Modeling of heavy metals transfer in the unsaturated soil zone (Fractional hydro-geochemical model)

Modélisation du transfert de métaux lourds dans les sols non saturés (modèle fractionnaire hydrogéochimique)

Ihssan Dawood (1)

1 LML - Laboratoire de Mécanique de Lille - FRE 3723

Many previous studies showed that the classical advection-dispersion equation (ADE) is not capable to well simulating solutes transport in the heterogeneous field soil and it does not take into consideration the speciation of the solutes in the geochemical soil system. In this thesis, new fractional hydro-geochemical model was proposed for simulating the transport and speciation of heavy metals in the unsaturated soil zone at the steady- unsteady state. This model was proposed for overcoming the limitations of the classical advection- dispersion model (ADE). At the steady state, the analytical solution of the fractional advection dispersion model (FADE) was coupled by MATLAB code with the geochemical reactions model and the new model was validated with experimental data. At the unsteady state, new numerical solution of FADE was proposed and coupled with the water flow model and the geochemical model. MATLAB code was written for the new model and the well known transport models HYDRUS-1D and HP1 were used for testing the applicability of the new model.
The validation results showed that the new fractional hydro-geochemical model well simulates the transfer of solutes in the unsaturated soil zone and it is capable to giving more details about the forms (species) of the solutes in the geochemical soil system. The new model was used for studying the transfer of zinc in the Kempen region (in the border between Belgium and the Netherlands); this region is heavily polluted by heavy metals emitted from the zinc smelters existing in the region. Then, a sensitivity analysis was made for determining the sensitivity of the new model for the hydrological and geochemical parameters. Soil hydraulic conductivity (Ks), saturated soil water content (θs) and initial soil water content (θini) are the most affecting factor for the water flow model. The fractional solute transport model was sensitive to the values of the fractional order (α) and the dispersion coefficient (D). pH value is the most affecting geochemical factors followed by the concentration of SO42- ,Cl- and CO32 - . There was no significant effect of the other cations ( Al 3+ ,Mn 2+ ,Fe 2+ ).

Beaucoup d'études ont montré que l'équation d'advection-dispersion classique ne permet pas de simuler correctement le transport de solutés dans les sols hétérogènes, ni de prendre en considération la spéciation des solutés dans les systèmes géochimiques que constituent les sols. Dans ce travail, un modèle fractionnaire hydrogéochimique a été proposé pour simuler le transport et la spéciation des métaux lourds dans la zone non saturée des sols, que ce soit en régime permanent ou transitoire. Ce modèle a été proposé pour remédier aux limitations du modèle classique d'advection dispersion. En régime permanent, la solution analytique de l'équation fractionnaire d'advection-dispersion a été couplée sous MATLAB au modèle de réactions géochimiques, et ce nouveau modèle a été validé à l'aide de résultats expérimentaux. En régime non permanent, une nouvelle solution numérique de l'équation fractionnaire d'advection-dispersion est proposée, et couplée avec un modèle d'écoulement et un modèle géochimique. Le modèle résultant, programmé sous MATLAB, a été testé en le comparant à des simulations obtenues avec les codes HYDRUS-1D et HP1. Les résultats de validation ont montré que le nouveau modèle fractionnaire reproduit bien le transfert de solutés dans la zone non saturée des sols et qu'il est capable de donner plus de détails sur les espèces chimiques présentes dans le sol, sur leur migration et leur interaction. Le nouveau modèle a été utilisé pour étudier le transfert de zinc dans la région de Kempen (à la frontière entre la Belgique et les Pays Bas). Il s'agit d'un site fortement pollué par les métaux lourds rejetés par les fonderies de zinc existant dans la région. Une étude paramétrique a été conduite pour déterminer la sensibilité du modèle à une variation de ses paramètres hydrologiques ou géochimiques. La conductivité hydraulique du sol (Ks), la teneur en eau à saturation (θs) et la teneur en eau initiale (θini) du sol sont les paramètres les plus influents pour le modèle d'écoulement d'eau. Le modèle fractionnaire de transport de soluté est sensible à la variation de l'ordre fractionnaire de dérivation (α) et à celle du coefficient de dispersion (D). Le pH est le facteur déterminant pour le modèle géochimique, suivi par la concentration en SO42- et en CO32-. L'effet des cations Al3+, Mn2+ et Fe2+ n'est pas significatif.

Mots clés: Fractional; Geochemical

Mots clés: Fractionnaire; FADE; ADE; transport; géochimie; zinc; spéciation

Domaines: Sciences de l'ingénieur [physics]

Ihssan Dawood. Modeling of heavy metals transfer in the unsaturated soil zone (Fractional hydro-geochemical model). Engineering Sciences [physics]. Université des Sciences et Technologie de Lille - Lille I, 2007. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00422621⟩