Modélisation numérique de la pollution par le TCE sur le ...

Modélisation numérique de la pollution par le TCE sur le bassin expérimental SCERES de

I'IFARE 1 ère partie : simulations préliminaires avant

expérimentations

juin 1998 R 40127

Modélisation numérique de la pollution par le TCE sur le bassin expérimental SCERES

de 1 'IFARE Ière partie : simulations préliminaires avant

expérimentations

D. Thiéry

juin 1998 R 40127

Modélisation de la pollution

Mots clés: Modélisation hydrodynamique, modèle Marthe, solvants chlorés, écoulements de TCE, écoulements multiphasiques.

En bibliographie, ce rapport sera cité de la façon suivante :

Thiéry D. (1998) - Modélisation numérique de la pollution par le TCE sur le bassin expérimental SCERES de 1'IFARE : lère partie : simulations préliminaires avant expérimentations. Rap. BRGM R40127,3 1 p., 10 fig.

O BRGM, 1998, ce document ne peut être reproduit en totalif6 ou en partie sans I'aularisution expresse di! BRGM.

2 Rapport BRGM R 40127


Ce rapport présente des calculs prévisionnels réalisés avec des paramètres de la littérature pour évaluer les ordres de grandeurs des temps de transferts du trichloroéthylène (TCE) sur le bassin SCERES (Site Contrôlé Expérimental de Recherche pour la Réhabilitation des Eaux et des Sols) de I'IFARE (Institut Franco- Allemand de Recherche sur YEnvironnement). Les calculs ont été réalisés en diphasique avec le modèle MARTHE du BRGM. On a modélisé d'une part les écoulements du TCE dans la zone saturée (de l'aquifère) et d'autre part, de manière simplifiée, les infiltrations de TCE à travers la Zone Non Saturée. Dans le premier cas il y a 2 phases : l'eau et le TCE, dans le 2ième cas, il y a également 2 phases en négligeant la phase eau et en ne considérant que le couple air - TCE.

Les calculs montrent qu'avec les lois constitutives retenues le TCE, répandu dans la ZNS dans un état très sec, percolerait régulièrement à travers la ZNS en s'étalant latéralement dans un cylindre d'environ 120 cm. La simulation d'un épandage brutal du TCE dans la Zone Saturée serait beaucoup rapide. Le TCE percolerait pendant une dizaine d'heures et s'étalerait alors au fond du système aquifère où il se déplacerait lentement vers la limite aval sous l'effet du gradient hydraulique.

Rappolt BRGM R 40127


Sommaire

Synthèse ............................................................................................................................. 3

............................................................................................................................. Sommaire 5

......................................................................................................................... Introduction 7

............................ 1 . Description du dispositif expérimental et des données disponibles 9

. . 1 . 1 . Description succincte du bassin ..................................................................................... 9

1.2. Conditions initiales et conditions aux limites ............................................................ 9

. . . 1.3. Proprietes du Trichloroéthylène ..................................................................................... 9

. . . . . ..................................................................................... 1.4. Les propnetes du milieu poreux 10

2 . Modélisation numérique ................................................................................................. 13

. . . . . 2.1. Modèle mathematique utilise ......................................................................................... 13

2.2. Modélisation Diphasique dans la zone saturée en eau ................................................... 13

2.2.1. Modélisation de dégrossissage en coupe verticale ............................................... 14 2.2.2. Modélisation en coordonnées radiales ................................................................ 17 . . 2.2.3. Modélisation en 3D .............................................................................................. 21

2.3. Modélisation des transferts à travers la zone saturée ..................................................... 24

2.3.1. Modélisation monophasique avec un schéma Zone Non Saturée ........................ 24

Conclusion ............................................................................................................................ 27

Liste des figures ................................................................................................................... 31

Rapport BRGM R 40127


Introduction

Une convention entre l'Agence de l'Eau Rhin-Meuse et I'IFARE (Institut Franco- Allemand de Recherche sur l'Environnement) a pour objet de mieux connaître le comportement des solvants chlorés dans les milieux souterrains. A cet effet il est prévu de réaliser des essais avec des modèles de simulation physique et numérique sur le bassin enterré de grandes dimensions SCERES (Site Contrôlé Expérimental de Recherche pour la Réhabilitation des Eaux et des Sols). En effet la meilleure approche pour aborder les processus complexes et mal connus mis en jeu (migration de fluides non miscibles eau, air et huile en milieu poreux, transferts entre phases) est de mener des recherches sur site expérimental en situation réelle mais contrôlée en parallèle avec des expériences sur modèles physiques ID, 2D ou 3D en laboratoire. Le bassin SCERES, unique en Europe, présente des atouts fondamentaux pour une telle recherche. Les données acquises permettront la validation de modèles mathématiques de tous ou d'une partie des phénomènes mis en jeu. Dans le cadre du projet "Etude du comportement des Solvants Chlorés dans le Milieu Souterrain - Investigation sur le Bassin SCERES" 1'IFARE a demandé au BRGM, bon de commande ULP no 9281012307 du 14 avril 1998, de réaliser des simulations numériques en écoulement diphasique pour évaluer, dans une première phase, les vitesses de transfert du trichloroéthylène (TCE) en zone saturée et en zone non saturée, et dans une phase ultérieure l'interprétation et la modélisation d'expériences qui seront réalisées sur le bassin SCERES. L'objet de ce rapport est de donner les résultats de modélisation de la première phase.



1. Description du dispositif expérimental et des données disponibles

1.1. DESCRIPTION SUCCINCTE DU BASSIN

Le bassin d'étude est le site contrôlé SCERES (Site Contrôlé Expérimental de Recherche pour la Réhabilitation des Eaux et des Sols) de I'IFARE (Institut Franco- Allemand de Recherche sur l'Environnement). Ce site, localisé au Campus du CNRS à Strasbourg - Cronenbourg, est un bassin enterré de grandes dimensions : 25 m x 12 m x 3 m (soit 900 m3). Il est construit en béton armé et est parfaitement étanche. Dans sa configuration actuelle, il est rempli d'un milieu bicouche : un sable principal, sur 2.5 m d'épaisseur, qui repose sur une couche drainante, de 50 cm d'épaisseur, constituée d'un sable plus perméable. Le sable principal a perméabilité à l'eau de l'ordre de 8 10-4 d s . Le sable de la couche drainante à une perméabilité à l'eau de l'ordre de 6 mls (soit 7.5 fois plus)

1.2. CONDITIONS INITIALES ET CONDITIONS AUX LIMITES

Dans sa configuration actuelle l'épaisseur moyenne de la Zone Non Saturée (ZNS) au niveau du déversement est égale à 2 m. La Zone Saturée (ZS) a donc une épaisseur moyenne de l m (0.5 m de sable principal et 0.5 m de couche drainante). Un gradient hydraulique de 0.28 % a été imposé à l'aide des fosses techniques amont et aval du bassin.

Le déversement de trichloroéthylène (TCE) sera réalisé sur une surface circulaire de 0.55 m de diamètre, soit une surface de 0.23758 m2 . Le volume de TCE déversé sera de 0.009 m3 (9 litres) avec un débit moyen de 0.4 llmn .

1.3. PROPRIETES DU TRICHLOROETHYLENE

Pour tous les calculs on a choisi les valeurs suivantes, provenant de la littérature, pour le trichloroéthylène (TCE) :

Masse volumique = 1456 kglm3 (densité par rapport à l'eau = 1.456) Viscosité dynamique = 5.66 10-4 Pa.s (soit 0.566 centipoise) Masse moléculaire = 13 1.4 g (non utilisée) Limite de solubilité = 1100 mgIl (non utilisée)

On a par ailleurs admis les propriétés suivantes pour l'eau : Masse volumique = 1000 kglm3 . Viscosité dynamique = 1. 10-3 P a s (soit 1 centipoise)



1.4. LES PROPRIETES DU MILIEU POREUX

Compte de la viscosité le l'eau, les perméabilités à saturation des 2 sables (sable principal et couche drainante) sont les suivantes :

. Sable principal : Perméabilité = 8.1549 10-1' m2 (environ 80 Darcy) Couche drainante : Perméabilité = 6.1 162 10-'0 m2 (environ 600 Darcy)

Les sables ont une porosité égale à environ 40 % (0.40 m3 de pore par m3 de terrain).D1autre part le profil fourni montre que la teneur en eau résiduelle est de l'ordre de 0.18 fois la porosité (soit 7.2 % du volume de terrain).

Les lois de perméabilité - saturation et de rétention n'étant pas connues, on a utilisé des paramètres plausibles pour ces milieux en présence de TCE. Pour la simulation des transferts de tétrachloroéthylène dans un massif sableux, Kueper et Frind (1991 a et b) utilisent une loi de Brooks et Corey sous la forme suivante :

avec e 0s or hc [LI ht Se h

bt

= Teneur en phase aqueuse (teneur en eau volumique) [-] = Saturation maximale (porosité) [-] = Teneur en phase aqueuse résiduelle 1-1 = Pression capillaire (valeur absolue de la succion) exprimée en hauteur d'eau

= Succion de référence [LI = Saturation relative en phase aqueuse [-] = Exposant = Exposant dans le modèle MARTHE



D'autre part Kueper et al. (1992) proposent la relation de mise en facteur d'échelle en fonction de la porosité w et de la tension interfaciale des fluides o :

avec : CI = exposant ( = 0.65) w = Porosité [-] o = Tension interfaciale

h c ~ = Pression capillaire réduite [-]

La perméabilité et la porosité du sable principal se rapprochent beaucoup du sable #50 de Borden cité par ces auteurs : (k =5.3 10-'0 m2 ; porosité = 39%) pour lequel les paramètres sont les suivants :

hc =0.135 m h = 2.49 (soit bt = 0.4016)

La perméabilité de la couche drainante se rapproche beaucoup de celle du sable #16 de Borden : ( k =5.04 10-10 m2 ; porosité = 40%) pour lequel les paramètres sont les suivants :

hc = 0.0377 m h = 3.86 (soit bt = 0.259)



2. Modélisation numérique

2.1. MODELE MATHEMATIQUE UTILISE

Le modèle de simulation utilisé est le modèle MARTHE (Modélisation d'Aquifère par un maillage Rectangulaire en régime Transitoire pour le calcul Hydrodynamique des Ecoulements) de la Direction de la Recherche du BRGM.

Le logiciel MARTHE du BRGM (Thiéry 1990, 1993a et b, 1994, 1995a et b, 1998) est un modèle hydrodynamique 3D d'écoulements en milieu saturé (ZS) et non saturé (ZNS) avec une discrétisation à Différences Finies. Le maillage du modèle est formé de mailles parallélélipédiques irrégulières avec possibilités de mailles gigognes emboîtées. Il peut aussi utiliser des maillages à symétrie cylindrique (radiale). Il permet de prendre en compte les effets de la densité du fluide et les effets thermiques. Le modèle permet de simuler des écoulements monophasiques ou diphasiques :

Eau - NAPL (LNAPL ou DNAPL) ou Eau - Gaz ouNAPL - Gaz

Les fonctionnalités diphasiques ont été validées avec succès dans les cas suivants :

modélisation d'écoulements Eau - Huile bétroles) en aquifère . modélisation d'écoulements avec biseaux salés immiscibles Eau douce 1 Eau salée modélisation d'écoulements en Zone Non Saturée en milieux fermés avec mise en pression de l'air Modélisation de stockage de méthane (à forte pression) en aquifère, sur site réel Modélisation des expériences d'écoulements de Tétrachloroétylene en milieux contrôlés initialement saturé d'eau, publiées dans la littérature (université de Waterloo)

Le modèle dans sa configuration actuelle (version 5.7) ne permet pas la représentation des écoulements triphasiques mais permet de les approcher en diphasique moyennant des hypothèses simplificatrices.

2.2. MODELISATION DlPHASlQUE DANS LA ZONE SATUREE EN EAU

Compte tenu de la perméabilité du sable principal égale à 8 10-4 m/s et du gradient de charge de 0.28 % la vitesse de Darcy est égale à 2.24 10-6 m/s. En admettant une porosité cinématique de 40 % on obtient une vitesse réelle égale à 5.6 10-6 m/s, soit 0.484 mljour. Il est donc a priori probable que le TCE atteigne rapidement le bas de l'aquifère avant de se déplacer significativement horizontalement.



2.2.1. Modélisation de dégrossissage en coupe verticale

A titre de calcul préliminaire on a réalisé une modélisation en coupe verticale 2D pour estimer les ordres de grandeur des transferts. On a considéré une tranche verticale, orientée dans le sens du gradient hydraulique, de 100 cm de zone saturée constituée de sable principal sur les 50 cm supérieurs, et de couche drainante sur les 50 cm inférieurs.

a) maillage

La verticale a été découpée en 10 couches de 10 cm d'épaisseur et la direction horizontale X'X a été découpée en 20 mailles irrégulières de dimensions variant de 10 cm à 100 cm. La zone modélisée s'étend de -150 cm en amont du centre d'injection (origine des coordonnées) à 402.5 cm en aval soit une longueur totale de 552.5 cm.

b) Conditions aux limites et condition initiale

Pour imposer un gradient hydraulique égal à 0.28 %, on a fixé une charge hydraulique égale à +1.547 cm sur la limite amont et une charge égale à O cm sur la limite aval (située 552.5 cm en aval).

On a considéré que les 9 litres de TCE ont percolé auparavant au taux de 0.4 llmn, donc pendant 22.5 mn, jusqu'à la zone saturée de l'aquifère. On a donc fixé en surface sur une largeur (sur l'axe Ox) de 55 cm, et sur une épaisseur de 20 cm, une teneur volumique en TCE égale à 18.94 %. Cette valeur de 18.94% correspond à la teneur initiale en TCE près de l'axe médian comme expliqué dans le paragraphe 2.2.2. Le pas de temps de calcul à été laissé variable de 0.3 minute à 10 minutes.

c) Résultats obtenus

Les figures 1 à 3 présentent les teneurs volumiques en TCE calculées avec le modèle MARTHE de O à 5 jours après l'introduction du TCE. La figure 1 montre une percolation verticale régulière. La teneur volumique en TCE 1 % atteint le fond après environ 1 heure. La figure 2 montre que le TCE s'étale alors au fond. La figure 3 montre que le TCE se déplace latéralement dans la direction de la limite aval et atteint 3.5 m de distance après 2 jours. Il ne s'agit cependant ici que d'un ordre de grandeur puisque cette première simulation de dégrossissage a été réalisée en coupe verticale.



C E H E S l N F l I . 1 R U T l O N T R I C I I L O R O E T H I L E N E 120 V E R T l C R L l !O 1: !SC a>.,

Fig. 1 -Modélisation en coupe verticale 2 0 : dates 0, 0.5, 2, 3, 5, 10,30 et 60 mn après le début de l'introduction du TCE. La figure représente, pour chaque date, I'isovaleur 1 % de teneur volumique en TCE.



Fig. 2 - Modélkation en coupe verticale 2D : dates 2h ,3h et 5h après le début de l'introduction du TCE. La figure représente, pour chaque date, I'isovaleur 1 % de teneur volumique en TCE.

CERES I N F I L T R A T I O N 1 R I t H L O R O E T H l L E N E 1 7 0 V E R l l C R L i 1 1 / 2 J. IJ. 1 , 5 J '

Fig. 3 -Modélisation en coupe verticale 2 0 : dates 1/2 j , 1 j , 2 j et 5 j après le début de l'introduction du TCE. La figure représente, pour chaque date, l'isovaleur 1 % de teneur volumique eiz TCE.



2.2.2. Modélisation en coordonnées radiales

Compte tenu des résultats précédents, on a réalisé une modélisation fine en coordonnées radiales. Pour cette simulation la verticale a été découpée, comme précédemment, en 10 couches de 10 cm d'épaisseur et la direction horizontale a été découpée en 20 mailles irrégulières, de dimensions variant de 2.5 cm près des limites du cylindre d'injection à 80 cm pour la maille la plus externe. La zone modélisée s'étend jusqu'à 250 cm du centre du cylindre d'injection qui est situé à l'origine des coordonnées.

a) Conditions à la limite et condition initiale

Dans ce schéma radial on n'a pas introduit lé gradient hydraulique de 0.28 % car on ne s'est intéressé qu'au début du phénomène et les calculs ont été réalisés pendant les 3 heures suivant l'injection.

On a fixé une condition de saturation en eau en équilibre hydrostatique (charge = 0) sur la limite externe. A la date O on a introduit brutalement 9 litres de TCE sur un rayon de 27.5 cm, donc un disque de 55 cm de diamètre. La surface d'injection est égale à 0.23758 m2. L'introduction de 9 litres de TCE dans une couche de mailles de 10 cm d'épaisseur, soit un volume de 0.023758 m3, correspond à une teneur volumique en TCE égale à 37.882 % ce qui, compte tenu de la teneur en eau résiduelle de 7.2 %, dépasserait la porosité de 40 %. On a donc introduit les TCE sur les 20 premiers cm d'épaisseur avec une teneur volumique en TCE de 18.94 % (soit un volume de TCE égal à 18.94 % du volume de terrain).

b) Résultats obtenus

Les figures 4 à 6 présentent les saturations en TCE calculées avec le modèle MARTHE pour les dates suivantes : O mn, 5 mn, 10 mn, 30 mn, lh, 2h et 3 h après l'introduction du TCE. Il apparaît que le TCE percole rapidement et commence à atteindre le bas de l'aquifère (teneur en TCE > 1% avant 30 mn. A partir de 60 mn les plus fortes concentrations se trouvent dans les 20 cm les plus bas. L'extension radiale est alors très lente : après 3 heures la limite de 1% de teneur en TCE atteint 30 à 35 cm de rayon jusqu'à 85 cm de profondeur et 45 cm de rayon au fond.



Fig. 4 -Modélisation de l'écoulement de TCE dans la zone saturée en coordonnées radiales. Etat initial (&O)



r:=:5 , w F , , , " " r , o w ~ " , ~ . , 4 L O ~ , O F , , ~ . L t ~ ~ . ,R,,","L " E t , , , C " L , :

U

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Fig. 5 - Modéhation de l'écoulement de TCE dans la zone saturée en coordonnées radiales. La figure représente les isovaleurs de teneur volumique en TCE avec un intervalle de 2 % pour les dates : 5 mn, 10 mn, 30 mn et 60 mn.

Rapport BRGM R 40127 19


Fig. 6 - Modélisation de l'écoulement de TCE dans la zone saturée en coordonnées radiales. Lajïgure représente les isovaleurs de teneur volumique en TCE avec un intervalle de 2 %pour les dates : 2 heures (à gauche) et 3 heures (à droite).



2.2.3. Modélisation en 3D

Pour prendre en compte le gradient hydraulique horizontal, on a réalisé une modélisation en 3D dans un maillage cartésien.

a) maillage

Compte de la symétrie on a modélisé uniquement le demi espace Nord c'est à dire situé au dessus de la ligne médiane X'X. Le maillage est formé de 10 couches régulières de 10 cm d'épaisseur. La direction horizontale (X'X) a été découpée en 20 mailles irrégulières de dimensions variant de 10 cm à 100 cm et couvrant une zone s'étendant de -150 cm en amont du centre d'injection (origine des coordonnées) à 402.5 cm en aval. La direction Y'Y a été découpée en 7 mailles irrégulières de dimensions variant de 5.5 cm à 20 cm et couvrant une largeur totale de 87.5 cm. Le maillage fait intervenir ,

un nombre total de mailles égal à 1400. Le pas de temps de calcul à été laissé variable de 0.3 minute à 10 minutes

b) Conditions à la limite et condition initiale

Pour imposer un gradient hydraulique égal à 0.28 %, on a fixé une charge hydraulique égale à +1.547 cm sur toutes mailles de la limite amont et une charge égale à O cm sur toutes celles de la limite aval (située 552.5 cm en aval).

A la date O on a introduit brutalement 4.5 litres de TCE dans les 13 mailles comprises dans un 112 cercle de rayon de 27.5 cm (voir Fig. 8). Ces mailles représentent une surface exactement égale à 0.12705 m2. L'introduction brutale de 4.5 litres de TCE dans une couche de mailles de 10 cm d'épaisseur (soit un volume de 0.012705 m3) correspond à une teneur volumique TCE égale à 35.419 % ce qui, compte tenu de la teneur en eau résiduelle de 7.2 %, dépasserait la porosité de 40 %. On a donc introduit une teneur volumique en TCE égale à 17.708 % sur les 20 premiers cm d'épaisseur de la zone saturée.


La figure 7 présente les teneurs volumiques en TCE calculées en 3D avec le modèle MARTHE 3 h et 1 jour après l'introduction du TCE. Elle montre comme précédemment que le TCE a percolé rapidement et que les plus fortes concentrations se trouvent dans les 20 cm les plus bas. Après 3 heures le panache est presque symétrique avec cependant une extension légèrement plus grande dans la direction du gradient hydraulique. Après 1 jour on voit que le TCE s'est étalé au fond se déplace régulièrement vers la limite aval. La figure 8 présente une coupe horizontale au fond, à 95 cm de profondeur dans la zone saturée qui montre également le déplacement horizontal de l'ordre de 1 mètre après 1 jour.



IFi l t !E i k f : l i l l l i i 0 N T R l C i i L D H E 30 : VUE LN COUPE V E R T I C n L t i X - 2 . . = Y - / 1 - 3 H l U R E S

1FRRE l N F l L l R H T l O N 1 R l C H L O R E 30 : VUE EN COUPE V E R T I C R L E = X - 2 . . = Y - ! T = I JOUR

Fig. 7 - Modélisation en 3 0 de l'écoulement de TCE dans la zone saturée. Vue en coupe verticale passant par le centre du dispositgd'injection dans l'axe d'écoulement. L a figure représente les isovaleurs de teneur volumique en TCE : en haut après 3 heures; en bas après 1 jour.



Fig. 8 -Modélisation en 3 0 de I'écoulemeut de TCE dans la zone saturée : vue en coupe Horizontale. E n haut : état initial (zone d'injection) En bas : vue en coupe horizontale au fond (à 95 cm de profondeur dans la zone saturée). Lafigure représente les isovaleurs de teneur volumique en TCE après 1 jour.



2.3. MODELISATION DES TRANSFERTS A TRAVERS LA ZONE SATUREE

La version 5.7 du modèle MARTHE ne permet pas la modélisation des écoulements triphasiques : Eau + air + NAPL. Des schémas triphasiques seront développés dans des versions futures du modèle MARTHE. Dans l'état actuel il est possible uniquement de faire des calculs approximatifs.

2.3.1. Modélisation monophasique avec un schéma Zone Non Saturée

Pour estimer un ordre de grandeur de l'infiltration à travers la zone non saturée, on a supposé un schéma en "zone non saturée" c'est à dire qu'on a admis que l'air de la ZNS restait à une pression très proche de la pression atmosphérique. Le fluide mouillant est le TCE, avec une viscosité de 5.66 10-4 Pa.s (0.566 centipoise). En l'absence de données spécifiques sur les lois de rétention et de perméabilité relative dans le cas du TCE en contact avec I'air, on a utilisé les mêmes lois que pour les écoulements de TCE dans l'eau, cependant la succion de référence ht a été doublée pour tenir compte de la tension interfaciale qui est différente.

a) Maillage

On a utilisé le maillage radial décrit plus haut mais prolongé jusqu'à une profondeur de 200 cm de ZNS.

b) Condition à la limite et conditions initiales

La teneur en eau volumique résiduelle est égale à 7.2 %. On a choisi de partir d'un état très peu saturé en eau. On a donc fixé une teneur en eau initiale égale à 8.5 % et on a imposé cette condition sur la limite externe, On a introduit un débit de 0.4 llmn, soit un flux égal à 1.68362 millimètrelmn, de TCE en surface dans un rayon de 55 cm de diamètre (0.23758 m2). Ce flux a été maintenu pendant 22.5 minutes, ce qui correspond à un volume infiltré de 9 litres, puis il a mis égal à 0.


Les figures 9 et 10 présentent les teneurs volumiques en TCE calculées avec le modèle MARTHE de 5 mn à 12 heures après l'introduction du TCE. Elles montrent que le TCE percole régulièrement à travers la zone non saturée en s'étalant légèrement. Après 12 heures, le corps d'imprégnation a un rayon qui atteint 50 cm, et une profondeur dans la ZNS qui atteint 130 cm. Les graphiques présentent les isovaleurs de teneur en fluide mouillant, qui inclut donc la teneur en eau initiale de 8.5 %, pour les dates de 5 mn à 12 heures.



Fig. 9 -Modélisation de l'Infiltration de TCE à travers la ZNS avec un maillage radial. La figure représente les isovaleurs de teneur volumique en TCE avec un intervalle de 1 %, pour les dates = 5, IO, 30 et 60 mn.



Fig. 10 - Modélisation de ITnfiItration de TCE à travers la ZNS avec un maillage radial. La figure représente les isovaleurs de teneur volumique en TCE avec un intervalle de 1 %, pour les dates = 2, 3, 5 et 12 heures.



Conclusion

Des calculs prévisionnels ont été réalisés avec des paramètres de la littérature pour évaluer les ordres de grandeurs des temps de transferts du trichloroéthylène sur le bassin SCERES de I'IFARE. Les calculs ont été réalisés en diphasique avec le modèle MARTHE du BRGM. Pour rester en écoulement diphasique on a modélisé d'une part les écoulements du TCE dans la zone saturée (de l'aquifère) et d'autre part, de manière simplifiée, les infiltrations de TCE à travers la Zone Non Saturée. Dans le premier cas il y a 2 phases : l'eau et le TCE, dans le 2ième cas, il y a également 2 phases en négligeant la phase eau et en ne considérant que le couple air - TCE.

Les calculs montrent qu'avec les lois constitutives retenues, le TCE répandu dans la ZNS dans un état très sec percolerait régulièrement à travers la ZNS en s'étalant latéralement dans un cylindre d'environ 120 cm de diamètre. La simulation d'un épandage brutal du TCE dans la Zone Saturée serait beaucoup rapide. Le TCE percolerait pendant une dizaine d'heures et s'étalerait alors au fond du système aquifère où il se déplacerait lentement vers la limite aval sous l'effet du gradient hydraulique.

Pour ces calculs de dimensionnement on a pas pris en considération la dissolution du TCE dans l'eau mais c'est tout à fait envisageable dans une phase ultérieure quand on disposera des lois constitutives (loi de rétention, lois de perméabilité relative) et de mesure des évolutions de la saturation en TCE et de la concentration en TCE. Ceci fera l'objet d'une phase ultérieure.


Modélisation de la ~ollution

Bibliographie

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Kueper, B. H., Frind, E. O., Mc Whorter, D. B. (1992) Application of a numerical mode1 and laboratory measurements to the movement of dense, inuniscible phase liquids in a heterogeneous sand aquifer. Subsurface Contamination by immiscible Fluids, Weyer (ed.), Balkema, Rotterdam, ISBN 90 6191 175 3.

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Thiéry, D. (1998) Modélisation 3D des écoulements à Densité Variable avec le logiciel MARTHE. Version 5.7, Rapport BRGM àparaître HYTDR 98



Liste des figures

Fig. 1 -Modélisation en coupe verticale 2D : dates 0,0.5,2,3, 5, 10,30 et 60 mn après le début de l'introduction du TCE. La figure représente pour chaque date, l'isovaleur 1 % de teneur volumique en TCE

Fig. 2 -Modélisation en coupe verticale 2D : dates 2h, 3h et 5h après le début de l'introduction du TCE. La figure représente pour chaque date, l'isovaleur 1 % de teneur volumique en TCE

Fig. 3 -Modélisation en coupe verticale 2D :dates 1/2 j, 1 j, 2 j et 5 j après le début de l'introduction du TCE. La figure représente pour chaque date, l'isovaleur 1 % de teneur volumique en TCE

Fig. 4 -Modélisation de l'écoulement de TCE dans la zone saturée en coordonnées radiales. Etat initial (t=O)

Fig. 5 -Modélisation de l'écoulement de TCE dans la zone saturée en coordonnées radiales. La figure représente les isovaleurs de teneur volumique en TCE avec un intervalle de 2 % pour les dates : 5 mn, 10 mn, 30 mn et 60 rnn

Fig. 6 -Modélisation de l'écoulement de TCE dans la zone saturée en coordonnées radiales. La figure représente les isolaveurs de teneur volumique en TCE avec un intervalle de 2 % pour les dates : 2 heures (à gauche) et 3 heures (à droite)

Fig. 7 -Modélisation en 3D de l'écoulement de TCE dans la zone saturée. Vue en coupe verticale par le centre du dispositif d'injection dans l'axe d'écoulement. La figure représente les isovaleurs de teneur volumique en TCE : en haut après 3 heures ; en bas après 1 jour

Fig. 8 -Modélisation en 3D de l'écoulement de TCE dans la zone saturée : vue en coupe horizontale. En haut : état initial (zone d'injection). En bas : vue en coupe horizontale au fond à 95 cm de profondeur dans la zone saturée). La figure représente les isovaleurs de teneur volumique en TCE après 1 jour

Fig. 9 -Modélisation de l'infiltration de TCE à travers la ZNS avec un maillage radial La figure représente les isovaleurs de teneur volumique en TCE avec un intervalle de 1 %pour les dates = 5, 10,30 et 60 mn

Fig. 1 O -Modélisation de l'infiltration de TCE à travers la ZNS avec un maillage radial. La figure représente les isovaleurs de teneur volumique en TCE avec un intervalle de 1 % pour les dates = 2,3,5 et 12 heures

Rapport BRGM R 40.127

BRGM Direction de la Recherche

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Modélisation numérique de la pollution par le TCE sur le ...

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