Influence d'une hétérogénéité macroporale sur les processus de transport de soluté dans un milieu poreux : expérimentations sur sols modèles et simulations par la méthode de Lattice-Boltzmann

Macroporal heterogeneity influence on solute transport process in porous media: experiments on model soil and modeling with Lattice-Boltzmann method

¹ LUNAM Université, IFSTTAR, GERS, EE, F-44340 Bouguenais, France
e-mail : pierre-emmanuel.peyneau@ifsttar.fr
² Université de Lyon, UMR 5023 Laboratoire d'Ecologie des Hydrosystèmes Naturels et Anthropisés, Université Lyon 1, ENTPE, CNRS, 3, rue Maurice Audin, F-69518 Vaulx-en-Velin, France
e-mail : laurent.lassabatere@entpe.fr
³ Université Paris-Est, Laboratoire Navier, UMR 8205, CNRS, Ecole des Ponts ParisTech, IFSTTAR, F-77455 Marne-la-Vallée, France
e-mail : patrick.dangla@ifsttar.fr

Résumé

La modélisation des écoulements et du transport dans les milieux poreux est un domaine actif pour le suivi de la contamination dans les sols ou les bassins de rétention notamment. La prise en compte d'hétérogénéité de type macroporale peut souvent être nécessaire, et pour cela de nombreux modèles numériques utilisent des concepts de double ou multi-perméabilités afin de rendre compte des différentes perméabilités d'un même milieu. Cependant, les modèles classiques semblent sous-estimer le rôle de chemin préférentiel d'un macropore, car le champ d'action de celui-ci doit être élargi dans la matrice poreuse pour ajuster au mieux les données expérimentales. Cette étude se propose de comprendre les mécanismes d'échange hydraulique et de masse entre le macropore et la matrice poreuse, en utilisant un milieu poreux modèle de billes de verre, et en utilisant la méthode de Boltzmann sur réseau pour simuler des écoulements. Les premiers résultats montrent que le débit d'injection influe sur l'apparition d'une inflexion des courbes de percée d'un traceur. Les résultats indiquent que la diffusion, plus forte dans ce cas, provoque des transferts de masse importants vers la matrice poreuse. De plus, les simulations montrent que l'écoulement préférentiel est étendu dans la matrice poreuse sur une zone de même dimension que le diamètre moyen des grains. Ces résultats montrent que l'influence du macropore doit être étendue dans la matrice poreuse pour l'écoulement et que la zone d'échanges diffusifs latéraux dépend du coefficient de diffusion du traceur.

Abstract

Flow and solute transport modeling in porous media is an important issue for the monitoring of pollutant contaminations in soils or retention ponds. It is often necessary to take into account macroporal type heterogeneities. For this purpose, several numerical models use double or multi permeability concepts in order to characterize different permeabilities of a porous medium. However classical models seem to underestimate the impact of the preferential path induced by a macropore. This impact has to be extended in the surrounding porous matrix for the good fitting of experimental data. This study proposes to understand hydraulic and mass exchange mechanisms between the macropore and the porous matrix, by using a model porous media made of glass beads, and by using the lattice-Boltzmann method for flow simulations. First results show the influence of flow rate on the apparition of an inflection on breakthrough curves. Results show that molecular diffusion, higher in this case, causes higher mass transfer from the macropore to the porous matrix. Moreover, simulations show that the preferential flow is extended to the porous matrix in a zone having the same dimension than the macropore. These results emphasize that the macropore influence has to be extented in the porous matrix for flow and the diffusive exchange zone depends on the molecular diffusion coefficient of the tracer.