Modélisation du transport de l'eau et des polluants dans les sols contaminés des friches industrielles, Modeling of water flow and contaminant transport in the contaminated soils from the former industrial sites

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INSTITUT NATONAL POLYTECHNIQUE DE LORRAINE
ECOLE DOCTORALE RP2E
Laboratoire des Sciences du Génie Chimique


THESE
Présentée et soutenue publiquement le 17 décembre 2009
pour l’obtention du grade de Docteur de l’INPL

par


Van Viet NGO




Modélisation du transport de l’eau et des
Hydrocarbures Aromatiques Polycycliques (HAP)

dans les sols de friches industrielles





Directeur de thèse : Marie-Odile SIMONNOT Professeur, INPL (EEIGM) Nancy
Co-directeur de thèse : Abderazzak LATIFI Professeur, INPL (ENSIC), Nancy

Composition du jury
Président du jury : Michel SARDIN Professeur, INPL (ENSIC), Nancy
Rapporteurs : Jean-Paul GAUDET Ingénieur de Recherche, LTHE, Grenoble
Michel LEGRET Directeur de Recherche, LCPC, Nantes
Examinateurs : Abderazzak LATIFI Professeur, INPL (ENSIC), Nancy
Marie-Odile SIMONNOT Professeur, INPL (EEIGM) Nancy
Membres invités : Stéphanie OUVRARD Chargée de Recherche, INRA, Nancy

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Remerciements

J’aimerais tout d'abord remercier la directrice et le co-directeur de cette thèse, Mme Marie-Odile
SIMONNOT et M. Abderrazak LATIFI, Professeurs à l’Institut National Polytechnique de Lorraine
pour m'avoir guidé, encouragé, conseillé et fait confiance pendant trois ans de thèse en me laissant
une grande liberté. Chacun avec sa propre manière, avec ses dynamiques et ses compétences
scientifiques m’a permis de mener à bien et de faire aboutir ce travail. Je les remercie de tout mon
cœur.
Mes remerciements vont ensuite à M. Michel SARDIN, Professeur à l’Institut National Polytechnique
de Lorraine, Directeur du Laboratoire des Sciences du Génie Chimique, pour la gentillesse et la
patience qu'il a manifestées à mon égard durant cette thèse, pour tous les conseils qu'il a bien voulu
me donner et aussi pour m'avoir fait l'honneur de présider le jury de soutenance.
Mes sincères remerciements vont à M. Jean-Paul GAUDET, Ingénieur de Recherche au Laboratoire
d’étude des Transferts en Hydrologie et Environnement, CNRS, Grenoble et à M. Michel LEGRET,
Directeur de Recherche au Laboratoire Central des Ponts et Chaussées, Bouguenais, qui m’ont fait
l’honneur d’être les rapporteurs de cette thèse, à Mlle Stéphanie OUVRARD, chargée de recherche
INRA qui a accepté d’être examinateur.
Ce travail n’aurait pu être mené à bien sans l’aide du GISFI, Groupement d’Intérêt Scientifique sur
les Friches Industrielles, au travers de son soutien scientifique et matériel. Je remercie très
chaleureusement M. Jean-Louis MOREL, Professeur à l’Institut National Polytechnique de Lorraine,
Président du GISFI pour son soutien pendant trois ans de thèse. Une grande partie de ce travail
n’aurait pu être réalisé sans le transfert de données effectué par Noële RAOULT, directrice du GISFI,
Je lui adresse donc mes sincères remerciements. Je profite de ces quelques lignes pour remercier
aussi tous les membres du GISFI.
Je tiens à remercier aussi Lise LUCAS, Maître de Conférences, dont la participation, la contribution,
les conseils m’ont permis de mieux réaliser ce travail de thèse.
Merci beaucoup à mon collaborateur et ami, Julien MICHEL, pour ses aides et ses conseils toujours
très pertinents. Je tiens à remercier les amis qui m’ont aidé à améliorer mon français, résoudre les
problèmes de logistique au cours des années de thèse, et passé ensemble de bons moments de loisir:
Romain BARBAROUX, Valérie GUJISAITE, Julien LEMAIRE, Paula Tereza DE SOUZA E SILVA.
J’aimerais remercier très sincèrement Michelle et Jean-François CAMUS pour ses aides, ses
souvenirs, ses encouragements pendant mon séjour à Nancy. Je voudrais remercier aussi mes amis
vietnamiens de la classe K45A: Tuan, Loan, Hung, Hinh, Phuong, Ha pour leurs encouragements.

Je n’oublierai pas les aides permanentes reçues de la part du personnel technique et administratif du
Laboratoire des Sciences du Génie Chimique: Fabrice BENARD, Corinne DE CRUZ, Bruno
DELFOLIE, Annie FREY, Muriel HAUDOT, Nelly LOZINGUEZ, Josiane MORAS, Claudine
PASQUIER.
1

Je remercie tout particulièrement ma chère épouse, mon amie, mon amour, ðnh, pour ton soutien
quotidien indéfectible, tes encouragements pour passer les moments difficiles, ton enthousiasme
contagieux à l’égard de mes travaux comme de la vie en général. Et alors ma petite chérie, Lily Quỳnh
Trang, toi, tu ne comprends pas encore le travail de papa, et pourquoi papa va à Massy seulement
deux fois par mois pour te voir, rentre très tardivement et ne passe pas beaucoup de temps pour jouer
avec toi (lors de la période de la fin de thèse quand toi et ta maman retournent à Nancy pour me
soutenir)… Mais c’est toi, ma petite chérie, qui a été vraiment ma source d’énergie, ma force pour
bien avancer ce travail de thèse… Oh, how I love you, my babies!

Enfin, je remercie nos familles, mes parents, ma belle-mère, mon beau-père, mes sœurs, mes frères
pours leur aide et surtout leurs encouragements pendant mon séjour à l’étranger.
2

Sommaire
Introduction générale ......................................................................................... 17
Chapitre I : Théorie et état de l’art de la modélisation de l’écoulement d’eau et
du transport de soluté en milieu poreux ............................................................ 20
1. Introduction ................................................................................................................................... 21
2. Notions fondamentales concernant le milieu poreux.................................................................. 21
2.1. Présentation du sol ............................................................................................................... 21
2.2. Porosité .. 22
2.3. Masse volumique ................................................................................................................. 23
2.4. Teneur en eau volumique ..................................................................................................... 23
2.5. Potentiel de pression ............................................................................................................ 24
2.6. Loi de Darcy ......................................................................................................................... 24
2.7. Conductivité hydraulique 25
2.8. Relations θ(h) et K(h) ........................................................................................................... 25
2.8.1. Relation teneur en eau - potentiel de pression θ(h) ................................................. 25
2.8.2. Relation conductivité hydraulique - potentiel de pression K(h) ............................. 26
3. Ecoulement d’eau en milieu poreux à saturation variable ........................................................ 27
3.1. Modèle d’écoulement d’eau uniforme ................................................................................. 27
3.2. Ecoulement préférentiel ....................................................................................................... 28
3.2.1. Modèle à double porosité (Dual-Porosity Model) .................................................. 29
3.2.2. Modèle à double perméabilité (Dual-Permeability Model) .................................... 29
3.2.3. Transfert d’eau entre régions .................................................................................. 30
4. Transport d’un soluté en milieu poreux ...................................................................................... 30
4.1. Processus de transport de soluté ........................................................................................... 30
4.1.1. Diffus