faire de nouveaux essais infiltrations prenant en compte des intensités supplémentaires.
Comme précédemment le seul facteur variable mené sur cette expérience est l’intensité de la pluie (5, 10, 15, 20, 25, 30, 35 mm/h). Cependant deux durées de pause ont été testées. Les évènements pluvieux provoqués aux pauses de 143h ont toujours été suivies d’un essai d’infiltration 23h après. Ces deux évènements successifs sont effectués aux mêmes intensités (Tableau). De même ces essais d’infiltration d’eau dans le sol ont été effectués avec certaines conditions expérimentales constantes : teneur moyenne initiale en eau, la chimie de la solution infiltrante (force ionique de 0,2M), le temps de pause et le volume d’eau distribué.
L’étude de temps de percée nous mène à la même conclusion que les essais précédents (Fig. 11) : les vitesses d’écoulement du fluide à l’intérieur de la colonne de sol augmentent linéairement avec l’intensité. Cet écoulement est plus rapide pour des durées de pause de 23h avec une pente de 0,88 contre 0,79 pour une pause de 143h. Cette différence de vitesse est due à la teneur initiale locale d’eau de la colonne. Cette affirmation est confortée par la différence entre les volumes de percée pour les deux temps de pause Les volumes de percée (Fig. 12) sont restés constant tout au long des essais : 12,064 ± 0,575 cm3 pour un temps de pause de 143h et 10,698 ± 0,585 cm3 pour une durée de pause de 23h. La teneur en eau de la porosité du chemin préférentiel est plus importante pour des temps de pauses courts. D’où un écoulement plus rapide.
Effet de l'intensité de la pluie sur la vitesse d'écoulement y = 0,8799x R2 = 0,9912 y = 0,7877x R2 = 0,9915 0 10 20 30 40 0 20 40 Intensité (mm/h) 1 /t p ( h -1 ) 1/tp - pause 143h 1/tp - pause de 23h
Linéaire (1/tp - pause de 23h ) Linéaire (1/tp - pause 143h )
Fig 11. Effet de l’intensité de la pluie sur la vitesse d’écoulement de la solution en milieu poreux pour les durées
de pause de 23h et 143h
Evolution du volume de percée avec l'intensité
0 2 4 6 8 10 12 14 0 10 20 30 40 Intensité (mm/h) V p ( c m 3 ) Vp - pause 143h Vp - pause 23h
Fig 12. Incidence de l’intensité de la pluie sur le volume de percée
III.4.1 Evolution des courbes cumulées de particules avec l’intensité de la
pluie
Effet de l'intensité de la pluie sur la mobilisation de particule pour un temps de pause de 143h
0 10 20 30 40 50 60 70 80 0 50 100 150 200 250
Masse cumulée d'eau (mg)
M a s s e c u m u lé e d e p a rt ic u le ( g ) T#43 - Intensité de 35,14 mm/h T#41 - Intensité de 29,32 mm/h T#39 - Intensité de 24,97 mm/h T#37 - Intensité de 20,3 T#35 - Intensité de 15,19 mm/h T#37 - Intensité de 10,62 mm/h T#33 - Intensité de 5,85 mm/h
Effet de l'intensité de la pluie sur la mobilisation de particule pour un temps de pause de 23h
0 10 20 30 40 50 60 70 80 0 50 100 150 200 250
Masse cumulée d'eau (mg)
M a s s e c u m u lé e d e p a rt ic u le ( g ) T#44 - Intensité de 35,9 mm/h T#42 - Intensité de 28,62 mm/h T#40 - Intensité de 25,38 mm/h T#32 - Intensité de 20,52 mm/h T#36 - Intensité de 15,31 mm/h T#38 - Intensité de 10,43 mm/h T#34 - Intensité de 5,89 mm/h
Fig 13. Evolution de la masse cumulée de particule avec l’intensité de la pluie a) courbe cumulée correspondant
à des évènements pluvieux d’intensité variable (5, 10, 15, 20, 25, 30, 35 mm/h) et une pause régulière de 143h b) courbe cumulée correspondant aux essais d’infiltration à intensité variable (5, 10, 15, 20, 25, 30, 35 mm/h) et une pause régulière de 23h.
Comme précédemment, on remarque une même tendance : une augmentation de l’amplitude du pic et la queue qui reste sensiblement la même pour les deux temps de pauses testés.
Cependant, sur la Fig. 13, les courbes cumulées obtenues ne suivent pas toutes l’évolution des courbes du premier essai. Sur ce jeu d’essai, la mobilisation de particule est plus forte pour une intensité de 25 mm/h que pour une intensité de 30 mm/h. On remarque la présence d’un pallier lors d’un événement pluvieux de 20 mm/h, cela est du à l’apparition d’un second pic de concentration sur le particulogramme. Les autres courbes cumulées quant à elle suivent l’évolution des premiers essais.
Pour rendre les variations de mobilisation en fonction de l’intensité plus visible, la courbe de mobilisation a été tracée pour un volume d’eau de 150 mg (Fig. 14).
Effet de l'intensité de la pluie sur la mobilisation de particule
0 10 20 30 40 50 60 70 80 0 10 20 30 40 Intensité (mm/h) M a s s e c u m u lé e d e p a rt ic u le m o b il is é e p o u r 1 5 0 m L d 'e ff lu e n t
Mobilisation - pause 143h Mobilisation - pause 23h
Fig 14. Influence de l’intensité de la pluie sur la mobilisation de particules pour un volume d’eau de 150 mg.
On peut noter une certaine analogie dans l’allure des courbes de mobilisation pour une durée de pause de 23h et 143h. On distingue une augmentation de la mobilisation de particules jusqu’à un certain seuil (25 mm/h pour une pause de 143h ; 20 mm/h pour une pause de 23h). Au delà de ce seuil, la mobilisation de particule semble fluctuer : elle diminue puis augmente de nouveau. Est on en présence d’un pallier ? D’autres essais pour des durées de pause plus importantes et sur une colonne de sol différente seraient nécessaires pour répondre à cette question.
Notons que la mobilisation de particule de sol est plus importante avec des durées de pauses plus longues. Majdalani et al., 2008, a mis en évidence l’effet de la durée de pause sur la mobilisation de particule sur des colonnes de sol non-remaniés. Il a démontré non seulement que la quantité de particules lessivées augmentait avec la pause, mais aussi que cette quantité pouvait atteindre une valeur limite et diminuaient pour des pauses très grandes.
III.4.2 Evolution des courbes cumulées de particules avec la durée de la
pause.
Deux paramètres ont pu être finalement testés : la durée de pause et l’intensité de la pluie. La question que l’on peut se poser à ce moment est : quel est le facteur prédominant dans la mobilisation de particules ? On se propose de hiérarchiser ces deux paramètres.
La Fig. 15 (gauche) représente la masse cumulée de particules en fonction de la durée de pause (la durée de pause allant de 2h à 143h) pour une intensité fixe de 20 mm/h (essais 18 à 32). La masse cumulée de particules croit avec des temps de pauses de plus en plus long. Le tracé d’une courbe de tendance linéaire montre un bon coefficient de corrélation (0,79). La masse cumulée de particules pour des temps de pauses de 2h et 143h est respectivement d’environ 26 mg et 52 mg, la mobilisation double. La fig. 15 (droite) montre l’effet d’une durée de pause variable pour différentes intensités de pluie. Pour une pause de 23h, lorsque l’on augmente l’intensité de 5 mm/h à 35 mm/h, on augmente la mobilisation d’environ 15 mg à 34 mg (la mobilisation est multipliée par 2). Pour une pause de 143h, lorsque l’on augmente l’intensité de 5 mm/h à 35 mm/h, on augmente la mobilisation d’environ 18 mg à 67 mg (la mobilisation est multipliée par 4). L’amplitude de variation de la mobilisation est plus importante à 143h de pause qu’à 23h.
0
50
100 150 200
5mm/h 10mm/h 15mm/h 30mm/h 25mm/h 35mm/h fit 20mm/hdurée de la pause (heures)
0
20
40
60
0
50
100 150 200
m a s s e c u m u lé e d e p a rt ic u le s d a n s 1 5 0 m l d 'e ff lu e n ts ( m g )durée de la pause (heures)
y=25.91+0.18037x R=0.78617
Comparaison de l'effet de l'intensité
et de la durée de la pause
Fig 15. A gauche effet de la durée de la pause sur la mobilisation pour une intensité de 20 mm/h. La ligne est un
ajustement linéaire des points expérimentaux. A droite, aux mêmes données on superpose les résultats obtenus en faisant varier l'intensité pour les deux durées de pause 23 et 143 heures.
La comparaison des masses cumulées de particules dans 150 mL d’effluents pour des intensités et pauses variables montre une amplitude de mobilisation plus importante avec l’intensité de la pluie.
III.5 Granulométrie des essais d’infiltrations 31 à 44
La mesure de la taille des particules a été effectuée sur les premiers centimètres cubes d’effluents pour chacun de ces essais. Pour rendre la lecture plus lisible, nous n’avons reportés que les essais 31, 33 et 43 (Fig. 16). Les courbes de granulo montraient pour chacun de ces essais, une tendance à se déplacer vers les grandes tailles (Fig. 16 gauche). Nous avons reportés les valeurs du mode de particules (taille de particule qui correspond au pic) en fonction de l’intensité (Fig. 16 droite). Le mode de particules augmente jusqu’à une intensité de 25 mm/h pour les deux temps de pauses. Pour la pause de 143h et des intensités supérieurs à 25 mm/h, la taille des particules semblent ne plus fluctuer et même atteindre un pallier. Pour la pause de 23h, on observe une diminution de la taille des particules à l’intensité de 30 mm/h. D’autres expériences sur une même colonne, avec une gamme plus large d’essais à intensités variables seraient nécessaires pour attester d’un pallier pour des intensités supérieurs à 25 mm/h.
La taille des particules augmente avec l’intensité de la pluie. Ainsi lors d’évènements pluvieux peu intenses, on aura tendance à mobiliser des particules plus petites, augmentant ainsi les chances d’adsorption de polluant.
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intensité (mm heure
-1)
Effet de l'intensité de la pluie sur la taille des particules
Fig 16. A gauche, distribution de taille des particules présentes dans le premier cm3 d'effluent recueilli en bas de colonne pour trois infiltrations à 5 (essai 33, cercles), 20 (essai 31, triangles) et 35 (essai 43, carrés) mm/ heure survenant après 143 heures de pause. A droite, position du mode (taille de particule correspondant au pic) pour toutes les infiltrations numéro 31 à 44, réalisées après 143 heures de pause (cercles pleins) ou 23 heures de pause (carré vide).
III.6 Modèle conceptuel du détachement de particules
Un modèle conceptuel de détachement de ces particules basés sur les forces capillaires a été proposé par Majdalani et al., 2008, Michel et al., 2009.
Pour expliquer ce mécanisme, on se place à l’échelle millimétrique, et on suppose le milieu poreux comme une succession de macropores de géométrie variable (Fig. 17 gauche). Les parois de ces macropores sont constituées de pores plus petits (Fig. 17 - droite).
Fig 17. Modèle conceptuel de structure d'un sol intact.
teneur en eau des macropores et de leurs parois. Dans les parois des macropores, les plus grands pores se vident avant les pores de petites tailles (Lehmann et al., 2008). Lorsque un pore plein et un pore vide sont côte à côte, cela créé une contrainte capillaire différentielle sur la paroi les séparant fragilisant du coup cette paroi (Zarzycki et al. 1982). Ainsi lors du prochain évènement pluvieux, l’écoulement du fluide dans le milieu poreux apporte une force supplémentaire permettant d’arracher ces particules fragilisées. Cela expliquerait le pic initial de concentrations en particules sur les particulogrammes et sa hauteur variable en fonction de la durée de la pause.
Fig 18. Mécanisme de détachement de particules de sol. (a) saturation en eau du sol (b) arrêt de la pluie (c) effet
des forces capillaires sur la paroi de deux pores de tailles différentes (d) saturation en eau du sol après une durée de pause
On a vu que la vitesse de l’eau augmente avec l’intensité de la pluie. La force venant arracher les particules fragilisées augmente aussi (force de frottement visqueux proportionnel à la viscosité de la solution infiltrante et à la vitesse du fluide). Donc on recueille d’autant plus de particules que la vitesse d’infiltration est importante.
Ainsi on peut dire que les forces capillaires entre pores vides et pleins fragilisent un nombre plus ou moins grand de pores en fonction de la durée de pause. L’énergie supplémentaire apportée par le front d’infiltration mobilise une fraction plus ou moins grande de ces pores fragilisés selon la vitesse du front. Cela explique l’amplitude plus grande de la mobilisation à 143h comparée à celle de 23h (Fig. 18).
IV. CONCLUSION
La compréhension et la modélisation du transport des particules dans le sol s’inscrit dans le cadre de la lutte contre la pollution des sols et des eaux souterraines. Ces particules sont un des vecteurs de certains polluants qui seraient autrement peu mobiles car ils s’adsorbent sur les constituants du sol. Notre travail a consisté à étudier la mobilisation de ces particules de sol sur des colonnes de sol non remaniés en jouant sur l’intensité des évènements pluvieux. Des études ont déjà été menées sur l’effet de l’intensité de la pluie. Certains auteurs observent des effets notables de l’intensité de la pluie sur la mobilisation de particule alors que d’autres non. De même la plupart de ces études se sont faites sur des milieux modèles. Ainsi l’intérêt de notre travail est de pouvoir étudier les effets de l’intensité de la pluie sur des colonnes de sol non remaniés, plus proche de la réalité. Les expériences ont été faites avec des conditions initiales constantes : force ionique, volume d’eau distribué, teneur en eau initiale, la durée de l’intervalle entre deux pluies, de telle sorte que l’on mette bien en évidence l’effet de l’intensité de la pluie.
Nos résultats ont pu mettre en évidence que la mobilisation totale de particule croit avec l’intensité de la pluie. Puis, elle semble atteindre un seuil, au delà duquel la mobilisation fluctue pour une large gamme d’intensité variable. Ce comportement a été reproduit trois fois sur la même colonne de sol. L’effet de la durée de l’intervalle entre deux pluies (pause) sur la mobilisation de particule a pu être aussi évalué. La quantité de particule lessivée augmente avec la durée de la pause. Ces observations sont corroborées par des résultats que l’on retrouve dans la littérature (Majdalani et al., 2008). Les données recueillies, nous ont permis de hiérarchiser ces deux paramètres. Pour le sol étudié les variations de mobilisation causées par une variation d’intensité de la pluie sont plus importantes que celles causées par la durée de pause. Ces résultats peuvent être compris dans le cadre du modèle conceptuel de détachement de particule basé sur les forces capillaires proposé par Majdalani et al., 2008 et Michel et al., 2009 et permettent de mieux préciser le mécanisme de détachement.
Plusieurs questions restent en suspend : lors de l’augmentation de l’intensité de la pluie, est-on vraiment en présence d’un pallier ? D’autres essais pour des durées de pause plus importante et sur une colonne de sol différente seraient nécessaires pour répondre à cette question. Est-ce que l’amplitude des variations de mobilisation continue à croitre avec des temps de pauses et intensité croissantes? Des essais d’infiltrations sur une même colonne de sol, à intensité constantes et pauses variables, seraient nécessaires. Dans notre étude, l’intensité de la pluie a été variée en augmentant la fréquence (impulsion /min) avec laquelle les gouttes de pluie étaient délivrées sur la colonne. On pourrait se demander si le comportement observé le serait encore si on faisait varier non pas la fréquence à laquelle les gouttes sont délivrées, mais le volume de ces gouttes.
Le domaine des transports de particules et plus particulièrement la mobilisation des ces particules dans des sols intacts structurés est un domaine nouveau qui nécessite des études plus approfondies quant aux facteurs contrôlant le détachement de particule, afin de pouvoir mieux modéliser ce détachement et pouvoir mieux prédire l’impact des polluants adsorbées sur les particules colloïdales dans les nappes souterraines.
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