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Applications en Géosciences : Ecoulements Souterrains & Pollution des sols Dr.

Applications en Géosciences : Ecoulements Souterrains & Pollution des sols Dr. Robert WOUMENI 1 AVANT-PROPOS Dr. Robert WOUMENI Le parcours idéal en Géosciences consiste à partir de la structure interne de la Terre, pour poursuivre sur la tectonique des plaques avant de terminer par des applications sur les sciences environnementales (hydrologie et climat, pollution des sols, risques naturels,…) et l’étude des ressources exploitables (extraction minière, hydrogéologie, géothermie,…). En Géosciences, on a regroupé plusieurs disciplines classiques (chimie, physique, mathématiques, géologie,…) autour d’un objet d’étude : la Terre. C’est ainsi devenu une Science à part entière, qui vise à mieux comprendre la nature et l’évolution de notre espace minéral. L’objectif de cet enseignement de 8h est l’introduction de quelques notions qui interviennent dans la résolution des problèmes rencontrés en Génie Civil ou en Hydrogéologie. On abordera les écoulements à travers les digues, vers les drains et les puits. On s’intéressera aussi à la question des impacts d’une pollution des sols, avec quelques moyens mis en œuvre pour y remédier. 2 SOMMAIRE  Eau et pollution dans les sols.  Propriétés, lois et équations de bilan.  Ecoulements permanents.  Techniques de dépollution des sols.  Exemple de Calculs Numériques. Dr. Robert WOUMENI 3 1) Eau et Pollution dans les sols  L’eau dans les interstices du sol est un élément de ressource et donc d’intérêt en Hydrogéologie, mais représente un facteur de gêne en Génie Civil.  Les désordres liées à la circulation de l’eau à travers un barrage en terre peuvent provoquer une rupture, et des dégâts importants. (Crédit photo: D. Lautrin) Dr. Robert WOUMENI 4  Une rupture de digue à la suite d’une crue importante, peut engendrer des inondations aux graves conséquences.  L’aménagement des digues correspond donc à une priorité pour les Maîtres d’ouvrage. Dr. Robert WOUMENI 1) Eau et Pollution dans les sols 5  L’eau souterraine est captée à des fins de ressource par des puits ou des forages. Les puits à drains rayonnants de Rochefort (Grenoble) permettent de soutirer 2000 à 3000 m3/h, à 30m de profondeur dans les alluvions du Drac. (Crédit photo: Régie des eaux de Grenoble) Dr. Robert WOUMENI 1) Eau et Pollution dans les sols 6 Parmi les autres problèmes rencontrés en génie civil, on peut citer :  Les glissements de terrain sur les talus, (Résultant d’une pression interstitielle trop élevée, qui diminue la résistance au cisaillement du sol)  L’érosion interne (ou phénomène de renard), (il s’agit d’un entraînement des fines, se propageant de l’aval vers l’amont, et provoquant des chenaux d’écoulement préférentiel, encore appelés « renards »).  Les assèchements de fouilles, (On rabat la nappe phréatique par pompage, afin que le chantier soit hors eau)  La réduction des débits de fuite (étanchéité), et des sous-pressions (stabilité). Dr. Robert WOUMENI 1) Eau et Pollution dans les sols 7  Barrage d’Armous et Cau (Gers): glissement du talus amont. (Crédit photo: D. Lautrin)  Glissement d’un talus de digue en camargue. (Crédit photo: DDE 13) Dr. Robert WOUMENI 1) Eau et Pollution dans les sols 8  Barrage de Buget (Hte garonne): renard vu de l’aval. (Crédit photo: D. Lautrin)  Barrage de Gourdon (Lot): renard vu au pied amont. (Crédit photo: D. Lautrin) Dr. Robert WOUMENI 1) Eau et Pollution dans les sols 9 Il est donc très important de pouvoir calculer les débits et les niveaux d’eau dans les interstices du sol, afin d’anticiper sur un plan quantitatif, les évolutions des désordres (génie civil) ou de la ressource en eau souterraine (hydrogéologie). Les aspects qualitatifs deviennent prépondérants lorsqu’on s’intéresse à l’impact d’une pollution sur la ressource. Dr. Robert WOUMENI 1) Eau et Pollution dans les sols 10  Les anciennes décharges sauvages libèrent dans l’environnement et en particulier dans les eaux souterraines, des produits toxiques divers et variés.  L’arrêt d’une activité industrielle est souvent l’occasion de constater que des produits de l’exploitation ont migré dans les sols et menacent la ressource en eau potable. Dr. Robert WOUMENI 1) Eau et Pollution dans les sols 11 On peut distinguer : deux grandes familles de pollution selon l’étendue des zones touchées : Les pollutions diffuses (nitrates, pesticides,….); Les pollutions ponctuelles (sites de stockage de produits dangereux,…). trois grandes familles de pollution selon la nature des produits : Les produits organiques : Hydrocarbures: Produits organo chlorés: Les produits inorganiques: Métaux lourds Sels Les produits divers : Pesticides à base d’arsenic ou de plomb; Radionucléides   BTEX HAP H C Essences m n , , :   Hg Pt Co Cr Ni Pb Cd Zn Cu As ,..., , , , ,..., , , , ,   ,... , , , , , 2 4 2 4 3       CN PO SO NO S Cl   Cs Cs Ra Ra U U Pu Pu 134 55 135 55 228 88 226 88 232 92 238 92 241 94 239 94 , , , , , , , Dr. Robert WOUMENI 1) Eau et Pollution dans les sols 12 Dr. Robert WOUMENI 1) Eau et Pollution dans les sols 13 Dr. Robert WOUMENI 1) Eau et Pollution dans les sols 14 Quelques abréviations. Ademe: Agence de l’environnement et de la maîtrise de l’énergie BTEX: Benzène, Toluène, Ethylbenzène, Xylène BRGM: Bureau de recherches géologiques et minières CEA: Commissariat à l’énergie atomique COV: Composés organo volatils DCE,TCE,PCE: Dichloéthylène, Trichloéthylène, Polychloéthylène DDT: Dichloro diphényl trichloroéthane DRIRE: Direction régionale de l’industrie, de la recherche et de l’environnement FEDER: Fond européen de développement des régions HAP: Hydrocarbures aromatiques polycycliques HCB: Hexachlorobenzène (lindane) ICPE: Installation classée pour la protection de l’environnement INERIS: Institut national de l’environnement industriel et des risques PCB: Polychlorobiphényl UPDS: Union professionnelle pour la dépollution des sols. 3 5 6 CH H C  5 2 5 6 H C H C  5 2 4 6 5 2 H C H C H C   6 6H C Dr. Robert WOUMENI 1) Eau et Pollution dans les sols 15 Métaleurop Nord: Fermeture en 2003 sans prise en charge de la dépollution. Une carrière à l’île d’Yeu. Une usine de cyanures. Yucca Mountain: un stockage profond. Dr. Robert WOUMENI 1) Eau et Pollution dans les sols 16 La phase fluide Les propriétés de l’eau sont rappelées ci-après: -la masse volumique  ML3 -la viscosité cinématique v  L T 2 1  NB : Ces propriétés dépendent étroitement des grandeurs thermodynamiques ( , ) P T . -la pression interstitielle g P  MCE -la compressibilité de l’eau       1 P. Pa / 1 NB :la pression atmosphérique est choisie comme référence . -la charge hydraulique z g P H   L NB:le terme cinétique g V 2 2 dans la définition de la charge est négligeable dans les sols. Dr. Robert WOUMENI 2) Propriétés, Lois et Equations 17 La phase solide Soit : V V le volume des vides VS le volume des solides V V V V S   le volume total d’ un échantillon de sol Msec la masse de l' échantillon de sol sec ; On définit les propriétés suivantes : -la porosité n et l' indice des vides e, n V V V  ; e V V n n V S    1 -les masses volumiques du solide et du sol sec, s S M V  sec et sec sec M V Il est facile de vérifier que: n s  1   sec ou     sec    1 n s NB : Le matériau sec peut se présenter sous forme consolidée (ie : grès) ou granulaire (ie : alluvions). On se préoccupera essentiellement de ce dernier cas. Dr. Robert WOUMENI 2) Propriétés, Lois et Equations 18 L’ensemble fluide & solide On introduit de nouvelles variables: Soit : Ve , Me respectivement le volume et la masse de l’ eau dans le sol, sec M M S  la masse de la phase solide aussi égale à la masse sèche; s V V e V  la saturation en eau du sol n s V Ve     la teneur volumique en eau du sol sec        S e M M la teneur en eau pondérale V e V V s  la saturation en eau du sol - la masse volumique d’un sol saturé s 1     sec 1 1                n n V M M S s S sat -pour un terrain humide on a : 0 1   s    hum s n s n      ( ) 1 - la masse volumique apparente, d’un sol immergé                   S sat Sat app n V V M 1 Dr. Robert uploads/Geographie/ ecoulements-souterrains-amp-pollution-des-sols-geosciences.pdf