Modélisation du cas-type 1 du programme TRANSPOL

Modélisation du cas-type 1 du programme TRANSPOL Résultats obtenus avec le simulateur UTCHEM Rapport final Ministère de l Ecologie et du Développement Durable O. BOUR Unité Déchets et Sites pollués Direction des Risques Chroniques 31 juillet 2003

Modélisation du cas-type 1 du programme TRANSPOL Résultats obtenus avec le simulateur UTCHEM Rapport final Ministère de l Ecologie et du Développement Durable 31 juillet 2003 Ce document comporte 16 pages (hors couverture et annexes). Rédaction Vérification Approbation NOM O. BOUR H. BAROUDI F. MARCEL Qualité Visa Ingénieur à l Unité Déchets et Sols Pollués Direction des Risques Chroniques Responsable de l Unité Déchets et Sols Pollués de la Direction des Risques Chroniques Direction des Risques Chroniques 1/16

RESUME Le code numérique UTCHEM a été utilisé dans le cadre du programme TRANSPOL afin de simuler le comportement multiphasique du naphtalène dans les sols et les eaux. Des adaptations au cahier des charges ont été nécessaires afin de traiter le comportement du naphtalène en milieu biphasique du fait des limitations de l interface commerciale GMS 3.1 utilisée pour exécuter ce code. Les calculs réalisés sous cette interface ont été complétés par ceux réalisés sous l interface UTCHEM GUI V9.5 développée par l Université d Austin. Les résultats présentés ont été obtenus en utilisant sous cette dernière interface le modèle développé pour l interface GMS 3.1 à l exception d une relation paramétrique non supportée actuellement par cette interface. La distribution des saturations ainsi que les courbes de restitution des concentrations en naphtalène dissous démontrent un comportement de type plongeant très marqué pour le naphtalène, en particulier pour les points d observations situés à 50 m et 100 m de la source. Les simplifications utilisées, en particulier dans la définition de l écoulement, induisent des faibles différences dans la répartition selon la profondeur des concentrations en naphtalène dissous au droit du point d observation situé à 200 m de la source. Malgré les simplifications importantes réalisées, le comportement de phase plongeante est reproduit par le simulateur. L incidence de ce comportement sur la répartition des concentrations en phases dissoutes est visible sur une distance d environ 100 m dans le cadre du modèle conceptuel retenu dans le cas-type n 1. Ce comportement est notablement différent de celui reproduit par un modèle monophasique, ce qui démontre l intérêt de l usage des modèles multiphasiques dans les cas de pollutions massives par des composés non miscibles. 2/16

TABLE DES MATIERES 1. OBJET ET CONTEXTE... 5 1.1 OBJET... 5 1.2 CONTEXTE... 5 1.3 DESCRIPTION DES TRAVAUX RÉALISÉS... 5 1.4 DESCRIPTION DU CODE DE CALCUL... 6 2. REALISATION DU MODÈLE CONCEPTUEL... 7 2.1 CARACTÉRISTIQUES DU CAHIER DES CHARGES DE LA MODÉLISATION... 7 2.2 LIMITATIONS IMPOSÉES PAR L INTERFACE... 8 2.3 MODÈLE 2D... 9 2.4 MODÈLE 3D... 9 3. DÉFINITION DES PARAMÈTRES UTILISÉS... 10 3.1 DÉFINITION DE L ÉCOULEMENT... 10 3.2 DÉFINITION DES PRESSIONS CAPILLAIRES UTILISÉES... 11 3.3 DÉFINITION DES PERMÉABILITÉS RELATIVES... 11 4. RÉSULTATS DES SIMULATIONS... 13 4.1 VISUALISATION GLOBALE DU TRANSPORT DU NAPHTALÈNE... 13 4.2 COURBES DE RESTITUTION DU NAPHTALÈNE DISSOUS... 14 5. CONCLUSIONS... 15 6. ANNEXE... 16 3/16

LISTE DES FIGURES FIGURE 1 : DOMAINE À MODÉLISER... 7 FIGURE 2 : MAILLAGE UTILISÉ POUR LE MODÈLE 2D, UNITÉ ANGLAISE (FOOT) POUR LES DISTANCES... 9 FIGURE 3 : MAILLAGE UTILISÉ POUR LE MODÈLE 3D, UNITÉ ANGLAISE (FOOT) POUR LES DISTANCES... 10 FIGURE 4 : COMPARAISON DE L ÉVOLUTION POUR LA PHASE MOUILLANTE (EAU) DE LA PERMÉABILITÉ RELATIVE SELON LE MODÈLE AJUSTÉ (KRWAJ UT) ET LE MODÈLE DE VAN GENUCHTEN (KRW VG)... 12 FIGURE 5 : COMPARAISON DE L ÉVOLUTION DE LA PERMÉABILITÉ RELATIVE POUR LES PHASES NON MOUILLANTES : POUR LA PHASE AIR SELON LE MODÈLE AJUSTÉ (KRAAJ UT) ET LE MODÈLE DE VAN GENUCHTEN (KRA VG), POUR LA PHASE HUILE SELON LE MODÈLE AJUSTÉ (KROAJ UT) ET LE MODÈLE DE VAN GENUCHTEN (KRO VG)... 12 FIGURE 6 : CONCENTRATION VOLUMIQUE DE NAPHTALÈNE DISSOUS À 10 JOURS, 2 ANS ET 8 ANS APRÈS L INJECTION, MODÈLE PARAMÉTRIQUE DE VAN GENUCHTEN... 13 FIGURE 7 : EVOLUTION DE LA SATURATION EN NAPHTALÈNE, À T= 2 ANS.... 14 FIGURE 8 : EVOLUTION DES CONCENTRATIONS EN NAPHTALÈNE DISSOUS DANS LE TEMPS AUX POINTS B, C ET D SITUÉS RESPECTIVEMENT À 50, 100 ET 200 M DE LA SOURCE ET AUX PROFONDEURS DE 4,75M, 10,5 M, 15 M ET 21,25 M.... 15 4/16

1. OBJET ET CONTEXTE 1.1 OBJET L INERIS a proposé dans le cadre du programme TRANSPOL le cahier des charges d un cas-type théorique de pollution par des hydrocarbures inspiré d un cas réel et traitant de la modélisation des écoulements multiphasiques de composés non miscibles. Ce cas type défini dans le rapport INERIS-SSE-99-21EP02/R04 du 19 avril 1999 a fait l objet d études par plusieurs équipes utilisant des simulateurs multiphasiques différents. L objet de ce cahier des charges est de préciser la capacité des modèles disponibles à reproduire en 2D et 3D l injection de naphtalène et de benzène dans la zone non saturée et la redistribution de ces polluants dans celle-ci et dans la zone saturée. Les enseignements produits par ces études permettront d orienter les méthodes de modélisation utilisées dans le cadre de l EDR eau. 1.2 CONTEXTE Relativement peu de modèles sont adaptés pour reproduire en 3D les phénomènes de transport multiphasique. Dans le cadre du groupe de travail traitant des simulateurs multiphasiques, les précédentes approches par des modèles simplifiés dits de screening (HSSM) ou limités à une modélisation 2D (MOFAT) sont apparues incomplètes du fait des limitations des codes. De nouvelles approches réalisées à l aide de modèles dérivés des applications pétrolières de type réservoir ont été réalisées au cours de l année 2001 et 2002. Le modèle numérique 3D UTCHEM susceptible de simuler une grande variété de phénomènes physico-chimiques et ayant déjà été utilisé pour des applications environnementales a été sélectionné pour cette approche. Le modèle UTCHEM a déjà été validé par l Université d Austin (USA) pour des applications spécifiques. Il est utilisé en particulier pour des applications de suivi et de récupération des composés chlorés en nappe. Il permet en particulier la prise en compte des phénomènes complexes liés à la présence de surfactants ou de solvants lors de la récupération des hydrocarbures. Il était nécessaire de choisir un modèle pour lequel une interface graphique a été développée afin de permettre le développement de l utilisation du code en France par les bureaux d études. Le code UTCHEM disposant depuis peu d une interface partielle sous GMS 3.1 et GMS 4.0, ce code a été étudié et utilisé pour traiter le cas-type n 1. 1.3 DESCRIPTION DES TRAVAUX REALISES Le code UTCHEM a fait l objet de nombreuses simulations sous l interface GMS 3.1 dans sa version 9.0 et 9.3 ainsi que de simulations sans interface et sous interface spécifique (UTCHEM GUI V9.5) dans sa version 9.3. Dans une première phase, le code a été utilisé sous l interface GMS 3.1 et dans sa version 9.0. Les limitations inhérentes à cette interface (prise en charge biphasique seulement, choix limité des paramètres) ont nécessité l adaptation du cas-type 1. Par la suite, la version 9.3 a été utilisée avec et sans interface graphique dans l optique d utiliser des paramètres identiques à ceux proposés dans le cahier des charges. 5/16

1.4 DESCRIPTION DU CODE DE CALCUL Le modèle UTCHEM est un simulateur multiphasique particulièrement complexe. Ce code de calcul numérique, toujours en phase de développement à l Université d Austin au Texas, a été développé pour simuler à l origine les processus de récupération d hydrocarbures par l utilisation de surfactants et de polymères. Le modèle prend en compte le comportement complexe et les interactions des composants entre eux pouvant former jusqu à 4 phases (air, eau, huile et microémulsion). Ce modèle permet de modéliser également les transferts dépendant de la cinétique, en particulier entre la phase non aqueuse et la phase de type microémulsion. Il est néanmoins possible d utiliser le code dans les cas simples en l absence de surfactant, la concentration d équilibre considérée étant alors la limite de solubilité de la phase non aqueuse dans l eau. UTCHEM permet également de considérer le phénomène de diffusion entre toutes les phases. Les principales caractéristiques du code de calcul UTCHEM sont présentées dans le tableau ci-dessous Phases modélisées Transfert de chaleur Réactions chimiques Modèle de puits Discrétisation spatiale Discrétisation temporelle Gazeuse, aqueuse, non aqueuse, microémulsion oui Dissolution avec cinétique, prise en compte de la chimie (précipitation, dissolution) Puits multicouches, à pression ou flux imposés Différences finies Implicite en pression, explicite en concentration Les applications environnementales du code sont le suivi du déversement et de la migration des hydrocarbures dans les zones saturées et non saturées ainsi que la modélisation de la récupération d hydrocarbures avec utilisation de surfactant, cosolvant et polymère. Le modèle prend également en compte la biodégradation et les réactions géochimiques. Il est donc théoriquement capable de reproduire une très grande variété de réactions. Les limites d utilisation du code sont imposées par le nombre et la complexité des données nécessaires pour ce qui concerne l ensemble des phénomènes physicochimiques et par la simplification de la modélisation de l écoulement. L écoulement est défini en effet seulement par une charge hydraulique appliquée à une extrémité ou aux deux extrémités de l axe principal d écoulement de la grille du modèle. Les autres limites du modèle sont définies comme des limites à flux nul. Enfin une seconde limitation à l utilisation du modèle est la présence d une interface commerciale (GMS 3.1 et 4.0) actuellement relativement limitée et ne prenant en compte que la modélisation de la zone saturée, en excluant la prise en compte de la géochimie et de certaines des options de contrôle de la modélisation. 6/16

2. REALISATION DU MODELE CONCEPTUEL 2.1 CARACTERISTIQUES DU CAHIER DES CHARGES DE LA MODELISATION Le cahier des charges proposé aux trois équipes participantes (INERIS, INERIS-LAEGO- IFP, FSS) est inspiré de l article de Panday & al.[2]. Il traite le cas d un déversement accidentel de pétrole brut. A la suite d une rupture de pipeline, un volume total d huile de 105 m 3 s est infiltré à travers une section de 169 m 2 pendant une durée de 6,9 jours. Cette infiltration s est produite à 2 m de profondeur, dans la zone non saturée de 4,5 m d épaisseur d un aquifère d une puissance totale de 22,5 m (cf Figure 1). Au droit de la source de pollution, la nappe a un gradient moyen de 0,0026. Les propriétés du sol, composé de sable riche en quartz, sont décrites dans l article. Il n en est pas de même du produit déversé qui consistait à l origine en une huile brute. Les caractéristiques particulières du naphtalène, proposées dans le cahier des charges, sont reproduites dans le tableau ci-dessous. Paramètres Naphtalène Viscosité dynamique (Pa.s) 7,3 10-4 Masse volumique (kg/m 3 ) 1145 Coefficient de diffusion dans l eau (m²/s) 7,18 10-10 Coefficient de diffusion dans l air (m²/s) 7,06 10-6 Coefficient de diffusion dans l huile (m²/s) 1,3 10-9 Tension interfaciale entre l air et l huile 0,0312 (N/m) Tension interfaciale entre l huile et l eau 0,0361 (N/m) Tension interfaciale entre l air et l eau 0,072 (N/m) Solubilité (g/m 3 ) 35 Y Zone d injection du naphtalène 34,5 m Z X Zone non saturée de 4,5 m Zone saturée de 18 m 22,5 m 307 m Figure 1 : Domaine à modéliser 7/16

2.2 LIMITATIONS IMPOSEES PAR L INTERFACE L interface sous GMS 3.1 et 4.0 ne permet pas de modéliser les phénomènes en zone non saturée (ZNS) et de manière générale de modéliser la phase air. Les phases prises en compte sous cette interface sont les phases eau, hydrocarbures et microémulsion. Pour des soucis de simplification, seules les phases eau et hydrocarbures ont été modélisées au sein de la zone saturée (ZS) dans le cadre de cette étude. Cette simplification a des répercussions différentes selon l échelle spatiale et temporelle du modèle conceptuel. Contrairement au suivi spécifique de dépollution où l on se focalise sur les processus physico-chimiques au droit de la source, les distances choisies de 50, 100 et 200 m correspondent à un suivi de l impact à l échelle d un site. L échelle temporelle choisie (suivi sur 8 ans) est également plus importante que dans le cadre d un suivi de dépollution où les opérations sont conduites le plus souvent sur des périodes s étalant entre 6 mois et 2 ans. L injection directe de la source de pollution dans la zone saturée est faiblement à fortement majorante en fonction de l épaisseur et de la nature de la ZNS, du battement de la nappe, et du comportement du polluant. Le corps d imprégnation constitué en zone non saturée induit des flux beaucoup plus faibles liés essentiellement aux précipitations météoriques et à l entraînement des composés solubilisés en périphérie de celui-ci. Le corps d imprégnation se développant en ZNS soustrait du volume injecté dans la ZS une fraction dépendant essentiellement de l épaisseur de la ZNS, de sa porosité et de sa saturation résiduelle en huile. Ce corps d imprégnation, lessivé par la suite, peut disparaître et fournir une source secondaire de contaminant de faible intensité. Dans les conditions du cas type théorique, l épaisseur de la zone non saturée est moyenne (4,5 m). Les calculs ont été conduits dans une première étape au sein du groupe de travail en considérant deux saturations résiduelles en huile (20% et 5%). Dans le cas d une saturation résiduelle moyenne de 20%, la rétention théorique est de 315 l/m 2 de la surface de la source, soit 53 m 3 pour l ensemble de la source (169 m 2 ) sur un total déversé de 105 m 3. La rétention immédiate atteint ainsi environ 50% du volume déversé. Dans le but de permettre une simplification des paramètres au sein du groupe de travail, la saturation résiduelle en huile a été choisie égale à 5%, ce cas correspondant au comportement de graves relativement grossières. Dans ce dernier cas, le pourcentage de rétention par la ZNS atteint seulement 13 %. La simplification réalisée par l injection directe en nappe se justifie car elle ne représente dans ce cas qu une majoration faible du flux arrivant en nappe. Cette simplification peut être considérée également du fait du comportement plongeant du naphtalène. Dans le cas du benzène, l interaction avec la zone non saturée introduit des erreurs supplémentaires significatives. L étude par le code UTCHEM a donc été limitée au cas du naphtalène. Les simulations entreprises pour le benzène démontrent en effet des phénomènes de création et de disparition de masse, en particulier au niveau des zones où le facteur de forme des cellules de la grille utilisée s accroît fortement. Le cas théorique n 1 considère une nappe libre avec un gradient moyen au droit de la source d environ 0,26% et une recharge d environ 130 mm/an. Le choix de ne considérer que la zone saturée nécessite de simplifier le comportement de la nappe afin de reproduire la composante fortement majoritaire et horizontale, au droit de la source, du mouvement de la nappe et de reproduire ainsi le champ de vitesse horizontal, soit un comportement du type d une nappe captive dans le cas étudié. Cette assimilation à un comportement de nappe captive sans application de la recharge météorique introduit également une distorsion de la progression du panache dans la direction verticale. 8/16

2.3 MODELE 2D Dans une première étape un modèle 2D a été construit. Ce modèle comprend 1794 cellules (78*23) et présente des mailles régulières de 3,25 m selon l axe X. La hauteur des mailles selon Z varie entre 0,5 et 1 m. Z Y X Figure 2 : Maillage utilisé pour le modèle 2D, unité anglaise (foot) pour les distances Ce modèle a été utilisé pour la simulation du comportement du benzène et du naphtalène. Une maille plus fine (0,5 m) a été utilisée dans la partie supérieure du modèle où se produit l étalement de la phase non aqueuse de benzène. Malgré l adoption de ce maillage relativement régulier des problèmes numériques (création et disparition de masse) ont été rencontrés lors de la phase de redistribution du benzène. Ce modèle a été utilisé également lors de l étude du comportement du naphtalène sous l interface UTCHEM GUI V9.5. 2.4 MODELE 3D Le modèle 3D en zone saturée construit représente un domaine de 307 m selon x, 18 m selon z et 34 m selon y. Il comprend 4320 cellules. Le maillage utilisé est un maillage irrégulier avec un facteur de progression de la taille des mailles compris entre 1,33 et 2. Le facteur de forme des mailles est très variable. Il est proche de 1 dans la zone d injection et atteint 80 à environ 150 m de la source. La distance inter-maille varie entre : - 1,5 m et 40 m selon x, - 1,5 m et 10 m selon y ; - 0,5 m et 2,5 m selon z Le facteur de forme est très élevé lorsque l on s éloigne de la source. Les précédentes études avaient montré l influence importante de celui-ci sur la stabilité et la précision de la modélisation dans le cas de l utilisation du code MOFAT. Le code UTCHEM apparaît néanmoins moins sensible à ce paramètre. 9/16

Z Y X Figure 3 : Maillage utilisé pour le modèle 3D, unité anglaise (foot) pour les distances 3. DEFINITION DES PARAMETRES UTILISES Seuls les paramètres différents de ceux présentés dans le cahier des charges sont présentés ici. Le lecteur se reportera au rapport INERIS-SSE-99-21EP02/R04 pour la description exhaustive des paramètres. 3.1 DEFINITION DE L ECOULEMENT La zone saturée a été modélisée avec des caractéristiques isotropes de l aquifère à l exception des paramètres de dispersivité, conformément au cahier des charges. Les caractéristiques liées à l écoulement sont présentées dans le tableau ci-dessous. Paramètre Valeur assignée aux paramètres Epaisseur de la ZS 18 m Perméabilité intrinsèque 5 000 millidarcies isotrope Porosité 0,25 Gradient hydraulique 0,0026 10/16

3.2 DEFINITION DES PRESSIONS CAPILLAIRES UTILISEES Le comportement des différentes phases est régi par l équilibre des pressions capillaires. La définition des saturations effectives de la phase mouillante (eau) et non mouillante (hydrocarbure) permettent de déduire les pressions capillaires utilisées par UTCHEM. La saturation dite effective (normée et réduite) définie dans UTCHEM de la phase eau (S nw ) est définie par : S w Srw Snw = 1 S rw où : S w = saturation de la phase eau S rw = saturation résiduelle de la phase eau La saturation effective générique notée S* est notée S nw pour la phase eau et S no pour la phase huile. Les paramètres du modèle de pression capillaire renseignés par le cahier des charges du cas-type 1 sont ceux du modèle de Van genuchten, soit α = 3,41 m -1 et n = 2,57. n * 1 * ) n La hauteur capillaire est déduite de la relation : h S ( 1 n 1/ = ( 1) α h* = hauteur capillaire de fluide normée S* = S nw pour le couple air-eau L interface GMS 3.1 ne permettant pas d utiliser le modèle de Parker pour la détermination des perméabilités relatives, il a été nécessaire d adapter les paramètres pour utiliser le modèle de Brook s et Corey proposé dans UTCHEM. * hd La hauteur capillaire est définie par h = Où h d = hauteur de déplacement du fluide de référence en m λ = paramètre de la loi de Brook s Dans une première étape les paramètres h d et λ de la relation de Brook s & Corey ont été déduits par ajustement en minimisant les différences entre les courbes issues de deux relations. Le jeu de paramètres calculés (λ = 2, h d = 0.368) a été utilisé pour déduire les courbes de perméabilités relatives. S 1 ( ) λ e 3.3 DEFINITION DES PERMEABILITES RELATIVES UTCHEM ne permet pas d utiliser les relations strictes de Brook s & Corey. Dans le cas de la zone saturée les perméabilités relatives pour les deux phases eau et hydrocarbures sont calculées par une relation puissance d exposant n1 et n2 du type de celle de Brook s & Corey. Dans la zone saturée, la saturation est air est nulle. La saturation en huile est déduite de la saturation en eau (S no = 1-S nw ) et : k rw = k rwmax (S nw ) n1 et k ro = k romax (S no ) n2 où k rw = perméabilité relative de la phase eau k ro = perméabilité relative de la phase hydrocarbure = perméabilité relative maximale de la phase eau k rnmax k romax = perméabilité relative de la phase hydrocarbure. Un ajustement supplémentaire a été nécessaire en vue d essayer de reproduire les courbes de perméabilité relative déduite de la loi de van Genuchten. Les graphes ci-dessous démontrent que la perméabilité relative pour la phase eau ajustée avec le modèle paramétrique de UTCHEM (krw aj UT) est très faible (< 0,1 k rnmax ) pour des saturations effectives inférieures à 0,6 en comparaison des perméabilités relatives de la 11/16

phase eau déduite du modèle de Van genuchten (krw VG). Pour les phases non mouillantes (air et phase non aqueuse) on obtient un meilleur ajustement. 1.0000 Comparaison krw VG -krw aj UT 0.9000 0.8000 0.7000 0.6000 krw VG krw aj UT krw 0.5000 0.4000 0.3000 0.2000 0.1000 0.0000 0.0000 0.2000 0.4000 0.6000 s*w 0.8000 1.0000 Figure 4 : Comparaison de l évolution pour la phase mouillante (eau) de la perméabilité relative selon le modèle ajusté (krwaj UT) et le modèle de Van genuchten (krw VG) kra Comparaison kra VG-kra aj UT 1.0000 0.9000 0.8000 kra VG 0.7000 krw aj UT 0.6000 0.5000 0.4000 0.3000 0.2000 0.1000 0.0000 s*a 0.0000 0.2000 0.4000 0.6000 0.8000 1.0000 kr o 1.0000 0.9000 0.8000 0.7000 0.6000 0.5000 0.4000 0.3000 0.2000 0.1000 0.0000 Comparaison kro Vg-kro aj UT kro VG kro aj UT S*o 0.0000 0.2000 0.4000 0.6000 0.8000 1.0000 Figure 5 : Comparaison de l évolution de la perméabilité relative pour les phases non mouillantes : pour la phase air selon le modèle ajusté (kraaj UT) et le modèle de Van genuchten (kra VG), pour la phase huile selon le modèle ajusté (kroaj UT) et le modèle de Van genuchten (kro VG) Un comportement différent de la distribution des saturations a été noté en comparant l utilisation directe du modèle de van Genuchten et les paramètres ajusté au modèle de Brook s & Corey. L étalement et la progression de la phase non mouillante de naphtalène est plus rapide dans le cas de l utilisation du modèle de van Genuchten. Cette progression plus rapide du naphtalène induit une distribution du naphtalène plus importante dans la partie basale de l aquifère. Dans le but de reproduire le plus fidèlement la répartition de la saturation en naphtalène, le modèle UTCHEM a été utilisé par la suite sous l interface développée par l Université d Austin (UTCHEM GUI V9.5). Celle-ci permet en effet d appliquer directement le modèle de van Genuchten pour le calcul des pressions capillaires. 12/16

4. RESULTATS DES SIMULATIONS 4.1 VISUALISATION GLOBALE DU TRANSPORT DU NAPHTALENE Les résultats présentés ci-dessous proviennent des calculs réalisés avec le modèle 2D sous l interface Windows développée par l université d Austin (UCHEM GUI V9.5) et mis à disposition de l INERIS dans le cadre de ce programme de recherche. Les calculs ont également été réalisés avec l interface GMS 3.1. Les modélisations conduites sous cette interface ont permis de reproduire le comportement d ensemble du naphtalène. Il apparaît néanmoins que le choix de la relation pression capillaire saturation est un avantage significatif du fait de la difficulté de reproduire le comportement décrit par la relation de Van genuchten. UCHEM GUI V9.5 n étant disponible qu au cours de l année 2002, l interface a été testée en construisant le modèle 2D construit pour l interface GMS 3.1 mais en utilisant les options supplémentaires fournies par cette nouvelle interface. Les calculs présentés ont été réalisés sous cette interface. 2.8E-005 2.3E-005 1.8E-005 Depth: <-- 18 --> m 0 30.7 61.4 92.1 122.8 153.5 184.2 214.9 245.6 276.3 307 Longueur Length, m m 1.3E-005 8E-006 3E-006 Figure 6 : Concentration volumique de naphtalène dissous à 10 jours, 2 ans et 8 ans après l injection, modèle paramétrique de Van genuchten Le profil de concentration du naphtalène dissous fait apparaître une influence du gradient hydraulique dès l injection du naphtalène à t = 10 jours. La diffusion-dispersion du naphtalène dissous permet une augmentation significative des teneurs sur les 30 premiers mètres en amont de l injection, entre t = 10 jours et t = 2 ans. La concentration en amont hydraulique n évolue plus par la suite, contrairement à l aval hydraulique où les teneurs en limite aval de domaine deviennent significatives 8 ans après l injection. Le comportement de phase plongeante du naphtalène induit une évolution des concentrations en phase dissoute significativement plus importante dans la partie basale de l aquifère. La forme de la distribution présentée est fortement dépendante de la distribution des saturations résiduelles. L absence de contraste de perméabilité permet ainsi au naphtalène de rejoindre rapidement le mur de l aquifère, ce qui ne sera pas toujours le cas au sein des formations géologiques. 13/16

4.2 COURBES DE RESTITUTION DU NAPHTALENE DISSOUS Le naphtalène dissous est suivi sur 4 points conformément au cahier des charges. Au droit de la source, les teneurs en naphtalène dissous n évoluent pas ou peu. Les teneurs atteignant la limite de solubilité, restent stables. Au point B, (situé à 50 m de la source), les teneurs en naphtalène dissous dépassent le milligramme par litre entre 180 et 365 jours à 4,75 m de profondeur. La limite de solubilité est atteinte au point B en deux ans à 21,25 m de profondeur. Le comportement du point C situé à 100 m de la source est également très proche de celui du point B. Le comportement atypique du niveau le plus profond est également présent. Une augmentation beaucoup plus rapide de la teneur, atteignant la solubilité, caractérise les niveaux les plus profonds des points B et C. Ce comportement n est pas observé au droit du point D situé à 200 m de la source. Ce comportement est expliqué par l étalement important de la source (cf Figure 7). Depth: <-- 18 --> m 0 30.7 61.4 92.1 122.8 153.5 184.2 214.9 245.6 276.3 307 Length, m Figure 7 : Evolution de la saturation en naphtalène, à t= 2 ans. 0.3 0.28 0.26 0.24 0.22 0.2 0.18 0.16 0.14 0.12 0.1 0.08 0.06 0.04 0.02 0 La distribution de la saturation résiduelle est très fortement orientée par le caractère plongeant du naphtalène. En outre de l étalement sur le mur de l aquifère, un déplacement important vers l aval hydraulique de la phase pure est simulé par le modèle. Le déplacement de la source secondaire constituée à la base de l aquifère modifie sensiblement les distances à la source des points d observation. L incidence de ce phénomène est notée en particulier aux niveaux des 2 points d observations situés à proximité de la source (point B et C). 14/16

Te ne ur en na ph tal èn e en m g/l 35 30 25 20 15 10 5 0 Modélisation du cas-type 1 par UTCHEM 0 1000 2000 3000 4000 Jours UTCHEM-B -4,75 UTCHEM-B -10,5 UTCHEM-B- 15 UTCHEM-B -21,25 UTCHEM-C -4,75 UTCHEM-C -10,5 UTCHEM-C- 15 UTCHEM-C- 21,25 UTCHEM-D- 10,5 UTCHEM-D- 15 UTCHEM-D- 21,25 Figure 8 : Evolution des concentrations en naphtalène dissous dans le temps aux points B, C et D situés respectivement à 50, 100 et 200 m de la source et aux profondeurs de 4,75m, 10,5 m, 15 m et 21,25 m. Une forte atténuation des différences entre les concentrations calculées au droit d un même point à plusieurs niveaux de profondeur croissante est observée. L absence de prise en compte de l infiltration explique en partie ce comportement. 5. CONCLUSIONS Le modèle UTCHEM a été utilisé dans un premier temps sous l interface GMS 3.1 dans le but de modéliser le comportement d une phase d injection puis de redistribution de naphtalène. Les limitations actuelles de cette interface ne permettent pas de prendre en compte la zone non saturée ainsi que l utilisation directe des paramètres du cahier des charges. Cette limitation constitue un handicap à l utilisation du code. Néanmoins, une adaptation des paramètres du cahier des charges a été réalisée dans le but de pouvoir utiliser cette interface. Les calculs réalisés sous cette interface permettent de reproduire le comportement général de la phase plongeante du naphtalène. La perméabilité relative moins importante de la phase non mouillante réduit néanmoins de manière significative l étalement du naphtalène dans le cas de l utilisation des paramètres de Brook s & Corey. Dans le but de reproduire la distribution des saturations en naphtalène déduite de la loi de Van genuchten, des calculs complémentaires ont été réalisés sous l interface graphique développée par l université d Austin (UTCHEM GUI V9.5) 15/16

Les courbes de restitution présentent une différence de comportement très marquée des points d observations situés à 50 m, 100m et 200 m de la source. La distribution des concentrations en naphtalène dissous des points situés à 50 m et 100 m de la source est fortement influencée par le comportement plongeant du naphtalène. Au droit de ces points d observation, les teneurs en naphtalène dissous atteignent rapidement la limite de solubilité dans la zone la plus profonde de l aquifère. A contrario, les simplifications utilisées, en particulier dans la définition de l écoulement, induisent des faibles différences de la répartition des concentrations en naphtalène dissous au droit du point d observation situé à 200 m de la source. L intérêt de l utilisation d un code de calcul multiphasique est donc limité dans l espace et dans le temps si des simplifications significatives de la description de l écoulement hydrauliques sont nécessaires. Néanmoins, dans le cadre du cas type et sur une distance de l ordre de 100 m le simulateur polyphasique étudié et bridé par une interface incomplète et une simplification des paramètres du cahier des charges fournit néanmoins une distribution des saturations et des concentrations prenant en compte les caractéristiques physico-chimiques d un polluant étudié. Cette distribution est notablement différente de celle fournie par un modèle monophasique. Une étude fine du comportement du naphtalène est rendue ainsi possible par ce type de modèle sur une étendue spatiale dépendante des hypothèses simplificatrices utilisées. La localisation et l estimation du volume de la source d un polluant non miscible peut ainsi être facilitée par l utilisation d un modèle multiphasique si l on dispose de données adéquates et en particulier de teneurs en polluant dans les sols et les eaux selon plusieurs niveaux de profondeurs. 6. ANNEXE Repère Désignation Nombre de pages annexe 1 Extrait du rapport INERIS-SSE-99-21EP02/R04 du 19 avril 1999 précisant le cahier des charges du CT1 8 A4 16/16

17/16 INERIS DRC-03-46520/DESP-R01a