Study of non-equilibrium solute transfer process. Application on vadose zone of the limestone of Beauce
Etude des processus de transport des solutés hors équilibre physique : application à la zone non saturée des calcaires de Beauce
Résumé
The purpose of this work is to study solute transport processes under physical non-equilibrium in the unsaturated zone of the Beauce limestone. This study has been divided into two parts, a laboratory part which consisted in conducting elution experiments with a steady state flow with three rainfall (4,8,16 mm/h) and under transient flow with or without drainage, in unsaturated structured columns. The columns have been sampled into two facies of the unsaturated zone of the Beauce limestone: a homogenous facies and a heterogenous facies. The second part of this study has been realized in situ, with tracing experiments realized on a pit dug at the site of the Lycée de Saussaye (Chartres). The experiments in a steady state regime showed that the two facies do not have the same behaviour regarding solute transports. The breakthrough curve (BTC) for the homogeneous facies is explained with a classical convection dispersion solute transport model. The BTC for the heterogenous facies could be explained only with the mobile-immobile water model. The experiments under transient flow showed a rise of concentration during drainage. This phenomenon could be explained by a heterogeneous distribution of concentration as a function of pore size. The tracing experiments with bromide (Br -) and Brillant Blue (BB) show that the limestone facies are very variable at the field scale. The lowest sampling points returned first the Br - tracer. This preferential transport could be explained by the facies layout which has an important impact on the shape of the observed distribution of BB. Digitations appear when permeability contrast and facies layout produce localised fast flows. Non-equilibrium phenomena exist in the unsaturated zone of the Beauce limestone and have different factors as origins: condition at the upper boundary limit, moisture condition, heterogeneity of the medium, as observed on columns, and contrast of permeability and lithological structures as observed at the field scale.
L’objectif de ce travail est d’étudier les phénomènes de transport des solutés hors équilibre physique dans la ZNS des Calcaires de Beauce. Cette étude a été réalisée en deux parties, une partie laboratoire qui a consisté en la réalisation d’expériences d’élution sur colonnes non perturbées en régime permanent pour trois intensités de précipitation (4, 8, 16 mm/h) et en régime transitoire avec ou sans drainage, en condition non saturées. Les colonnes ont été prélevées dans deux faciès de la ZNS des Calcaires de Beauce : un faciès homogène et un faciès hétérogène. La seconde partie de cette étude a été réalisé in situ, avec des expériences de traçage au bromure (Br-) et de Bleu Brillant (BB) réalisées sur une fosse du site du Lycée de Saussaye (Chartres). Les expériences en régime permanent ont montré que les deux faciès n’avaient pas le même comportement face au transport de soluté. Les courbes de percée pour le faciès homogène s’expliquent par un modèle de transport de type convectif dispersif classique (CDE), alors les CP pour le faciès hétérogène s’expliquent par un modèle de transport de type eau mobile – eau immobile (MIM). Les expériences en régime transitoire ont montré que la concentration augmentait pendant le drainage des colonnes. Ce phénomène peut s’expliquer par une distribution de la concentration en fonction de la taille des pores. L’analyse des colonnes au microtomographe a montré que la présence d’une matrice limoneuse dans le calcaire favorisait le transport. Les expériences de traçage au Br- et BB sur le terrain ont montré que les faciès de calcaire sont très variables à l’échelle de quelques mètres. Les points d’échantillonnage les plus bas restituent en premier le traceur (Br-). Ce transport préférentiel s’explique par l’agencement des faciès, qui a un impact important sur la forme du panache observé de BB. Des digitations apparaissent lorsqu’un contraste de perméabilité et l’agencement des faciès engendrent des écoulements localisés rapides. Les phénomènes hors équilibre existent dans la ZNS du calcaire de Beauce et ont pour origine différents facteurs : la variation des conditions à la limite supérieur, l’état hydrique, l’hétérogénéité du milieu, tel qu’observé à l’échelle de la colonne, et le contraste de perméabilité et la présence de structures lithologique qui engendrent du transport préférentiel à l’échelle du terrain.
Origine : Version validée par le jury (STAR)