Couplage écoulement-interactions dans les sols insaturés
Résumé
L’étude du transport de polluants dans les sols est bien souvent limitée à la zone saturée du sol (zone dans laquelle la totalité de l’espace poral est rempli d'eau). Peu de recherches concernent le transport de solutés réactifs dans la zone insaturée (où les pores sont remplis partiellement d’eau et d’air) et en particulier le couplage entre écoulement insaturé et interactions physico-chimiques, dont l’étude est cependant essentielle pour prédire le devenir de polluants dans les sols. L’objectif du présent travail est de voir en quoi le taux de saturation du milieu affecte la réactivité du sol vis-à-vis des polluants. En prenant l’exemple de l’échange d’ions, une méthodologie associant expérimentations à l’échelle du laboratoire et modélisation est développée, afin d’étudier le couplage chimie-transport dans diverses conditions de saturation du milieu. Un dispositif expérimental a ainsi été mis en place à l’échelle du laboratoire permettant de mener des expériences en conditions d’écoulement insaturé contrôlé, en régime permanent. Le banc se compose d’une colonne de sol alimentée de haut en bas, sur laquelle une aspiration est réalisée en bas par l’intermédiaire d’une pompe à vide, ce qui permet la création et le maintien d’un taux d’insaturation constant. Des fractions peuvent être collectées en sortie de colonne en vue d’analyses ultérieures. Des mesures complémentaires sont également effectuées afin de déterminer la courbe caractéristique d’humidité h(q), ainsi que la conductivité hydraulique à saturation Ks du milieu étudié. Ces données sont en effet nécessaires pour connaître les conditions opératoires à utiliser lors des essais en conditions insaturées. Les expériences ont été conduites sur un milieu modèle : un sable mélangé avec 5% d’argile (kaolinite). Des expériences de traçages (Cl- étant utilisé comme traceur inerte), ainsi que d’échanges de cations calcium / zinc ont pu être réalisées sur ce milieu pour différentes teneurs en eau. Elles sont accompagnées de modélisation avec divers codes de calculs (IMPACT, CXTFIT, HYDRUS-1D). Une comparaison a notamment été faite entre les résultats obtenus en conditions d’écoulement saturé et insaturé. Nous avons ainsi pu déterminer l’influence de l’état de saturation en eau sur la capacité totale d’échange visitée par le fluide. La démarche utilisée nous permettra par la suite de mieux rendre compte du couplage entre réactivité et écoulement sur des milieux naturels.