Sur de très nombreux sites, la chimie des eaux est suivie par le biais de forages simples, la plupart du temps crépinés sur toute la hauteur de la formation aquifère. Cependant la pollution est très souvent stratifiée, c’est-à-dire, présentant des variations de concentrations importantes, souvent un ou plusieurs ordres de grandeurs, sur la verticale, à 1 m d’écart. La méthode de prélèvement adaptée, utilisée sur les sites dédiés à la recherche et des sites américains très bien équipés, est le piézomètre multi-niveaux. A partir d’un site présentant peu de piézomètres, la question récurrente est de définir le positionnement vertical de la contamination afin de déterminer s’il est indispensable de placer des piézomètres multi-niveaux, et, le cas échéant, à quelle profondeur placer ceux-ci. Le préleveur ciblé est conçu à cet usage, il a pour objectif de permettre d’obtenir les eaux les plus représentatives possibles du niveau en face duquel il est situé, ceci en conservant temps de prélèvement similaire à celui des préleveurs classiques. Nous ne prétendons pas remplacer un système de piézomètres multi-niveaux.

1.    Contexte

Lors d’une étude précédente nous avons démontré que le prélèvement entre packer était bien plus performant que le prélèvement à l’aide d’une pompe seule, mais aussi en petit débit étagé sur plusieurs profondeurs (méthode préconisée par l’US-EPA)¹. L’intérêt du prélèvement entre packer, est double. En premier lieu, il permet de pomper des quantités significatives dans l’intervalle inter-packer et donc de ne pas obtenir de l’eau modifiée dans le forage ou même dans le massif filtrant. Il est donc nécessaire de nettoyer cet espace. En deuxième lieu, sur de nombreux sites le forage sert de tube d’échange entre différents niveaux si la perméabilité de l’aquifère n’est pas homogène verticalement.

D’autres études² avaient déjà montré que le bailer classique n’était pas du tout adapté à ce type de prélèvement. Il existe un certain nombre de travaux, comparant différents outils, mais nous n’avons  pas trouvé d’étude exhaustive, car celle-ci demanderait de travailler sur de nombreux sites. En effet, les différences entre types de préleveurs dépendent de la stratification de la pollution et de la perméabilité.

2.    Réalisation

2.1.Version simple

Nous avons suivi la voie du prélèvement entre packer, cependant il était nécessaire d’alléger le système et d’améliorer sa maniabilité. Ceci a été réalisé en insérant une pompe 12V de petite taille entre les deux packers. La présence de la pompe immergée permet de pomper à des profondeurs supérieures à 8 m et d’obtenir des débits satisfaisants. Afin de remplacer les packers traditionnels de grande dimension et lourds, nous avons opté pour un système utilisant des mini-packer très légers faisant de 10 à 15 cm de long selon le diamètre, et gonflés avec une simple pompe manuelle. Le schéma de réalisation des deux versions est donné en Figure 1.

Figure 1 : Schémas du préleveur ciblé simple,  à mini-packer. La hauteur inter-packer est variable, mais au minimum de 20 cm.

Le débit de pompage varie entre 0.5 et 3 L/min, ce qui permet une stabilisation en quelques minutes lors de l’échantillonnage. Ce temps est en fait souvent plus court que sur un forage classique, car la hauteur prélevée faible implique un volume plus faible à remplacer et moins d’hétérogénéité sur la hauteur prélevée. Par ailleurs ce débit élevé permet de limiter considérablement l’effet de sorption/relargage de polluant par le tubage.

2.2.Version multi-pompe

Des tests de perméabilité ont été effectués avec la version simple et on montré que le prélèvement pouvait conduire à des baisses de pression en dessus et en dessous des packer, dans les milieux de faible perméabilité (cf. résultats). Ceci conduisait donc le pompage inter-packer à prélever de l’eau provenant des niveaux supérieurs et inférieurs. Afin d’éliminer cet effet, nous avons adapté le système en ajoutant deux pompes, une en-dessus et une en dessous des packers (Figure 2). Hormis un montage un peu plus complexe et le besoin de gérer deux tuyaux d’exhaure, la manipulation du système multi-pompe est similaire à celle du système simple.

Figure 2 : schéma de fonctionnement (pompes en rouges et packers en bleu)  à gauche et photo du système multi-pompe.

3.    Résultats

3.1.Version simple

Cette version a été en premier lieu testée pour la qualité du matériel, et la faisabilité de la mesure. Le premier test a consisté à tester la mesure de conductivité des eaux en fonction de la profondeur sur un aquifère relativement profond et en présence d’écoulement rapide. La Figure 3 montre clairement que le profil mesuré à la sonde à diagraphie est entièrement reproduit avec le préleveur ciblé. Il y a donc un prélèvement localisé et l’absence de contamination croisée entre niveaux.

Figure 3 : Profil vertical comparé de conductivité mesuré en diagraphie directe (ligne bleue)  et sur les eaux échantillonnées avec le préleveur ciblé (points rouges).

Sur ce test la durée de stabilisation de la mesure a aussi été testée. La Figure 4 montre clairement que le temps d’équilibration pour chaque niveau est très court, souvent proche de la minute. Pour les COV nous avons fait les mêmes tests en présence de l’échangeur air-eau en sortie du préleveur (Figure 4). Nous trouvons des temps légèrement plus longs, entre une et deux minutes. Cependant il ne nous est pas possible de séparer le temps d’équilibration lié au préleveur ciblé de celui lié à l’échangeur air-eau. Ces temps restent cependant très courts par rapport aux durées classiques de pompage sur site réel.

Figure 4 : durée d’équilibration de la mesure : gauche conductivité en sortie du préleveur ciblé, les lignes correspondant aux profondeurs en mètres, droite : sortie de l’échangeur air-eau.

Le préleveur a été testé sur des forages avec des zones crépinées de quelques mètres. Sur la Figure 5 nous pouvons constater que  nous sommes en présence de différences de concentration de plus d’un ordre de grandeur sur des distances de l’ordre du mètre. Il apparaît que le préleveur ciblé permet de mettre en évidence des gradients verticaux. Ces résultats démontrent aussi l’intérêt de ce type de prélèvement. En effet, on suppose a priori que les BTEX vont être en surface et les solvants chlorés en profondeur. Nous constatons que sur ce forage ce n’est pas le cas, les deux polluants suivent à peu près les mêmes courbes avec des concentrations élevées en profondeur. Ceci permet donc, à partir de mesures simples, de déterminer que la source de pollution doit être mixte et doit avoir migré vers le mur de l’aquifère. Nous pouvons aussi constater que les teneurs obtenues à l’aide de l’échangeur air-eau couplé au PID sont tout à fait cohérentes avec la somme des concentrations mesurées en GC.

Figure 5 : Profil de concentration sur deux forages crépinés sur 3 à 4 m, avec les concentrations en BTEX (axe du haut) et les valeurs mesurées au PID raccordé à l’échangeur air-eau (axe du bas). Piézomètre A en haut et B en bas, gauche : BTEX, droite : solvants chlorés.

3.2.Mesure de pression

Le questionnement majeur sur le préleveur ciblé est de déterminer si celui-ci prélève réellement sur l’espace inter-packer, où s’il y a un mélange avec des eaux provenant de la zone supérieure ou inférieure à cet espace. Ce type de comportement ne peut être estimé avant pompage car il va dépendre de la perméabilité des sédiments concernés et de celle de l’éventuel massif filtrant.

Pour les forages dans lesquels nous avons pu placer le préleveur, les résultats obtenus, mis en parallèle aux descriptifs des strates géologiques rencontrées, montrent une bonne corrélation entre productivité de la zone se trouvant face au préleveur ciblé et débit de la pompe. En effet, lorsque que nous étions placés face à des argiles ou limons nous ne pouvions pas pomper d’eau, lorsque nous nous trouvions face à des sables les débits et les volumes de prise d’échantillons étaient proches de ceux de la pompe non contrainte.

Cependant il existe des cas plus complexes avec des niveaux de perméabilité assez hétérogènes sur la verticale. Nous avons donc cherché à estimé l’effet de mélange indirectement en mesurant la charge hydraulique dans les trois compartiments (bas : sous packer, milieu : espace pompe, haut : au-dessus packer). Si la pression baisse en dessous ou au-dessus du point de pompage, il y a mélange.

La Figure 6 illustre le suivi des pressions sur le compartiment inter-packer et le compartiment haut. Nous pouvons constater, sur la partie gauche de la figure, qu’en milieu perméable (sable moyen ici) le pompage n’influence pas du tout la charge hydraulique du compartiment supérieur. Dans ce cas nous pouvons considérer que le préleveur prélève bien en face de l’espace inter-packer. Sur la partie droite de la figure nous avons un exemple en milieu sablo-limoneux beaucoup moins perméable. Dans ce cas, il apparaît clairement que la charge hydraulique du compartiment haut est perturbée et par moment très proche de celle du compartiment inter-packer. Comme il n’y a pas de pompe dans le compartiment haut, il est clair que l’eau entrant dans ce compartiment ira dans la pompe soit en passant par le massif filtrant, soit dans l’aquifère juste autour du forage. Dans ce cas, le préleveur ciblé prélève donc un intervalle qui peut être largement plus important que l’espace inter-packer.

Figure 6 : Comparaison des charges hydrauliques (en cm) lors du pompage entre packer (préleveur version simple) dans les différents compartiments (entre-packer et haut). A gauche pompage en milieu perméable, à droite en milieu peu perméable.

3.3.Version multi-pompe

Suite à la présence de prélèvements mal ciblés en milieu peu perméable identifiés grâce aux mesures de pression, la version multi-pompe décrite précédemment, a été développée. Sur cette version, les pompes situées dans les compartiments haut et bas sont utilisées pour établir un flux horizontal sur l’ensemble de la zone de prélèvement.

La Figure 7 illustre la comparaison entre trois approches sur un forage présent dans un aquifère situé entre 5 et 8m, donc une épaisseur assez mince, et dans un milieu a faible perméabilité. Ce forage a été choisi car le préleveur ciblé simple montrait des dépressions sur les compartiments haut et bas. Les trois approches comparées sont : le prélèvement classique avec une seule pompe (intégral), le préleveur ciblé simple et le préleveur ciblé multi-pompe. Nous pouvons constater que le pompage intégral à deux dates différentes donne des résultats très similaires et des concentrations assez basses. Le préleveur simple montre un gradient de concentration d’un facteur 2 entre les différents niveaux, avec des concentrations assez proches du prélèvement classique. Les concentrations déterminées suite au prélèvement avec le préleveur multi-pompe sont quant à elles très différentes, puisque l’on obtient des concentrations en TCE 20 fois supérieures à celles obtenues avec le pompage intégral. Nous pouvons voir apparaître un gradient net avec la profondeur. Le préleveur simple montrait un gradient ayant la même orientation que celui du préleveur multi-pompe mais avec des valeurs de concentrations bien plus faibles. Ce schéma met en évidence que, comme sur la plupart des sites, les concentrations prélevées localement sont globalement plus importantes que celles obtenues avec le pompage intégral. Ceci semble être du au fait que les zones les plus perméables contiennent des concentrations plus faibles que les zones les moins perméables. Ainsi lors d’un pompage intégral la majeure partie du flux d’eau provient des zones les plus perméables et donc la composition moyenne de l’eau sera proche de celle des zones les plus perméables.

Ainsi le préleveur ciblé, simple ou multi-pompe, a pour objectif de positionner la pollution mais pas de connaitre le flux transitant sur l’ensemble de la hauteur, qui peut être approché par le pompage classique.

Figure 7 : Comparaison entre la mesure par niveaux (profondeurs en mètres) à l’aide de la version simple (gauche) et la version multi-pompe (droite), sur le même forage.  Le libellé intégral montre les valeurs obtenues avec un pompage classique avec une seule pompe.

4.    Conclusion

Le préleveur ciblé est maintenant opérationnel, après un passage sur presque une dizaine de sites. Les aspects opérationnels ayant été résolus, le prélèvement répond aux objectifs, c’est-à-dire un temps de déploiement court (10 à 20 min.) et un temps de prélèvement également très court (env. 5 à 10 min par mesure) et l’utilisation possible par une personne seule.

La critique majeure du préleveur en version simple était la difficulté d’estimer la hauteur réellement prélevée en situation réelle. La mesure des pressions dans les différents compartiments a permis de lever ce verrou. Nous avons pu montrer que le préleveur simple répondait à son objectif dans des milieux perméables. En présence de dépression sur les compartiments sans prélèvement, la version multi-pompe du préleveur doit être employée. Celle-ci montre un fonctionnement adapté car elle permet de visualiser des gradients non visibles avec la version simple.

Auteurs : O. Atteia, M. Momtbrun, E. Essouayed

Dans la continuité de la Fondation, InnovaSol a contractualisé avec l'INP Bordeaux, l'Université Bordeaux Montaigne et l'ADERA pour la mise en place de son premier contra de Recherche.

Après l’arrivée au terme du mandat de la Fondation InnovaSol, le Consortium qui a pris la suite c’est tout naturellement tourné vers ses partenaires académiques historiques pour lancer son premier contrat de recherche. L’accord qui a été signé pour 4 ans entre InnovaSol, l’INP Bordeaux, l’Université Bordeaux Montaigne et l’ADERA porte sur trois actions de recherche. La première s’intéresse à la détermination de l’hétérogénéité des flux de polluants émis par une zone source dans le sol. La seconde vise à améliorer la stabilité d’une mousse injectée in situ pour la récupération de phases flottantes. Enfin, le troisième axe est dédié à l’étude de la disponibilité de polluants en faibles concentrations, aux risques associés et traitements adaptés. Les travaux sont menés au sein du laboratoire G&E de l’ENSGID.

Les éléments majeurs des essais d’injection de mousse menés en colonne, dans le cadre des travaux de doctorat d’Estefania DEL CAMPO, ont été repris dans un article qui analyse l’origine de la résistance à la mobilité de la mousse, et la relation entre ce paramètre et la perméabilité du milieu.

Les techniques de lavage in-situ se sont révélées inefficaces dans des aquifères hétérogènes car l'écoulement s’effectue de préférence par le biais de la couche la plus perméable. Pour améliorer l'efficacité du balayage, des fluides à faible mobilité peuvent être injectés, tels que des polymères ou de la mousse générée in situ. L'utilisation de mousses est peu répandue parce que sa mobilité est difficile à prévoir.

Dans cet article, une série d'expériences en colonne ont été menées pour étudier la variation du facteur de résistance à la mobilité (RF) en fonction de la perméabilité. Cinq types de sable et de billes de verre calibrées ont été utilisés pour obtenir des milieux poreux ayant des perméabilités allant de 250 à 100 millidarcy. Deux tensioactifs non ioniques commerciaux (Triton X-100 et le laurate de saccharose), ont été utilisés à une concentration égale à 10 x CMC (concentration micellaire critique). Les colonnes ont d'abord été saturées avec de l'eau et puis rincées avec 1,5 PV (volumes de pores) de la solution de tensio-actif afin de saturer la capacité d’adsorption de molécules sur la matrice du sol . Ensuite , la co- injection d'air et de tensioactif a été effectuée à un débit total constant pour générer de la mousse in situ. La qualité de la mousse a varié de 85 % à 99% afin d'étudier l'effet de ce paramètre sur la résistance à la mobilité.

La corrélation entre le RF et la perméabilité est présentée. Les résultats suggèrent que, pour le même débit total, le RF diminue à mesure que la perméabilité augmente dans un milieu grossier, mais pour des perméabilités inférieures à 1 Darcy, le RF est faible, ce qui est attribué à la difficulté de générer de la mousse stable sous des pressions capillaires élevées. Les variations de la qualité de la mousse et du type de tensioactif ont un effet secondaire sur le gradient de pression.

Le retour d'expériences nord-américain sur le traitement de sol par lavage (tensio-actif, cosolvants) montre que si la technique a fait preuve d'une grande efficacité sur certains site, la complexité élevée de sa mise en oeuvre semble en avoir limité l’usage.

Les techniques de lavage de sol ont été testées en vraie grandeur sur plusieurs sites américains vers la fin des années 1990. L’analyse de ces expériences permet de dégager plusieurs techniques de dépollution impliquant l’usage de tensioactifs, de cosolvants, de polymères et des expérimentations complexes impliquant plusieurs de ces produits.

La majeure partie des tests ont été effectués sur des cellules fermées, ce qui favorise l’efficacité. Sur ces expériences, de très bons rendements d’extraction de DNAPL ont été obtenus, avec cependant des difficultés liées aux quantités de produits nécessaires.

Les techniques les plus pertinentes impliquent l’utilisation conjointe de produits, soit de faibles doses de cosolvant et de tensioactifs, soit une succession polymère tensioactif. En raison des interactions entre les produits et le substrat de nombreux tests de laboratoire doivent être effectués avant l’injection en pilote. De plus l’efficacité dépend de la méthode injection, et du positionnement des forages vis à vis de la source, ce qui nécessite une très bonne connaissance de la zone source.

Une très bonne maîtrise technique a permis d’obtenir une efficacité supérieure à 98% sur quelques sites réels.

Le préleveur ciblé développé par InnovaSol rend possible la prise d'échantillon à une profondeur donnée dans un piézomètre classique, sans modification de l'ouvrage. Simple d'utilisation, il permet la réalisation de nombreuses mesures dans une même journée.

La majorité des sites contaminés français sont équipés de piézomètres crépinés sur des hauteurs importantes, voire sur toute la hauteur de l’aquifère. Or, il est connu que les eaux sont très souvent stratifiées, notamment en ce qui concerne les concentrations en polluants (ADEME 2005, Atteia 2005). En parallèle, on observe souvent lors de séries de prélèvements trimestriels par exemple des variations importantes de concentrations qui ne sont pas toujours explicables. Partant de ce contexte et de l’idée qu’une part importante de la variabilité temporelle vient de fait d’une variabilité de composition verticale, il a été envisagé de réaliser un préleveur qui puisse cibler des parties de faible hauteur pour analyser la zone polluée, mais aussi pour diminuer la variabilité observée.

Ce développement a été initié par des travaux au cours desquels des prélèvements entre packers sur des forages crépinés ont été testés (Barnier et al. 2012a). Les résultats ont bien mis en évidence le fait que seul le prélèvement entre packer permet de reproduire des gradients importants de concentration. En complément, le suivi de la composition de l’eau extraite entre deux packers au cours du temps a très clairement montré qu’il faut un temps d’équilibration pour atteindre une composition stable, même lors du prélèvement entre packers. L’eau du forage est donc un mélange d’eaux de provenance d’horizons variés. Ces résultats démontrent donc la nécessité de réaliser un prélèvement ciblé si l’on veut avoir des résultats de qualité.

A partir des données obtenues ci-dessus, l’objectif était donc de reproduire un système de « packers » mais en le simplifiant car il n’est pas possible de faire des prélèvements de façon régulière avec des packers, le temps de prélèvement étant facilement multiplié par 5. De même, il existe des système sophistiqués qui permettent de transformer un puits simple en puits multi-niveaux, mais ceux-ci sont en général coûteux et ne permettent pas d’utiliser le puits à d’autres usages. L’objectif est donc d’avoir un système très simple qui puisse être utilisé par les bureaux d’études lors de prélèvement de routine. Le descriptif détaillé de l'appareil est disponible dans le doument à télécharger.

Le préleveur a été testé sur un forage en conditions réelles pour voir si le mécanisme fonctionne avec la profondeur (> 10m). Ce test a permis de valider la mise en œuvre simple ainsi que le bon fonctionnement mécanique du préleveur.

Cette phase ayant été effectuée sur un puits qui présente un gradient vertical de conductivité hydraulique, nous avons ainsi pu valider le fonctionnement sur site à l’aide de mesure de conductivité électrique. Dans un premier temps, le gradient de conductivité présent dans le puits a été déterminé grâce à une sonde DIVER mesurant in-situ, conductivité, pression et température. Des zones de variation de conductivité ont été identifiées, et ont permis de mettre en évidence des profondeurs de prélèvements significatives.

La comparaison des données obtenues avec les deux systèmes, nous a permis d’établir le graphique suivant :

Celui-ci nous montre une très bonne corrélation entre les deux mesures effectuées. Pour les deux appareils utilisés, nous retrouvons des valeurs de  conductivité très similaires en fonction de la profondeur. Les mesures ont été effectuées en descendant les appareils, puis confirmées en les remontant.

L’ensemble de ces résultats confirme la précision de mesure fournie par cet appareillage. Il semble constituer une bonne alternative aux procédés préexistants de par sa facilité d’utilisation.  La validation du système se poursuit actuellement par la réalisation de tests complémentaires sur des puits aux diamètres différents.

Selon l'étude menée par InnovaSol, les différences constatées entre les mesures et les prédictions obtenues avec les modèles de volatilisation sol-bâtiment (Volasoil, Johnson et Ettinger) ne proviennent pas des simplifications de ces modèles. L'origine de ces écarts est à rechercher dans le rôle de la frange capillaire, de la distance bâtiment-source et du non-équilibre sol-air.

Différents articles récents montrent que le modèle en une dimension de type Johnson et Ettinger, s’il est appliqué à un contexte où il n’y a pas d’effet 3D (source très localisée, bâtiment éloigné de celle-ci) ne conduit pas à des différences majeures avec un modèle en 3 dimensions reprenant la physique des phénomènes. En ce qui concerne le rôle des paramètres majeurs, les éléments suivants peuvent être avancés :

• D’une façon générale, le type de polluant change relativement peu les flux tant que celui-ci est volatil.
• Le nombre de fissures dans les fondations du bâtiment influence peu les résultats généraux.
• Dans les sols peu perméables à l’air, le processus majeur est la diffusion et ainsi le différentiel de pression entre sol et bâtiment est peu influent.
• A l’inverse, dans les sols perméables, les paramètres majeurs sont la perméabilité à l’air du sol et la différence de pression sol-bâtiment.
• La teneur en air du sol, qui peut varier largement sous un bâtiment, influence très largement les résultats. En effet une variation d’un facteur 4 de la teneur en air peut conduire à une variation des concentrations dans le bâtiment de plus d’un ordre de grandeur.

Par ailleurs, cette étude montre clairement que des facteurs "externes" aux équations des modèles conduisent aisément à des erreurs de plusieurs ordres de grandeur sur les résultats de modélisation. Il y a cependant une solution assez simple à ces déviations importantes : lorsqu'il s'agit de modéliser un risque dans un bâtiment, il est indispensable de réaliser les mesures dans l'air du sol. En effet une mesure locale dans l'air du sol permet d'éliminer les trois grands facteurs de biais que nous avons identifié : (i) hétérogénéité latérale, (ii) rôle de la frange capillaire et mesure dans la nappe et (iii) rôle du transfert solide-gaz.

Cette approche simple permettra de limiter très fortement les erreurs des modèles sur site réel. Par contre lorsque les terres d'un site doivent être réemployées le calcul par le modèle risque peut toujours être préconisé avec moins de possibilités de mesure in situ. Dans ce cas, il est néanmoins possible de réaliser les études de risque aussi à partir de mesure dans les gaz du sol et non sur des concentrations sur le solide.