modélisation de l'altération météorique des mâchefers par

Modélisation de l'altération météorique des mâchefers par la méthode des Réacteurs

Élémentaires en Réseaux

Étude de la propagation des lkiviats dans un aquifere

Étude réalisée dans le cadre de la convention d'étude avec le MATE DDPRJSEI 13/99 « Définition des conditions d'usage des déchets ultimes D

Étude et action de Service public du BRGM 99-F-298

octobre 2000 BRGMIRP-50486-FR

Modélisation de la Iixiviation de rnâcheiers

Mots clés : Mâchefers d'incinération d'ordiires ménagères, MIOM, Lixiviats, Modélisation couplée, Pollution, Aquifère, RER, Allan-Neptunix, Pvlarthe.

En bibliographie, ce rüpport sera cité de la facon suivante :

Lanini S., Thiéry D., Pianione P., Baranger P. (2000) - Modélisation de l'altération inétéorique des mâchefers par la méthode des Réacteurs Elémentaires en Réseaux - Etude de la propagation des lixiviats dans un aquifttre. BRGMJRP-50486-FR, 62 p., 16 Iig., 5 tabl., 1 anil.

O BRGiv1, 2000, ce documcnl ne peut 6tre reproduit en totülii2 ou en partie sans I'niiiorisaiiori cxprïssç du BRGM.

Modélisation de la lixiviation de mâchefers

n s'appuyant sur le suivi expérimental de l'altération météorique d'un tas de mâchefers réalisé par le BRGM en 1997, et pour faire suite à des premiers travaux

de modélisation entrepris en 1999, un modèle hydro-géochimique de lixiviation de Mâchefers d'incinération d'ordures Ménagères (MIOM) a été développé.

Construit à l'aide du logiciel ALLANB et du solveur d'équations NEPTUNE@, il repose sur l'approche des Réacteurs Elémentaires en Réseau. Après validation et calage, il a été utilisé pour prévoir la composition des lixiviats selon 4 scénarios d'utilisation des mâchefers : stockage en tas sans aucun aménagement (scénario l), valorisation en remblais sous route (scénario 2), sous habitations (scénario 3) ou sous couvert végétal (scénario 4). Malgré une absence de retour d'expérience pour ces divers scénarios envisageables pour la valorisation des MIOM, cette démarche avait pour objet de tester la faisabilité et la pertinence de l'approche.

Les résultats numériques montrent que dans tous les cas simulés, le pH des éluats se stabilise très rapidement autour de 8,2 ; la teneur en sulfates demeure largement supérieure à la norme de potabilité même après 10 ans alors que celles en plomb et zinc restent infimes.

Une modélisation d'un transport «réactif D a été ensuite entreprise pour étudier la propagation dans un aquifere fictif des lixiviats générés selon les 4 scénarios. Ce second modèle a été construit par couplage numérique du code hydrogéoiogique aux volumes finis MARTHE et d'un Simulateur Chimique Spécifique développé avec ALLAN- NEPTUNE. Les simulations indiquent un comportement particulier dans le scénario 3 : les pollutions se diffusant très lentement, elles n'atteignent la zone noyée qu'après 2 ans de lixiviation. Dans tous les autres scénarios, les lixiviats se propagent rapidement dans la partie sous-jacente des MIOM puis dans la zone située à l'aval hydraulique. Ainsi, pour les conditions pluviométriques imposées au modèle (majorantes par rapport au milieu naturel), dans la zone noyée située à 1 400 m en aval des mâchefers, le seuil de potabilité est dépassé par les concentrations en sulfates après une dizaine d'années.

L'analyse des résultats obtenus a permis d'identifier des points d'améliorations conceptuelles pour les deux modèles hydro-géochimiques en vue d'affiner les prévisions et envisager des simulations à plus long terme. Elles permettent aussi de définir une démarche conceptuelle et analytique permettant une optimisation de l'acquisition des paramètres nécessaires à l'amélioration du modele voué à la prévision.


O aire

Introduction .................................................................................................................... 7

............................................................ 1 . Bibliographie sur la maturation des MIOM 9

..................................................... 2 . Modélisation couplée géochimie-hydrogéologie 11

2.1. Principe du Simulateur Chimique Spécifique ..................................................... 11

2.2. Les équations d'un modèle géochimique ................................................................. 11

2.3. Modélisation du transport réactif par la méthode des Réacteurs Elémentaires en Réseau (RER) .................................................................................................... 12

............... 2.4. Modélisation spatialisée du transport réactif à l'aide du code MARTHE 13

.............. 2.4.1. Techniques numériques de calcul des écoulements et du transport 13 . . . 2.4.2. Prise en compte des interactions geochimques ........................................... 14

3 . Modélisation de la lixiviation météorique des mâchefers et de la propagation des lixiviats dans un aquifêre .................................................................................. 15

3.1. Le Modèle MACHEF .......................................................................................... 15

3.1.1. Simulateur chimique spécifique MACHJM .................................................. 15 3.1.2. RER MACNEF .............................................................................................. 18 3.1.3. Définition des 4 scénarios de simulation pour le modèle MACHEF ............ 18 3.1.4. Conditions limites et initiales de MACHEF .................................................. 20 3.1.5. Calage du simulateur chimique MACHJM .................................................. 21

3.2. Le Modèle couplé MACHMAR .......................................................................... 22

3.2.1. Le modèle hydrodynamique .......................................................................... 22 3.2.2. Le modèle hydrochimique : le simulateur DECMAR ................................... 24 3.2.3. Les conditions aux limites du modèle MACHMAR ..................................... 24 3.2.4. Les conditions initiales du modèle MACHMAR .......................................... 25 3.2.5. Simulations en régime transitoire ................................................................ 26


......................................................................................... 4 . Résultats des simulations 27

4.1. Validation et calage du simulateur MACHEF ..................................................... 27

4.2. Evolution à long terme des lixiviats en fonction de différents scénarios de valorisation des mâchefers ................................................................................... 29

.......................................................... 4.3. Propagation de la pollution dans un aquifère 34

Concfusion ..................................................................................................................... 45

. . ................................................................................................................. Bibliographie 47

Annexe ........................................................................................................................ 49

.............. 1.1. Réactions géochimiques prises en compte dans le simulateur MACHIM 51 . .

1.1.1. Réactions hétérogènes solide-liquide ............................................................ 51 1.1.2. Réaction hétérogène gaz-liquide ................................................................ 51

........................................................................... 1.1.3. Réactions en phase aqueuse 52 .......... 1.2. Calcul des constantes thermodynamiques d'équilibre des solutions solides 53

. . .................................................................................... 1.3. Modèle d'activité de Davies 53

1.4. Loi cinétique utilisée dans MACHEF ................................................................ 53 ............. 1.5. Réactions géochimiques prises en compte dans le simulateur DECMAR 55

............................................................ 1.5.1. Réactions hétérogènes solide-liquide 55 ................................................................... 1.5.2. Réaction hétérogène gaz-liquide 55

1.5.3. Réactions en phase aqueuse ........................................................................... 55 ..................... ......... 1.6. Estimation de la porosité des mâchefers frais et compactés : 56

................................................................................ 1.6.1. Définition de la porosité 56

1.6.2. Relation porosité-compactage ................................................................... 56 ............................ 1.7. Estimation des débits d'infiltration pour les différents scénarios 57

................ 1.8. Résultats des simulations de propagation des lixiviats dans un aquifère 59

1.8.1. Isoconcentrations en chlore (scénario 1) ................................................... 59 ..................................................... 1.8.2. Isoconcentrations en sulfates (scénario 1) 60

..................................... 1.8.3. Historiques des concentrations en plomb (en mol/l) 61 ......................................... 1.8.4. Historiques des concentrations en zinc (en molIl) 62


res

Fig . 1 . Equivalence système réel - RER .................................................................. 12 Fig . 2 . Impact sur un aquifère de la lixiviation d'un stock de mâchefers :

.................................. enchaînement des modèles MACHEF et MACMAR 16 Fig . 3 . Schéma des différents scénarios d'utilisation des MIOM et paramètres

hydrauliques d'entrée ...................................................................................... 19 Fig . 4 . Maillage et conditions aux limites du domaine modélisé ............................... 23 Fig . 5 . Comparaison résultats expérimentaux/résultats numériques au centre du tas

de mâchefers ................................................................................................... 27 ....... Fig . 6 . Comparaison résultats expérirnentaux/résultats numériques à l'exhaure 28

Fig . 7a . Evolution du pH et de la concentration (en mfl) de S04, Pb et Zn dans .

les lixiviats selon les scénarios d'utilisation des mâchefers ........................... 30 Fig . 7b . Evolution de la concentration (en mfl) de Na. Cl. Mg. K. Si. et AI dans

les lixiviats selon les scénarios d'utilisation des mâchefers ........................... 31 Fig . 8 . Evolution de la composition minéraiogique des mâchefers (molllitre

rapporté à la valeur initiale) en fonction des différents scénarios de maturation ....................................................................................................... 32

Fig . 9 - Localisation des points à historiques .............................................................. 35 Fig . 10 - Propagation du chlore dans un aquifère sous des MIOM utilisés en

remblais sous couvert végétal (scénario 4) ..................................................... 36 Fig . 11 - Propagation des sulfates dans un aquifère sous des MIOM utilisés en

..................................................... remblais sous couvert végétal (scénario 4) 37 Fig . 12 - Propagation du plomb dans un aquifère sous des MIOM utilisés en

remblais sous couvert végétal (scénario 4) ..................................................... 38 Fig . 13 - Propagation du chlore dans un aquifère sous des MIOM utilisés en

remblais sous habitations (scénario 3) ............................................................ 39 Fig . 14 - Propagation des sulfates dans un aquifère sous des MIOM utilisés en

remblais sous habitations (scénario 3) ............................................................ 40 Fig . 15 - Historiques des concentrations du chlore en 6 points de l'aquifère ................ 41 Fig . 16 - Historiques des concentrations en sulfates en 6 points de l'aquifère .............. 42

Liste des tableaux

Tabl . 1 . Minéraux pris en compte dans le modèle géochimique MACHWI ................ 15 Tahl . 2 . Espèces aqueuses prises en compte dans le modèle géochirnique

MACHIM ........................................................................................................ 17 Tabl . 3 . Paramètres spécifiques de chaque scénario .................................................... 19 Tabl . 4 . Composition chimique de l'eau de pluie injectée dans le simulateur

MACHEF ........................................................................................................ 30 Tabl . 5 . Composition minéralogique initiale des mâchefers ........................................ 21


D ans certains pays européens, les mâchefers d'incinération d'ordures ménagères (MIOM) sont valorisés en couches de fondations pour les chaussées, les aires de

stationnement, les voies piétonnes (France, Hollande), les routes forestières (Suisse), les digues (Hollande) ... En France, ce type de valorisation est loin d'être systématique alors que la production française de MIOM est de l'ordre de 2 à 2,5 millions de tonnes par an.

Cependant, l'impact sur l'environnement des mâchefers utilisés en remblais n'est pas neutre. Ils possèdent en effet une capacité de relargage des éléments chimiques, en particulier de sels solubles et métaux lourds.

La présente étude a pour objectif de mettre en œuvre une modélisation numérique pour la prévision de l'évolution de la composition des lixiviats générés par des mâchefers et des effets induits s'ils se propagent dans une nappe phréatique.

Pour ce faire, la modélisation a été mise en œuvre en se basant sur des observations expérimentales et sur une analyse des processus majeurs, obtenues lors de projets antérieurs (voir Freyssinet et al., 1997 ; Bodénan et al., 2000)

Elle a consisté dans le développement de deux modèles (voir fig. 2) :

MACHEF est un modèle de Réacteurs géochimiques Elémentaires en Réseau (RER) qui simule la dégradation d'un tas de mâchefers. A partir de la composition minérale initiale des mâchefers et pour un régime pluviométrique donné, ce modèle calcule en fonction du temps les concentrations des éléments et des espèces majoritaires dans les lixiviats. Il permet de simuler de façon simplifiée le transport des polluants et de prévoir leur concentration en trois points du tas et à I'exhaure.

* DECMAR est un Simulaterw Clzimique Spécifique (SCS) qui décrit les réactions géochimiques intervenant entre la matrice solide d'un aquifère de composition minérale fixée et des lixiviats. On appelle M A C H M R le modèle hydro- géochimique constitué par le couplage numérique de DECMAR et du code de calcul hydrologique aux volumes finis MARTHE (développé par le BRGM).

MACHEF et MACHMAR sont deux modèles couplés géochimie-hydrologie de conception très différente. Le couplage entre les deux familles de processus (réactifs et convectifs-dispersifs) est complet dans le premier cas (résolution simultanée des équations) et séquentiel non itératif dans le second.

Une fois construits et calés, ces modèles permettent de prévoir la dégradation de mâchefers par lixiviation et la propagation des lixiviats dans un aquifère. En faisant varier certains paramètres comme la porosité ou le débit d'infiltration, ils reproduisent différents scénarios d'utilisation des mâchefers.


Les scénarios choisis pour ces essais de simulation comprennent outre le cas simple d'un stockage sans aménagement, trois types de valorisation en remblais : sous-couche routière, couche de forme sous habitations et couche de forme sous couvert végétal (aménagement paysager).

Le premier chapitre de ce rapport présente une synthèse bibliographique succincte sur la dégradation des MIOM et les approches utilisées pour la modéliser.

Le principe des modélisations couplées géochimie-transport mises en œuvre dans le cadre de cette étude, RER d'une part et couplage numérique d'un SCS et du code hydrogéologique MARTHE d'autre part, est explicité dans le second chapitre.

Le troisième chapitre décrit la méthodologique de I'étude proprement dite. En particulier, le détail du contenu des simulateurs chimiques inclus dans les deux modèles (MACHMAR et MACHEF) est présenté. Le choix des paramètres associés à chacun des quatre scénarios est également discuté.

Les résultats des simulations (calage et scénarios) sont présentés et commentés dans le quatrième chapitre.

Modélisation de fa Iixiviation de mâchefers

La maturation des mâchefers qui s'opère naturellement pendant les premiers mois de stockage, consiste en une évolution physico-chimique et minéralogique du matériau. Les principaux phénomènes que l'on observe alors sont la carbonatation de la chaux libre, la fixation des métaux sous forme d'hydroxydes et la diminution de la teneur en eau.

Ainsi, en terme de réactions solide-liquide, les grandes étapes de la maturation des MIOM sont (d'après Bodénan et al., 2000) :

- la transformation de la chaux vive en chaux éteinte ou portlandite lors de la trempe à l'eau en sortie de four, Ca0 + Hz0 t Ca(OH)2 (1)

- la carbonatation caractérisée par une baisse du pH, Ca* + 2 0 K + COz, t C C 0 3 + Hz0

- le relargage des sulfates par le déplacement des équilibres induit par la fixation de Ca*

Cas04 -+ Ca* + S o i - (3) (CaS04,2 H20) -+ CaCt + S04-- + 2 H20 (4) Ettringite (Ca6&(SO&(OH)l?, 26H20) + 12 H+

-+ 2 AlCY + 3 S04-+ 6 Ca* + 38 H20 (5).

Une étude expérimentale réalisée au BRGM a permis de suivre l'évolution d'un tas de mâchefers soumis à l'altération météorique pendant deux ans (Freyssinet et al., 1997). Les principaux phénomènes observés sont la baisse importante au cours du temps dans les lixiviats des teneurs en chlorures, plomb et zinc, et inversement l'augmentation des sulfates.

Les phénomènes caractéristiques de l'évolution des MIOM ont été plus précisément étudiés par Bodénan et al. (2000) à l'aide d'essais de maturation accélérée en colonne (lixiviation NF X31-210 après carbonatation). Au cours de ces essais, il a été observé que le pH des lixiviats, initialement en équilibre avec la portlandite, est d'abord élevé (>Il). Au cours de la carbonatation, il décroît jusqu'à 8-9 (équilibre avec la calcite) ou 10,5-11,5 (équilibre probable avec I'ettringite dont la cinétique de carbonatation serait plus lente que celle de la chaux éteinte). Ces trois niveaux de pH caractérisant différents stades de maturation des mâchefers ont également été décrits par Meima & Comans (1999).

Au cours des processus de maturation la teneur en sulfate dans les lixiviats peut être multipliée par un facteur 2 à 4. Le comportement amphotère du plomb (solubilité plus grande à pH basique) se traduit par des concentrations initiales importantes. Puis elles baissent fortement lors de la maturation, le plomb étant piégé en substitution du calcium dans les carbonates.


Enfin, les analyses minérales réalisées au cours de ces études ont montré que les mâchefers frais sont essentiellement composés de calcite, de quartz, de verres s.L, de chaux éteinte (porrlandite), et que la teneur en calcite augmente de 3 à 4 % au cours de la carbonatation alors que la portlandite disparaît.

On dispose en fait de peu d'informations sur le comportement des éléments en traces au cours de la maturation des mâchefers. De façon générale, plus les MIOM sont maturés, moins les concentrations en éléments traces sont importantes.

D'après Zevenbergen et al. (1994), cités par Meima & Comans (1999), les éléments Cu, Pb, Zn et Ni sont en majeure partie incorporés dans les minéraux néoformés, alors que Mo se retrouve sous forme de powellite (CaMoO4). Le plomb et le cadmium sont piégés dans des phases carbonatées solubles en milieu acide (Kirby & Rimstidt, 1993).

Une synthèse de plusieurs résultats expérimentaux de tests de lixiviation (Meima & Comans, 1999) montre que la mise en solution du plomb et du zinc est contrôlée par la solubilité de minéraux tels que Pb(OH)2, PbS04, ZnO, ZnSi03.

Cependant, ces mêmes auteurs indiquent, après avoir confronté leurs résultats expérimentaux à un modèle réalisé à l'aide du code MiNTEQA2, que les lixiviats sont sous-saturés par rapport à I'anglésite (PbS04) et par rapport à la majorité des minéraux du zinc (zincite en particulier). iis concluent au contrôle du plomb aqueux par la cérusite (PbC03). et à la possibilité de réactions de sorption pour le zinc. Ils suggèrent par ailleurs que la sorption des métaux sur les minéraux néoformés etlou les hydroxydes de fer et aluminium pourrait être le principal mécanisme d'évolution des mâchefers après carbonatation.


2. Modélisation couplée géochi hydrogéologie

2.1. PRINCIPE DU SIMULATEUR CHIMIQUE SPÉCIFIQUE

La modélisation couplée géochimie-transport développée au BRGM s'appuie sur la constniction, à l'aide du progiciel ALLANO' et du solveur NEPTUNKO~, d'un Simulateur Chimique Spécifique (SCS) dédié au problème à traiter (Kewévan et al., 1999).

Par rapport à l'utilisation de codes géocliimiques généraux (EQ3 par exemple), cette démarche originale présente S'avantage de fournir un modèle géochirnique qui ne prend en compte qtte les réactions pertinentes au regard de la problématique traitée, ce q~ii le rend beaucoup plus performant en ternie de temps de calcul. On peut ainsi envisager de coupler le modèle géochimique à un modèle hyclrologique sophistiq~~é.

Il ne s'agit pas de programmer un code géochimique complexe à chaque nouvelle étude, c'est pourqttoi on utilise des logiciels (l'aide à la moiiélisation cie systèmes techniques.

ALLANO permet de décrire mathématiquement le système géochimique par simple asseniblage graphique de modules élémentaires. Chaque module élémentaire conespond à une réaction chimique. II est écrit selon une méthodologie développée au BRGM et est totalement indépendant de l'étude. Le formalisme adopté permet ainsi de réutiliser des mod~iles développés lors de projets antérieurs.

A partir des fichiers produits par ALLANO, le solveur d'équations algébro- différentielles ordinaires NEPTUNMO 4 génère autoniatiqueinent le SCS. Ce dernier est restitué sous la forme d'un code source (fortran) qui peut facilement être lié à un autre code (le code de calcul hydrogéologique MARTHE dans la présente étude) pour étudier le transfert de niasse hydrodispersif en milieu poreux (Kervévan et al., 1998).

2.2. LES ÉQUATIONS D'UN MODELE GÉOCHIMIQUE

La modélisntion géoefiimique repose esseritiellement sur le principe de conservation de la masse.

Ainsi, pour chaque élément chintique, on écrit le bilan molaire en tenant compte de la matière présente dans chacune des phases (espèces dissoutes, adsorbées ou précipitées).

Dans l'équation de transport, la variation de la concentration d'un élément en phase aqueuse entre detrx pas de temps successifs constitue le terme d'apport OLI cle perte de matière lié aux réaclions chimiques (terme source ou puits).

Les autres éq~iations LI modèle géochimique sont des lois plténoménologiques qui décrivent les équilibres tliermodynamiqiies (loi d'action de masse) ou les cinétiques de réactions. Dans le pcemier cas, on obtient Lin jeu d'équations aigébriqties non-linéaires

' Q GDF, distril>uf par Dassiiult Data Services

0 CISl ei G I A ï Iiidostrics, clistribi~é par CISI


qui lient les activités des différentes espèces en phase aqueuse. Dans le second, il s'agit d'équations différentielles ordinaires non-linéaires. Les activités sont calculées à partir des concentrations et de la force ionique de la solution. Le modèle d'activité utilisé (conditions normales de température et pression) est celui de Davies (am. 1.3).

Pour les réactions impliquant une phase solide ou une phase gazeuse, des lois cinétiques sont introduites. Cependant, dans le simulateur DECMAR, on considère que chacune de ces réactions a atteint l'équilibre.

2.3. MODÉLISATION DU TRANSPORT RÉACTIF PAR LA MÉTHODE DES RÉACTEURS ÉLÉMENTAIRES EN RÉSEAU (RER)

Un réacteur est un modèle qui englobe un SCS et des modules décrivant la conservation du nombre de moles de chaque élément chimique (un module par élément chimique).

Le réacteur a un volume fixe V et est traversé par un débit instantané Q.

L'équation résolue est celle du transport convectif :

~~~

avec C la concentration de l'élément dans le réacteur à l'instant t, Ce sa concentration en entrée (condition limite), r le taux de production en phase liquide (positif ou négatif) de l'élément chimique considéré (lié aux réactions de précipitations/dissolutions).

Pluie Q

Eluats

Système réel

Fig. 1 - Equivalence système réel - RER

RER


Dans Lin réseau série composé de réacteurs de même longueur (lg), la concentration (~tniîorrne) dans le i""'" réacteur correspond 2 une concentration ponctuelle dans le système réel (celle du point sitiiE à i8'lg mètres de profondeur, voir fig. 1).

Les équations Iiydrodynamiques résolues clans chaque réacteur ne traduisent que les mécanisntes d'advection et cle clilutioit, mais I'utilisation en réseau permet cle reproduire numEriqi~ement les processus de diffusion-dispersion.

Pour cela. il faut que le nombre N de réacteurs en série composant le réseau et les paramètres hydrodynamiques du système récl respectent la relation suivante (d'après Villerinaux, 1993, cf: Lanini, 1999) :

L N = - 2.a

avec 1, la longueur (en m) et u la dispersivité"eri m).

2.4. MODELISATION SPATIALISÉE DU TRANSPORT RÉACTIF A L'AIDE DU CODE MARTHE

Le code MARTHE (Tltiéry, 1990, 1993, 1994) permet de représenter les écoulements en milieux poreux d:tiis les aquiîkres mono ou multicotichcs. Les nappes libres, captives ou semi-captives peliverit être traitées en régime hydra~ilique permanent ou transitoire.

MARTHE sintule également la migration dispersive d'un effluent dans une nappe ainsi que le transport avec interactions physico-chimiques entre eau, effluents et matrice poreuse.

Les efïets densitaires induits par des salinités etlou des tempérütures hétérogènes, ainsi que les variations de viscosité avec la température peuvent être pris en compte.

2.4.1. Techniques numériques de calcul des écoulements et du transport

Les calc~ils Itydrodynamiques sont effectués selon une métliocie aux volumes finis.

Le domaine à modéliser est disccétisé selon un maillage rectangulaire de type «écossais ». Il est en outre possible <l'affiner localement le maillage par des sous- maillages emboîtés (gigognes).

Selon le typc de problème posé (clominance de la coiiveclion OLI de la dispersion), l'utilisateur peut choisir entre trois techniques de calcul pour optimiser le schéma de transport mis en ceuvre :

- volumes Cinis ;

- méthode des caractéristiques utilisant des particules ;

- méthode cies déplacenients aléatoires (Randont Walk)

Le transport en nappe est simulé sotis ses composantes advectivc, diffusive et dispersive.

' Ln dispersivité est 1:t largetir dtt front de tnélmge d'un poliiiaiit dans un &coulçrricni


2.4.2. Prise en compte des interactions geochimiques

Les interactions physico-chimiques entre l'eati, les effluents et la matrice peuvent 6tre simulées par cottplage entre MARTHE et un sirnulate~ir chimique «dédié » au contexte géocliimiqt~e d'écoulement (SCS).

Le couplage est réalisé par une approche séquentielle : à chaque pas de temps le modèle hydrodynamique calcule les vitesses de déplacement en tous points, puis il transporte par convection-dispersion les éléments chimiques dissous. Le modèle géochimiq~ie est alors appelé dans chaque maillc pour calculer la spéciation en phase aqueuse en présencc des miiiéraux cle la matrice poreuse (Thiéry, 1995).


3. Modélisation de la lixiviation météorique des mâchefers et e la propagation es Iixiviats

ans un aquifère

Le modèle MACIIEF a été développé pour prévoir l'évoltition au cours du tenips de la composition de la phase minérale et des lixiviats en trois points à i'intéi-ieiir d'lin vol~ime de mâchefers, ainsi q~i'à Sexhaure. II s'agit d'un réseau de quatre réacteurs chimiques élémentaires en série. Chaque réacteur contient le même simulatc~~r chimique spécifique nominé MACHIM. Cc modèle a été entièrement coiistniit puis utilisé dans l'environnemerit ALLANO-NEPTUNMO.

Le modèle MACHMAR est quant à lui destiné à la précl~ction de I'évol~ition spatiale et temporelle de la qualité de l'eau dans un acluifère situé sous un volume de mâchefers (tas s~iperficiei ou remblais d'excavation). MACI-IMAR résulte du cotiplage numérique entre le code de transport hydrodispersif aux volumes finis MARTHE (Ttiiéry, 1990) et le simulateur chimique spécifique DECWIAR. Ce dernier est appelé comme une simple procédure en chaque maille et à chaque pas de temps par MARTHE. 11 a été conslmit à Saide d'ALLANO-NEPTUNMO.

Pour chaque scénario, les résultats fournis par MACHEF à la sortie du quatrième réacteur (correspondant à I'exhaure) sont imposés comme condition limite chimique au modèle MACHMAR.

La figure 2 schématise la part de chaque modèle et leur articulation dans la modélisation globale.

3.1. LE MODÈLE MACHEF

3.1.1. Simulateur chimique spécifique MACHIM

Le clioix de l'assemblage minéralogique constittiant les mâchefers s'appuie sur des observations expériinentales et sur des calculs d'indices de saturation réalisés à l'aide du code EQ316 (~r&sinet et al., 1997). Ainsi, le simulateur MACI-IZiM prend en compte loutes les réactions de dissoiutionfprécipitation présentes dans une précédente version (cf. Baranger et al., 2000) et inclut en plus cinq minéraux contenant du plomb ou du zinc (tabl. 1 et éq~iations ann. 1.1). ALI total, le modèle MACHIM prend en compte 21 espèces minérales,

/ Portlandite Diopside Larnite Anhydrite Gypse - - 2 Verres (K et Na) IIalite Massicot Calcite I % Pb Zincite Calcite Cérusite Rankinite Calcite 1 %Zn Gehlinite

( Ettringite Kaolini te Gibbsite Gismondine Quartz i Tabl. I - il.linÉrnnxpris en coinpte daru le nzorlèle géocliii~zique 1IîACfiIi1.1.

J PLUIE

Couverture éventuelle

.................................................. > -

en Réseau) Consimit et mis en œuvre avec

Allan-Nepimix 'Air ou sol DM

Modèle MACHMAR i nb

(simulateur géochimique DECMAR* % m couplé à un modèle hydrodynamique 3 2:

aux volumes finisx*) * constnùt avec AUan-Neptunix, ** MARTHE

Milieu

éo Fig. 2 - Impact sur un aquijêre de la lijciviation d'un stock de mâchefers : enchaînement des modèles MACHEF et M C H M A R

D

Modélisation de la lixiviation de rntkheiers

Cette composition minéralogique est cohérente avec ce que l'on trouve dans la littérature. On peut par exemple citer Baverman et al. (1997), qui. pour modéliser un test de lixivia!ion de iriâcliefers en colonne 3 l'aide <ILI code géochirnique CHEMFRONTS, considèrent les minéraux suivants : calcite, halite, sylvite (KCI), anliydrite, portlandite et un verre présents initialement (plus des hydroxydes de fer, cuivre et chrome), et quartz, gypse et miiiéraux de l'aluminiun~ conime nîiriéraux secondaires.

Dans cette première approche, nous n'avons pas corisidéré l'aspect oxydo-réducteur du système. Bien que discutable d'un point de vuc strictement mécaiiistique, ce choix repose sur le souci d'aclapter au mieux le type de modèle utilisé à la quantité ct à la qualité des données expérimentales disponibles sur le systènie. Utie approche expérimentale ciblée serait en effet nécessaire pour contraindre correcteinent le modèle en terme de mécanismes reclox. Outre la simple mesure du potentiel oxyclo-réducteur (Eh), le dosage de plusieurs cotiples redox s'avère indispensable pour prétendre traiter de manière satisfaisanie l'ensemble des aspects oxydo-réducteurs du système. La valeur de Eh nmuréc représente un potentiel inixte et ne peut généralement pas être utilisée à elle seule dans une approche d'équilibre pour donner l'image exacte de l'état redox d'un système ; la plupart de ces systèmes n'ayant pas atteint l'équilibre redox.

En ce qui concerne les réactions avec la pliase gazeuse, MACHIM ne tient compte que d'une seule réaction gaz-liquide, à savoir la dissolution du COz. Cette réaction est supposée ne jamais être limitée par la disponibilité du COz (résewoir infini).

Les espèces aqueuses calculées par le modèle MACHM sont celles qui sont apparues coini~ie majoritaires lors des calculs de spéciation de lixiviats (issus de ~nâcliefers frais ou carbonatés) réalisés avec le code EQ316 (Freyssinet et al., 1997). Par rapport à la première version clu modèle MACHEF (Baranger et al., 2000), les espèces in;ijoritaires du plomb et du zinc ont été ajoutées. La liste exhatistive cles espèces aqueuses intégrées dans le simulateur géochiinique est présentée dans le tableau 2.

Ait total, le modèle MACI-IIM comprend 34 réactions de complexatioii en pliase

Les constantes thermodynamiques sont issues (le la base de données du code géochimique EQ316 (Wolery, 1992).

BRGM/RP-50486-FR


Pour les solutions solides (carbonates), les constantes ont été calculées en supposant Lin mélange idéal (sans terme entropique) de CaCO3,ZnCO3 et PbC03 (voir ann. 1.2).

Pour plus d'information, les équations cles réactions géocliimiclues intégrées dans le simulateur MACHIM sont détaillées en annexe 1.1.

3.1.2. RER MACHEF

Le simulateur hfACIlIM qui traite le problème chimique a été intégré dans un réacteur, c'est-à-dire dans un mod~ile permettant cle résoudre les équations de transport des éléments cliimiques.

On a ensuite coristruit ii partir de ce maillon élémentaire un réseau de 4 réacteurs en série qui constitue le modèle MACHEF.

D'après la relation a = L12.N (cl. 5 2.3), avec N = 4, la tlispersivité numérique clans le modèle ??/IACIIEF est de 118' de la longueur dti domaine modélisé. Cette valetu est tout à fait conforme à celles observées pour des écoulements en milieux poreux naturels.

L'épaisseur des mâchefers, qu'ils soient en tas de stockage ou utilisés en géotechnique est de l'ordre de 2 In (3 m est la valeur réglementaire maximale pour les remblais). On en déduit que la longtie~ir de chaque réacteur est Ig = L / 4 = 0,5 m. La section des réacteurs étant de I m2 par défaut, ils représentent chacun un volume total de 0,5 m3 (500 litres).

3.1.3. Définition des 4 scénarios de simulation pour le modèle MACHEF

Les différents scénarios ~Yutilisation des MIOM dont on souhaite étudier l'impact sur I'environncnient sont schématisés sur la figure 3.

L'effet principal de la couverture est de dimin~~er le volume d'eau pouvant traverser les ntâchefers. Dans la niodélisation, cela se traduit en faisant varier le débit qui traverse le RER. Le but étant essentiellement dc définir la plage de variation dti paramètre pour l'étude de sensibilité du modèle et non pas de fo~irnir des valeurs précises, le débit à utiliser pour chaque scénario a été estimé à partir de quelques considérations très simples eoiicernaiit le bilan hydrique (ann. 1.7).

Ainsi, les mâchefers stockés sont supposés recevoir un débit d'ea~i équivalent $1 la pluie nette. Sous route, habitations et zones ttrbanisées, l'infiltration est réduite du fait du rtiissellement plus important. Dans le cas d ' lm coLiverttlre végétale, la quantité d'eau infiltrée est moindre car I'évapotranspiratio~i est élevée.

Les vale~~rs de clébit retenues pour les 4 scénarios sont les suivantes :

BRG M/RP-50486-FR

Modélisation de la lixiviafion de mâchefers

Pluie (P) 0

Scénario 1

Fig. 3 - Schéma des dgférents scénarios d'utilisation des MZOM et paramètres hydrauliques d'entrée.

Porosité

Le compactage des mâchefers utilisés en remblais entraîne une diminution de la porosité E. Celle-ci a été estimée pour des mâchefers bruts et pour les mâchefers compactés (cJ: am. 1.6). Ainsi, en supposant que le taux de compactage est identique dans les cas 2 , 3 et 4 on propose :

&1=45% et EZ = ~3 = ~4 = 15 %

Débit 1 QI = P 1 Qz = ~ . Q I 1 Q = P . Q 1 Q~=P.QI Scénario 2

Le débit et la porosité permettent de calculer le temps moyen de résidence du fluide (z) dans chaque réacteur, c'est-à-dire le temps de contact solide-liquide (important pour les

V.E réactions de dissolutiodprécipitation qui suivent une loi cinétique) : T=- Q

P : pluie nette

EI

Scénario 3

V=500 litres pour tous les réacteurs dans les 4 scénarios

Scénario 4

a<l

EZ=Y.EI

Q (m3/j) E

^ z (jours)

TabL 3 - Paramètres spécifiques de chaque scénario.

p «1

E ? = E ~

Scénario 1 1,5.10-~ 45 % 150

- . - cc 4

%=&z

Scénario 2 0,8.10-~ 15 % 93,75

Scénario 3 0,08.10" 15 % 9373

Scénario 4 0,6. 105 15 % 125


Bans le scénario 1, I'atmosplière, avec laquelle les mâchefers sont en contact dans leur partie supérieure et à l'interface avec l'aquifère non saturé, constitue une source infinie de CO? pour le système (l'air contient environ 0,02 % de CO?). On autorise clone l'échange entre le CO? gazeux et la sol~ition au niveau des réacte~trs 1 et 4 (réacteurs constit~tanl respectivement le haut et la base du tas). A l'inverse, on interdit cet échange à l'intérieur dtt tas (réacteurs 2 et 3). Il en est de même pour les scénarios 2 et 3, bien que I'inCiltration du COz soit limitée par la couverture.

En revanche, pour le scénzirio 4, on considère que la concentration en CO2 dans la co~iverturc végétale est plus élevée que dans l'atmosphère (respiratioii des racines et décomposition bactérienne de la matière organique). Pour traduire ce pliénomène, on prend en compte la réaction gaz-liquide dans le deuxième réacteur clu réseau (en plus des réacteurs 1 et 4). En réalité, le compactage ajouté à I'irnperméabilisation de 1;i surktce limite la difhsion du CO- dans les mâchefers utilisés en remblais et en sous- couche ro~ttière. Mais ce phénomène ne peut pas être pris en compte directement dans le simulateur chimique (réservoir de CO2 supposé infini), ct les tentatives de diminuer la constante cinétique de dissol~ition du CO2 pour reproduire ses effets ne se sont pas révélées coiicluantes.

3.1.4. Conditions limites et initiales de MACHEF

Quel que soit le scénario testé, le fluide qui remplit initialement l'espace des pores des quatre réacteurs clu simulateur MACWEF est identique à celui qui est injecté eii entrée du réseau (tabl. 4). Il s'agit d'une eau météorique, dont la composition chimique correspond à une eau de pluie moyenne relevée à Tours (Grosbois, 1998). La balance électrique de cette eau a été équilibrée sur les chlonlres. A noter que pour des raisons d'ordre numérique, nous avons été obligé d'initialiser les teneurs en Zn, Pb et Al à des concentrations de 10." M. Cette valeur initiale reste négligeable par rapport aux teneurs trouvées clans le système pour ces éléments.

Tabl. 4 - Corrzpositioit cltirttipe de l'enrr de pluie injectée cln~is le simnlnterw ~l/fll CHEF.

20 BRGM/RP-50486-FR

Modélisation de la Iixiviation de mâchefers

La composition volumique minéralogique initiale de la partie réactive cles mâcliefers est présentée clans le tableau 5. Dans le cas simulé 28 % des minéraux ne sont pas pris en compk car ils jouent un rôle mineur.

L6geiide : Vrnin = voliime dii niiriérril coiisidéré Vsolide = sominc des volunies dc miiiéraux Vrotal = volume solide i voluina des porcs

Tabl. 5 - Conzposition inifziralogiqrle initiale des m6clteJers.

Le nombre de moles de minéraux introduit initialement dans les réacteurs est calculé à partir de leurs volumes molaires et de la composition volumique (voir ann. 1.4). En pratique, hormis la halite (NaCl), tous les minéraux sont en excès (ne sont jamais complètement dissous au cours des simulations).

3.1.5. Calage du simulateur chimique MACHIM

Le calage des cinétiques cliimiqucs constitue le travail le plus important et le plus délicat dans la modélisation. C'est de cette pliase que dépendent les résultats prédictifs finaux.

La loi cinétique qui régit la dissolutionlprécipitatiort des 21 minéraux du simulateur cliirriiq~~e MACI-IIhl contient u n coefficient pour lequel on ne dispose pas de données expérimenlales, et qui de fait devient un paramètre de calage (ann. 1.4).


Naturellement, le même jeu de paramètre est utilisé clans cltacun des réacteurs du réseau.

Cette démarche a nécessité une soix:iritaine de simulatioris afin dc trouver le jeu dc coefficients optimal.

Les courbes clc comparaison résultats expérimentauxlrésultats numériq~ies sont présentées dans le cllapitre suivant (fig. 5 et 6).

3.2. LE M O D È L E COUPLE MACHMAR

3.2.1. Le modèle hydrodynamique

a) Géométrie et maillage du domaine étudié

011 a coiisidéré une sirrface de niicliefers de 30 hectares (quel que soit le scénario).

Cette surface est modélisée par une bande de 550 m de large dont la long~ietir (550 rn) est suffisamment grande pour pouvoir supposer que les éco~ilements sont biciiniensionnels. Dans le sens de l'écoulement le côté de 550m est découpé en 11 intervalles de 50 m de long.

Au total, la zone niodélisée a une longueur totale de 2 150 m découpée en 36 intervalles, les tas de mâchefers s'étendant de l'abscisse 200 m 2 l'abscisse 750 m.

La nappe est donc mociélisée sur 200 m en amont des mâcltefe~s et sur 1 400 m en aval.

Le système aquifère est constitué de 2 couches inclinées (pente de 2 %O) :

Une Zone No11 Saturée (ZNS) sableuse de 2 in d'épaisseur, découpée en 5 intewalles de 0,40 m ;

0 Une Zone Saturke (ZS) calcaire de 10 in d'épaisseur, clécoupée en 5 intervalles de 2 m.

Compte tenu ciu type d'écoulenient, et pour minimiser le nombre de calculs chimiques et donc permettre des temps de ca lc~~ls raisonnables, le maillage retenu est un maillage en coupe verticale, c'est-à-dire une bande de 2 150 m de longueur et grande largeur.

Le maillage comprend donc au total 36 x 10 mailles soit 360 mailles de calcul (iïg. 4).

Modélisation de la lixiviation de machefers

Légende : - F~UX nul I) Flux généré par le gradient de charge imposé

Fig. 4 - Maillage et conditions aux limites du domaine modélisé.

b) Paramètres hydrodynamiques

On a vérifié que compte tenu de sa faible dimension, le système était très rapidement en équilibre hydrodynamique.

Les paramètres hydrodynamiques dans la Zone Saturée sont les suivants : . Perméabilité : 5 104m/s . Porosité cinématique4 : 10%

Compte tenu du gradient de charge de 2,10-3 (voir 5 conditions aux limites), un produit Perméabilité x Gradient égal à 1oe6 d s .

on a don

Dans la Zone Non Saturée, les calculs en ZNS ont montré que quand le régime permanent était atteint, les écoulements étaient quasi verticaux. Pour accélérer les calculs on a donc fixé directement une perméabilité égale au flux de percolation à la base du tas de mâchefers et égale à la recharge par les pluies en dehors (voir valeurs dans le paragraphe : conditions aux limites).

Ainsi, les perméabilités, exprimées en mls prennent selon le cas les valeurs suivantes : . Scénario 1 +Perméabilité : 17,OO . Scénario 2 +Perméabilité : 9,35 10-9 . Scénario 3 +Perméabilité : 0,935 IO-^ . Scénario 4 +Perméabilité : 6,97 Recharge naturelle, + 535 mmlan i Perméabilité : 17,OO 1 0 - ~

La porosité cinématique (ou effective) correspond au volume des vides réellement disponible poiu l'écoulement

BRGMH-50486-FR 23


c) Paramètres hydrodispersifs

Compte tenu des distances de parcours les valeurs suivantes ont été adoptées :

Zone Nori Sntiirie (ZNS) : . Dispersivité longitudinale : 0,5 m Dispersivité transversale : 0,001 m

Zone Sntrwie : e Dispersivité longitudinale : 20 n~

Dispersivité transversale : 0,001 m

Dans la Zone Saturée, on a choisi classiqueinent une dispersivité loiigit~iclinale cle ïorclre de 1/10 à 1/20 de la zone d'intérêt. Dans la ZNS, dans laq~tclle les écouleinents sont quasi verticaux, la valeur de 0.5 m est choisie puisque les distances parcourues sur la verticale sont bea~icoup plus courtes.

D'autre part, on a choisi de très faibles dispersivités transversales pour siniuler un écoulement stratifié. Si on choisit une plus grande valetir de la dispersivité transversale, on obtient trks vite un mélange quasi total sur la verticale ce qui atténue le panache chiiniq~ie. Le choix effectué va donc dans le sens de la sécurité en majorant la propagation de la pollutioii vers l'aval cles mâchefers.

3.2.2. Le modèle hydrochimique : le simulateur DECMAR

Il s'agit d'une mise à jour du simulateur DECMAR version 1 développé sous ALLAN 2.4 dans le cadre d'une étude précédente (BRGM, 1998). Les modèles ont été entièrement reconstruits sous ALLAN 3.1, selon une procédure normalisée (Kervévan, 1999).

Les 6 réactions minérales et les 31 réactions de spéciations eit phase aqueuse ont été intégralement reprises de la version précédente. Les réactions (et letir constante thermodynamique d'équilibre) sont présentées en annexe 1.5.

La robustesse ntimérique du simulateur DECMAR a été testée par une trentaine de « run tests ».

3.2.3. Les conditions aux limites du modèle MACHMAR

a) Conditions aux limites hydrodynamiques

Zone Non Saturbe :

Les limites amont cl aval sont étanches (puisque l'écoulement y est vertical)

Le fl~ix de recharge naturelle et le flux de percolalioii ont été appliqués sur la couche supérieure :

- la recharge naturelle correspond aux pluies efficaces, c'est-Mire l'excédent cle pluie après clédiiction cle I'évapotranspiraiion (quantité d'eau évaporée dont une partie par


transpiration par les organismes végétaux) et du iuissellement. Une valeur cie 535 mmlan, estimation utilisée pour définir les débits traversant les mâchefers en fonction des scénarios (ann. 1.7) est appliquée sur toutes les mailles de la couche supérieure du modèle excepté les mailles qui représentent le tas de mâchefers ;

- le tlux de percolation est le flux de lixiviats qui s'écoule à In base du tas de mâchefers et alimente la partie supérieure du système aquifère, c'est-à-dire fa zone non saturée. Ce flux clc percolation (exprimé en m d a n ou en litrelrn2/an ce qui cst identique) est appliqué clans la couche supérieure uniquement sur les mailles clu modèle qui représentent le tas de mâchefers.

Comme expliqué plus haut et détaillé en annexe, les flux correspondant aux 4 scénarios sont les suivants : scénario 1, 535 mnilan ; schario 2,295 rrimlan ; Scénario 3, 29,5 m d a n ; scénario 4, 220 inmlan.

Zone Saturée, c'est-à-dire dans la nappe :

On impose la charge sur les verticales amont et aval du modèle. La différence de cliarge entre ces liniites, distantes cle 2 150 m, a été fixée à 8,56 ni de façon à obtenir un gradient de cllarge réaliste de l'ordre de 2.10-3 m l n ~ dans la nappe pour chacun des scénarios. En fonciion du flux de recharge naturelle et cles flux de percolation correspondant aux clil'féférenrs scénarios, cette différence de charge permet d'obtenir les gradients de charge (en mlm) suivants dans la zone saturéc à l'aplomb du tas de mâchefers : scénario 1, 1.80 10.' ; scénario 3, 2.45 lv3; scénario 2, 2.1 1 10.' ; scénario 4 , 2 2 0 10.'.

b) Conditions aux limites du transport

En chaque endroit où des flux entrent dans le moclèle, on a fixé les concentrations d t ~ fluide entrant comme suit :

- couche supérieure du modèle à l'aplomb des mâcliekrs : évolution au cours du temps de la composition chimique des Iixiviats calculée par le modèle de RER (MACHEF) ;

- couclie snpérieure du modèle (hors mâchefers) : concentrations correspondant à une pluie de référence (composition chimique de In pluie à Tours) ;

- verticale amont dans la Zone Non Saturée : pas de flux ;

- verticale amont dans la Zone Saturée : concentrations correspondant à la pluie de référence en équilibre avec l'aquifère calcaire.

3.2.4. Les conditions initiales du modèle MACHMAR

Zone Non Saturée

Phase liquide : concentration correspondant à la pluie de référcncc en équilibre avec la ZNS si l ice~w.

Modélisafion de la lixiviation de machefers

Pliase solide : concentration égale à 100 moles par m3 de terrain dc quarrz (si le sol est saturé, 100 moles par m3 de terrain correspondent ici à 1 inolellitre d'eau).

Zone Saturée (nappe)

* Phase liquide : concentration corrcsponclant à la pluie de référence en équilibre avec l'aquifère calcaire. . Phase solide : concentration égale à 100 moles par m3 de tcrrain de calcite + 100 moles par m3 de terrain de dolomitc (100 moles par m" cle terrain avec une porosité de 10 % conespondent à 1 mole/lirrc d'eau).

3.2.5. Simulations en régime transitoire

Les premiers calculs ont montré qii'un régime permanent hydrodynaniique était atteint extrêinement rapidement, alors qu'un régime permanent en concentrations n'était obtenu jusq~~'à 1 km du site qtt'après un laps de teinps bcaucoup plus long. Les siinnlations ont donc été réalisées en régime hydrodynamique permanent. On a alors étudié l'évolution en régime transitoire des concentrations.

Les calc~ils on1 été pours~iivis pendant une période de 10 ans découpés en 10 pas de teinps correspondant aux dates suivantes : 1 mois, 4 mois, S mois, 1 an, 2 ans, 3 ans, 4 ans, 6 ans, 8 ans et 10 ans.

Ce découpage a été choisi en fonction dcs variations de concentrations observées dans le lixiviat introduit clans le système aquifère.


4. Résultats des simulations

4.1. VALIDATION ET CALAGE DU SIMULATEUR MACHEF

Le modèle MACHEF a été validé et calé sur les résultats expérimentaux avec un débit de 0,0025 m3/j (valeur moyenne de la pluie sur les six premiers mois de l'étude expérimentale) et une porosité de 45 %. Le pH et la concentration (en m g ) de quelques éléments chimiques mesurés au centre du tas de mâchefers expérimental à 1 m de profondeur (dimensions du pilote 12,s m*11,5 m pour 2 m de haut, voir Freysssinet et al., 1997) sont comparés aux résultats numériques calculés pour le deuxième riacteur de MACHEF (fig. 5).

l4 1 --O --- Experimnt

O 4 O 100 200 300 400 50

:a Time (days)

1MW - 0 - - Experiment

e IOWO P C O .- ... ... 0 40W

O - O 100 200 3W 400 50

CI Tm (days)

900 O Experimnt

- b d e l

30W O Experiment

25W -Mode[

20W

15w

O 100 200 300 400 O 100 200 300 400 50 SC,& Time (days) m m (days)

Fig. 5 - Comparaison résultats expérimentarudrésultats numériques au centre du tas de mâchefers.

Mod6lisafion de la lkiviafion de mâchefers

Les résultats expérimentaux à I'exhaure du tas et les résultats numériques dans le quatrième réacteur sont également comparés (fig. 6) .

O - . Experimnt - Model

h i ' r \

b'" 0-

O 'b

- Model

c O .-

.#A

E

T i m (days) Ca Tim (days)

4500 O - . E x p e h n l

Model

= 1000 b -.--+@

O 100 2 W 300 400 SM

ils T i m (days)

4- Experimnt

Model

E

c 6 2000

O 100 200 300 400 500

21 T i (days)

Fig. 6 - Comparaison résultats expérimentaux/résultats numériques à l'euhaure.

2500 Experimnt

- Model

0 400 /O. c O 500 O 200 'D

O

Globalement, les principaux processus de carbonatation des MIOM sont correctement prédits par le modèle. En effet :

O 100 200 300 400 500

504- T i m (days)

- les niveaux de pH très différents au centre des mâchefers et à l'exhaure, sont bien restitués. Quelques tests ont d'ailleurs confirmé que le pH élevé des lixiviats à l'intérieur du tas est contrôlé par l'équilibre thermodynamique du fluide avec la portlandite ;

O 100 200 3 W 400 50

K T i m (davs)


- la teneur en sulfatc des lixiviats augmente au cours du tenips, et les valeurs mesurées et calct~lées sont dtt même ordre de grandeur, que ce soit à l'intérieur du tas ou en sortie. Le S04 provient cssentiellement cle la dissol~~tion du gypse et de I'anhydrite (très peu de l'ettringite).

Le massicot ne se dissout pas, le plomb est apporté au système par la dissolution de la céiusite. Il est immédiatement piégé par la précipitation d'lin carbonate (Cao9Pbo tC03) dans les réacteurs 1 et 4. 11 n'y a quasiment aucun appoft ele zinc clans la phase aqueuse (la zineitc ne se dissout pas en raison du pH q~t i dans le tas rcstc toujours élevé), ce qui explique que le carbonate contenant 1 % de ziric ne se forme pas.

Notons que ces comportements sont tout à fait corifornies aux rernarqucs de Meinla & Comans (1999) qui signalent le contrale du plomb en pliase aqueuse par la cérusiie et la sous-saturation des lixiviats par rapport aux mirrérattx do zinc.

Le modèle prévoit également correctement l'évolution d ~ i chlore et du sodium dans les mâchefers et à I'exhactre. En Fait, ces éléments se comportent comme cles traceurs. Ils sont apportés dans I'eau pnr la clissolutioii très rapide de la halite, et ne rkagissent plus par la suite. L'évolutioti de leur concentration dans les lixiviats dépeiicl donc uniquement du pourcentage initial de la lialite dans les mâchefers et du débit qui les traverse.

Le comportement du potassitim semblc être ideiitiq~ie (apport initial important, dispersion de type traceur avec toutcfois u n faible apport par la dissolution très lente d'un verre).

On pourrait donc certainement améliorer le simulateur cfiiniique en y introduisant la réaction de dissolution de la sylvite (KCI) (en accord avec Baverman et al., 1997).

4.2. ÉVOLUTION À LONG TERME DES LlXlVlATS EN FONCTION DE DIFFÉRENTS SCENARIOS DE VALORISATION DES MÂCHEFERS

Une fois validé et calé, le modèle MACHEF a été appliqué pour prévoir l'évol~ition de la composition des lixiviats et de celle eles niâcliefers en Fonction cle certains paramètres (débit, porosité et disponibilité d ~ i CO2) définis par les scénarios de valorisation des mâchefers. On rappelle que ceux-ci sont au nombre cie quatre : le stockage sans aménagement (scénario 1). OLI utilisation en remblais sous route (scénario 2), sous habitation (scénario 3) ou sous couvert végétal (scénario 4). Les quatre simulations ont naturellenient été I-éalisées sans modifier le réglage cles coefficients de calage par rapport à la simulation de valitlation (cf. paragraphe précéclent). Le coniporternent des mâchefers a été simulé sur une clizaiiie d'aiinées (4 000 jotirs). La conclition limite en entrée clil RER, i.e. la composition et le débit de I'eau de pluie, ne varie pas au cours du tenips.

Les lixiviats dont on présente l'évolution en fonction des clifférents scénarios sont ceux sortant tltt quatrième réacteur (fig. 7a : pH et concentrations en mg11 de S04, Pb et Zn ; fig. 7b : concentrations en mgIl de Na, CI, Mg, K, Si et Al). Ils sont susceptibles de s'infiltrer directement dans l'aquifère sous-jacent, et sont d'ailleurs fournis en condition limite au modèle MACHMAR. L'évolution au cours cltt temps de la quantité de ccrtairis iilinéraux (nombre de moles par litre d'eau, rapporté à la valetir initiale) dans le réacteur 4 est présentée S L I ~ la îigure 8.


O scenarb 1

-scenarb 2 8.80 + scenarb 3 8.70 -scenarb 4 8.60 8.50 8.40 8.30 8.20 8.10 8.00

O 1000 2000 3000 4001

>H Tim (days)

7.00H03 , O scenarb 1

6.00H03 - -scenarb 2 + scenarb 3

5.00H03 - -

4.00H03 -

3.00H03 -

i04 Tim (days)

2.50602 O scenarb 1

= -scenarb 2 & 2.00602 + scenarb 3 E

1.50602 -%cenario 4 Z 2

1.00F02 O r

3 5.00Fü3

0 . 0 0 ~ 0 0

O 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 40M

:n hm (days)

1.20E-O4 0 scenarb 1

1 .OOF04 -scenarb 2 - - + scenarb 3 8.00&05 - -scenarb 4

6.00F05 E

4.00F05 C

0 2.OOE-05

0.00H00

O 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 400

Pb Tim (days)

Fig. 77 - Evolution du pH et de la conceniration (en mgA) de Sad, Pb et Zn dans les lixiviats selon les scénarios d'utilisation des mâchefers.

BRGM/RP-50486-FR


lime (days)

O scenario 1 1

O 1000 2000 3000 4000

lime (days)

O scenario 1

O scenario 1 -scenario 2

+ scenario 3 -scenario 4

0.OOEtaO lMg ! Id00 2dW 3kO 4kOI

Tme (days)

O 1000 2000 3000 4001

K Time (days)

6.00E-O2 o scenario 1 -scenario 2

5.00L02 + scenario 3 f' m - scenario 4 .% 4.00E-02 c O .- L 3.00L02 - c <U 2 2.00E-02

S 1.00L02

O scenario 1 -scenario 2

+ scenario 3 - scenario 4

1 AI lime (days) Isi Time (days)

Fig. 77 - Evolution de la concentration (en mgB) de Na, CI, Mg, K, Si, et Al dans les lixiviats selon les scénarios d'utilisation des mâchefers.


O scenario 1

-scenario 2 0.80W + scenario 3 + scenario 3

0.6000

0.4WO

0 . 2 m

0.OOW O 1000 2030 3030 4W

Time (days) Calcite ~ i m e (days)

11.0060 , O scenario I 111.0060 . O scenario I - scenario 2

+ scenario 3 -scenario 4

Cérusite Tirne (days) Gypse Tnne (days)

1 .OOW

0.9950 0.9950 O scenario 1

-scenario 2 O scenario 1

0.9900 + scenario 3 scenario 2

scenario 4 + scenario 3 -scenario 4

0.9850 0.9850 O IWO 2WO 3000 4000 O IWO 2030 3WO 4WO

Calcite1 W b mme (days) - 1 .O000

o scenario 1

o . 9 9 5 0 ~ + scenario scenario 3 4

0.9900

0.9850

O 1000 2000 3000 4000

CalcitelYZn Time (days)

O scenario 1

+ scenario 3 ik O 1 WO 2000 3WO 40(

Fig. 8 - Evolution de la composition minéralogique des mâchefers (moVIitre rapporté à la valeur initiale) en fonction des dijjférents scénarios de maturation.

Ettringite hm (days) Anhydrite xme (days)


Après I O ans de maturation des mâctiefers, le pH des lixiviats générés est compris entre 8,2 et 5,35 selon les scén al .' los.

Sauf dans le scénario 3 oii elles continuent à augmenter, les concentrations en sulfates sont stabilisées après 2 ans aux alentours de 2 gl1. Cette valeur est très au-dessus du seuil de potabilité réglementaire qui est de 230 mgIl (soit 2,6.10" mol/l). Elle est égalemen[ plus élevée que la limite de solubilité des s~ilfates (1,6 gll).

On note l'augmentation progressive des tetielirs en plomb dans les lixiviats à partir de 2 000 jours (environ 5,s ans) et ceci quel que soit le scénario (mais cette tendance est moindre clans le scénario 4). Mais les valairs atteintes après 10 ans, qui sont cle l'ordre de 1.10.~ mg11 demeurent bien inférieures à la norme actuelle de potabilité cle 50 mgIl (soit 2,4.1@" niolll).

La même remarque est valable pour le zinc. Cependant, seule la dissolution D LI CaosZno iC03, présent dans l'assemblage minéral initial imposé ait modèle, permet d'expliquer l'apport de zinc en pliase aqueuse. Or la présence de ce carbonate d:inb les n~âchefers avant maturation (système réel) n'est pas sûre. XI se peut donc que ce phénomène numérique ne corresponde pas à l'évolution réelle.

La concenrration en calcium dans les lixiviats, non représentée sur les figures 7a et 7b, est globalement stabilisée autour de 150-200 mgll.

L'al~iininittm quant à lu i demeure à l'état de trace. Cependant, pour le scénario 3, on constate une augmentation cles teneurs à partir de 1 500 jours.

L'état de sat~iration cies lixiviats par rapport aux différents minéraux composant les mâchefers es1 identique pour tous les scénarios.

POLI^ les minéraux suivants : larnite, gehliiiite, rankinite, verre 1 (Na), massicot et zincite, les lixiviats demeurent sous-saturés et on n'observe aucune dissolution de ces minéraux en raison des effets cinétiqties.

En revanche, pour la gibbsite, la portlandite, le diopside, l'anhydrite, le gypse, l'ettringite, le verre 2 (K) et la cénisite, la sous-saturation du flttide entraîne bien une dissoltition des minéraux (évolution vers t'équilibre therrnodynan~iqiie).

A t'inverse, le fluide de percolatiori est s~ir-saturé par rapport à la gismondine, la calcite, le carbonate avec plomb, le carbonate avec zinc (pour t > 2 000 jotlrs seulement), le quartz et la kaolinite, et totls ces minératlx précipitent. A titre indicatif, la quantité de calcite augmente d'environ 22 % en IO ans dans la partie inférieure du tas de mâchefers.

L'observation (le l'évolution de chaque cinétique de dissolutionlprécipitation (ou celle de chaque produit de solubilité), Inonire que lorsque le système fluide-minéral tend vers l'équilibre thcrmodynamiq~ie, celui-ci semble pouvoir être atteint plus rapidement avec le scénario 3. Cependant, même en poursuivant les simulations sur des périodes beaucoup plus longiles Cjtisqu'à 100 ans), le système global n'atteint jamais un état


stationnaire (correspondant à l'équilibre tlierrnodynaniique entre le fl~iicle et tous les minéraux non totaleinent clissous).

Mais cette dernière remarque est ii prendre avec précaution puisque le modèle n'a pas été conçu dans l'optique de prévisions à très long terme. Pour ce faire, il nécessiterait q~~elqucs adaptations, en particulier la possibilité de prendre en compte les variations de porosité induites par les minéraux néoformés ou totalement tlissous.

Les résultats des scénarios 1 et 2 sont souvent très proches (co~~rbes conronclues). Ceci s'explique par le fait que les temps de résiclence dans les réacteurs (qui est le seul paramètre différent entre les deux simulations) sont du même ordre de grancleur (respectivement 150 ct 94 jours).

Lorsq~t'on augmente sensiblement le temps de contact solicle-liquide (voir scénario 3 avec .c = 937 jours), les concentrations de tow les éléments augmentent considérablement.

Cette étude de cas montre q~i 'a priori, une configuration de type scinario 3 qui engendre un temps de contact important entre la pliase aqueuse et les mâchefers est à éviter p~iisqu'elle génère des concentrations élevées de polluants arrivant dans i'aquifèrc.

Mais avant d'en tirer cl'éventuelles recommandations pour In valorisatiori des mâchefers, il faut analyser les résultats fournis par le modèle MACIlMAR pour savoir comment ces polluants interagissent avec la matrice de l'aqitifiere.

Le modèle MACHMAR a été coiicu pour étudier la propagation de lixiviats de MIOM dans un aquifère.

Des simulations ont donc été réalisées en supposant que les lixiviats calculés par le moclèle MACHEF étaient introdttits dans un aquifère.

La géométrie et la composition minéralogique de celui-ci (quartz pour la zone de vadose et mélange de calcite et dolomite pour la zone noyée) sont purement théoriques et ne prétendent pas représenter un aqiiifère particulier.

La pluie erficace pénétrrint dans la couche supérieure cle I'aquiîère est identique à celle qui s'infiltre dails les mâchefers non recouverts (scénario 1). Sa composition est la même que celle entrant dans les mâchefers (voir Q: 3.1.4).

Le flttx de lixiviats entrant dans l'aqtiifere varie en fonction du scénario et corresponcl naturellement au ciébit imposé dans le modèle MACHEF (tabl. 3).


Seuls les paramètres permettant une analyse du comportement du système (le chlore qiii est un traceur dans l'aquifère) ou un diagnostic du potentiel de pollution des MIOM (les sulfates et le plomb) sont présentés et commentés dans ce paragraphe

Les résultats sont présentés sous deux formes complémentaires :

- représentation en deux dimensions d'isoconcentrations (en mol/l) pour différentes dates (1 an, 2 ans et 8 ans/lO ans) pour les scénarios 3 et 4 ;

- historiques comparés des 4 scénarios calculés en 3 points de la Zone Non Saturée et 3 points de la Zone Noyée (sous les MOM, à l'aval immédiat et 700 m en aval, voir fig. 9).

Points ii Iiistorisiies

Fig. 9 - Locirlisation riespoit~ts R 11istoriqri.e~.

Le chlore se comporte en traceur parfait dans l'aquifère puisqu'il ne participe à aucune réaction avec la phase solide. L'analyse de son comportement apporte donc des informations sur le système hydrogéoioçique modélisé.

La concentration apportée par les lixiviats diminue ait cours du temps, mais la pluie assure un apport constant de 1,6.104 moVI, valeur vers laquelle tend naturellement la concentration du chlore en tous points de I'aquifère.

Les teneurs les plus élevées sont bien sûr observées dans la zone non saturée située sous les mâchefers. La concentration y est maximale au bout d'environ 500 jours, contre 1 000 jours dans la zone noyée a 700 m en aval.

On remarque que les scénarios 1, 2 et 4 sont qiinsinierit éqiiivnlents (à titre indicatif, l'évolution des isoconcentrations de chlore et sulfates pour le scénario 1 est présentée en annexe 1.8).

En revanche, le scénario 3 entraîne un ralentissement très marqué de la propagation du polluant. Ce phénomène est très net sur l'historique no 1 de la figure 15, où l'on voit que le pic de concentration apparaît décalé dans le temps d'environ 2 000 jours mais avec une intensité au moins égale à celle des autres scénarios.


2 ans

10 ans

L'échelle verticale est agrandie 50 fois (distance enire tirets = 1 mètre) Concentrations exprimées ici en moltl, à multiplier par 35,45.103 pour converti en mgil

Fig. 10- Propagation du chlore dans un aquifere sous des MIOM utilisés en remblais sous couvert végétal (scénario 4).

Modélisation de la lixiviation de machefers

Ggende : - Seuil de ptabilité (2.6.10.~ moyl)

10 ans

L'échelle verticale est agrandie 50 fois (distance entre tirets = 1 mètre) Concentrations exprimées ici en moiii, à multiplier par 96,05.103 (-1. lo5) pour convertir en mgil.

Fig. 11 - Propagation des sulfates dans un aquzjëre sous des MIOM utilisés en remblais sous couvert végétal (scénario 4).


.. . :. . :' !:'. +<.:. ,. . . . . ... .;. .. . . . L : . "' : :, :, : :.

: . ,

2 ans

10 ans

L'échelle verticale est agrandie 50 fois (disiance entre îirets = 1 mètre). Conccntrntions exprimées ici en moyl, à multiplier par 207,19.10' (-2. lo5) pour convertir en mgn.

Fig. 12- Propagation du plomb dans un aquijêre sous des MIOM utilisés en remblais sous couvert végétal (scénario 4).


ww 2 ans

8 ans

L'échelle verticale est agrandie 50 fois (distance entre tirets = 1 mbîre). ConcentTatons exprimées ici enmoyl, à multiplier par 35,45.103 pour convertir en mgil.

Fig. 13 - Propagation du chlore dans un aquzpre sous des MZOM utilisés en remblais sous habitations (scénario 3).


LRgende : - Seuil de potabilité (2,6,l0-~ moY1)

1 an

2 ans

8 ans

L'échelle verticale e n agrandic 50 fois (distance entre tirets = 1 mètre) Concenwtions exprimées ici en moiii, a multiplier par 96,05. 103 (-1.10') pour converîir en m g

Fig. 14- Propagation des sulfates dans un aquijêre sous des MIOM utilisés en remblais sous habitations (scénario 3).

BRGM/RP-50486-FR

2.OOE-01

1.80E-O1

i 1.60E-01 > ; 1.40E-O1 - t s c e n a r b 1 c 1.20E-O1 0 - - Scenarw 2 E l.OOF01 - t S c e n a r w 3 8 8.WF02 U

- Scenarw 4 6.WF02

4.WE-O2

2.WE-O2

O.WEtW O 1030 2WO 3030 4W

Tim e (days)

2.0OE-O1 -+-Scenaria 1

Scenarw 2

+ Scenarw 3

-SceMrw 4

t Scenarw 1

- ScenarD 2

+Scenarw 3 -.$cenario 4

-ScenarD 2 +Scenarw 3

- Scenarw 4

Time (days) Time (days)

L Remaraues : voir localisation des points sur figure 9 ; attention à l'échelle des concentrations différente pour les points 2 et 3

Concentrations exprimées ici en m, à multiplier par 35,4510~ pour convertir en mgIl.

2.0OE-O1 , t Scenaru 1 II 2.WE-O1 , - ~ S c e n a r w 1

O IWO 2WO 3WO 400

Tim e (days)

2 Hg. 15 -Historiques des concentrations du chlore en opoints de l'aquijêre.

O IWO 2WO 3WO 4W

Tim e (days)

O IWO 2030 3MX) 4M:

Tim e (days)

1.80EU2 = g 1.-

E 1.4oE-02

X l.rnE-02 .- - C 1.03E-02

8 . M m -c Scenario 1

0 6.03ELü - Çcenario 2

4.03EU3 + Scenario 3

2 . M m - Scenario 4

003Ern

Time (days)

Z.ME-02 1 -4- Çcenario 1

- Scenario 2

+ Çcenario 3

- Scenario 4

2 ME-G3

0.MEiCn O l a o 2 m > J m . m

Time (days)

-c Scenario 1

- Scenario 2

+ Scenario 3

- Çcenario 4

2.MEm

1 .mEm

s i.mE.a3 O E 1 .40m

8 i . m m ,- - 5 1.03E-m c

8.ME-04 C O 6.- O

4ME-04

2.CnE-04

O.MH03 __ O l a M Z U D J m 4 X Time (days)

2.WE-02 +Çcenario 1

Scenario 2

+ Scenario 3 - Scenario 4 -

8 1.20E-02 ,- " C 1.ME-02 - 8 8 . m ~ u 3

6.ME-B O

4.03E-Cû

2.ME-m

o.mH<XI k 0 i m ~ p m ~ l i m e (days)

+Scenario 1 - Çcenario 2 + Scenario 3 - Scenario 4

Time (days]

-4-Scenario 1 l.mE-02 -%mario 2

1.60E-02 +Scenario 3

: 1.40M2 -Scenario 4 - = 1.zoE-02 0 - e i.m~-0z "

6.- c u 6.-

4 .E-m

2.ME-KB

0.MEm k O l m Time nm (days) 1030 40Ç

8 Remaraues : voir localisation des points sur figure 9 ; attention à l'échelle des concentrations différente pour les points 2 et 3, - seuil de potabilité (2,6.103 moYl

% Concentrations exprimées ici en &1, à multiplier par 96,05.103 (-1.10') pour convertir en m@ ;n O

& Fig. 16 -Historiques des concentrations en sulfates en 6points de l'aquifère.


Ce scénario a été arrêté plus tôt que Ses autres car les coiiclitions atteintes au bout de 8 ans ont entraîné une non-convergence du solveur numérique dans certaines mailles (lu modèle.

Bien que le calcul n'ait pas été mené à terme, les résultats fournis sur 8 ans montrent clairement que le scénario 3 ne fait que retarder la pollutioii clans l'aquifère, en aucun cas il ne permet de I'kviter ou de l'atténuer.

La pollution par les sulfates est bien réelle dans l'aquifère. Dès un an de lixiviation, le seuil de potabilité est dépassé dans la zone noyée sous les mâchefers. Après 10 ans, toute la partie modélisée en aval des MIOM (soit une distance de 1400 ni) est polluée. La courbe d'évolution des sulfates dans les lixiviats ayant atteint un plateau (fig. 7a), il faut atteiiclre que le stock des minéraux sulfat6s (gypse, anhydrite et ettringitc) contenus dans les mâcliefers soit entièrement dissous pour que les teneurs en sulfatcs clans l'aquifère diminuent petit à petit. En effet, les concentrations en sulfates dans I'aquifkrc n'évoluent que par diliition (transport advectif et dispersif) puisque dans le modèle proposé, les sulfatcs ne réagissent pas avec la matrice solide.

Compte tenu des vitesses observées dans la première partie de cette étude (perte de masse de l'ordre de 2 % en 10 ans, voir fig. 8), ce processus peut nécessiter plusieurs centaines d'années.

Les lixiviats ont une tcneur en plomb très faible, qui commence à augmenter après environ 2 000 jours. 011 retrouve cette tendance dans I'aquiiêre (voir isoconcentrations sur figure 12 et historiques en annexe 1.8). oit le plomb se propage sans interaction avec la matrice minérale (on n'observe pas de précipitation de cérusite ou lanarkite). La même tendance est observée pour le zinc (ann. 1.8).

Le pH du fluide dans l'aquifire résulte essentiellement du mélange des lixiviats plutôt basiques (pH de l'ordre de 8,2) et de la pluie acide (pH dc l'ordre de 4,2). Dans la zone noyée, le pI-1 se stabilise entre 8.2 et 8,4. Dans In zone non saturée, i l reste compris entre 4,25 et 4,35, horniis dans la partie sous-jacente aux inâcliefers où il se stabilise S.

L'effet de la propagation des lixiviats sur la composition minéralogique de l'aquiEre est faible. On constate la précipitation d'un peu de calcite (un maxinium cle 2 mol par m 3

de terrain après 10 ans) lo;sque le pH est basique (ce qui est le cas dans la zone non saturée sous-jacente aux inâcliefers et en tout point de la zone saturée).

Dans la zone noyée, la précipitation de la calcite s'accompagne d'une légère dissolution cle la dolomite.

Pour être tout à fait complet, ce type de modélisation nécessite d'être validé sur une expérimentation pilote simulant la lixivialion d'un tas de mâchefers placé sur u n aquifère dont les caractéristiqiies hydrodynarniques et minéralogiques sont bien connues. Cet aqirilère devra être équipé d'un réseau de piézomètres permettant de suivre l'évolution de la composition chimique de la phase aqueuse en fonction du temps. Le tas de m2cliefers devra quant à lui être équipé de dispositifs de prélèvement installés h différents niveaux pour pouvoir suivre l'évolution spatiale et temporelle de la composition chimique des lixiviats.

Modélisafion de la lixiviation de mâchefers

Conclusion

D eux modèles ont été construits et utilisés afin d'étudier la lixiviation météorique d'un tas de mâchefers et l'impact potentiel de I'infiltratioii des éluats dans une

nappe phréatique.

MACHEF développé selon l'approche RER permet de prévoir la coniposition des Iixiviats à l'exhaure d'un volume de mâchefers. Ce modèle a globalement été validé par comparaisori des résultats calculés et de résultats expérimentaux.

Les réactions géochiniiqttes et le transport pris en compte dans MACHEF permettent de reproduire les priiicipaux processus de la carbonatation : pH très basiq~ie (de l'ordre de 12) dans les mâchefers et moins élevé (8-9) à I'exhaure, augmentation des teneurs en sulfates dans les lixiviats au cours clu temps, précipitation de la calcite, dissolution de la portlandite, piégeage du plomb dans les carbonates néoformés dans les zones des mâchefers au contact avec l'atmosphère ... Les simulations montrent également que les lixiviats sont sous-saturés par rapport à la zincite, et que le plomb en phase aqueuse est contrôlé par la cérusitc et non le massicot. Ces résultats sont analogues à ceux obtenus par Meima S: Comans (1999) à l'aide d'un code de calcul géochi~iiique commercial (MINTEQA2).

MACHEF a été ensuite appliqué pour étudier I'inipact du type de valorisation des n~âchefers sur la composition des lixiviats à I'exliaitre (4 scénarios testés). Les résultats obtenus ont essentiellement montré que :

- les teneurs en sulfates dans les lixiviats se stabilisent au bout de 2 ans à des valeurs de l'ordre de 2 gll, environ 10 fois s~ipérieims à la norme de potabilité ;

- les teneurs en plomb, qui au départ se trouve piégé dans les carbonates néoformés, augmentent après envirori 5 ans mais demeurent très largement inférie~ires au seuil de potabilité ;

- les différents scénarios de valorisation des mâchefers qui ont été simulés sont globalement équivalents en terme de pollution générée. Seule l'utilisation sous habitation, parce qu'elle entraîne un temps de contact fluide percolantlmâchefers important, génère une pollution plus concentrée.

Toutefois, l'analyse des résultats de toutes les simulations réalisées avec MACHEF au cours de cette étude, a révélé quelq~tes perspectives d'amélioration du modèle. Ainsi, il conviendrait d'introduire dans le simulateur chimique un minkral pour contrOler le zinc (ZnC0, etlou ZnS04). II pourrait également être envisagé, en accord avec la bibliographie, d'introduire des réactions de sorptionldésorption de cet élément. On a également signalé la possibilité cle prendre en compte la réaction de dissolution de la sylvite (KCI). En revancbc, il paraît inutile de conserver le massicot et la zincite dans le modèle.


La larnite, la gelilinite et la rankinite qui semblent ne pas participer à la tlynaniique du système réactif pourraient peut-être également être éliminées du modèle (les effets cinétiques empêchent la dissolution de ces minéraux alors que les lixiviats sont sous- saturés). La diniin~rtion du nombre d'éqtrations permettrait cl'accroîire la robustesse du modèle.

D'autres améliorations pl~rs conceptuelles pourraient égalemeiit être envisagées afin d'améliorer la pertinence des résultats et de permettre des prévisions à plus long terme. Il s'agit en particulier de :

-variation de la porosité de chaque réacteur en fonction du volume de minéraux précipités ou dissous ;

- fugacité du CO2 variable (au lieu de réservoir infini), éventuellement asservie aux variations de porosité par le biais d'un coefficient de diffusion ;

- ~rtilisatiori de paramètres et de lois cinétiques cléterminés expérimentalement (et non calés) pour modéliser les réactions tl'échanges solide-liquicle ;

- en complément du Eli, mesure d'un certain nombre de couples oxydo-réducieurs (ex. : nitrateslnitrites, FeIIVFeII, sulpliates/sulpliites, etc.) que ce soit au niveau du tas de mâchefers ou de l'aquifère.

Dans une seconde partie de l'étude, le modèle MACI-IMAR, résultant du couplage numériaue entre le code hvdrooéolooinuc aux vol~rmes finis MARTHE et le Simulateur . - - . Chimique Spécifique DECMAR, a été développé et appliqué à l'étude de la propagation dans un aquifere de la pollution générée par les mâchefers.

Les prévisioiis indiquent des niveaux de contamination importants et durables en sulfate dans l'aquifère quel que soit le scénario envisagé. En revanelie, le plomb et le zinc piégés clans les minéraux néoformés dans les mâchefers ne présentent aucun risque de pollution.

Le travail réalisé au cours de cette étude a permis de développer une n~éthodologie de modélisation basée sur un enchaînement de modèles cottplés chimie-transport de conceptions et de nature différentes. Appliqués à l'étude de la lixivialion des MIOM et à la propagation des lixiviats dans un aquifère, ces modèles ont permis de dégager des tendances générales concernant l'évolution des éléments polluants.

Des perspectives de poursuite des travaux sont apparues, essentiellement en ternie d'amélioration cle la description de certains mécanismes géochimiques ou de transfert. Elles montrent aussi la nécessité d'avoir des retours d'expériences sur des opérations pilotes en vraie grandeur permettant de valider la démarche de modélisation prévisionnelle.


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Modélisation de la 1;xiviation de mâchefers

exe

Modélisalion de la Ikiviation de mâchefers

1 .l. RÉACTIONS GÉOCHIMIQUES PRISES EN COMPTE DANS LE SIMULATEUR MACHIM

1.1 .l. Réactions hétérogènes solide-liquide

R.lin&rnl

1 Larnitc 1 0,25 Ca2Si04 + H' = 0,5 Ca" + 02.5 SiO? + 0,5 H20 1 9,61 1

I

/ Halite 1 NaCI = Nai + CI

Réactiori

Diopside

LogK ii A-""

1 Calcite I%Zri / Cao,9Zno.iC03 + Hi. = 0,9 Ca" + HCOi + 0,I Znu 1 1,85 /

0 2 5 CaMgSi206 + H' = 0,25 Cai + 0.25 M X + 0.5 Si0: -b 0,s &O

Verre2

Massicot

Zincite

Quartz

Calciie

Ccrussiie

Calciie I%Pb

1 Kaolinirc 1 0,s A12Si20j(OH).l + 1,s H 2 0 = Si02 + AI(0M); + 1-r 1 -i8,74 1

5-74

1.1.2. Réaction hétérogène gaz-liquide

0,5 K2SiO; + H' = KI + 0,s Si02,,, + 0,s 1120

P b 0 + 2 13' = Pb" + H 2 0

Z n 0 + 2 H' = Znçi + M 2 0

Si02 = Si02,,l

CaCO, + Hi = Caf* + HC03'

PbCO, + H" = Pbi + HCOj

Cao,9Pb,,C03 + Ht = O,9Catt + HCOj + 0.1 Pbi+

~~~~-~~

11,12

l2,Sl

l1,20

-3,99

134

3,20

1,48


1.1.3. Réactions en phase aqueuse


1.2. CALCUL DES CONSTANTES THERMODYNAMIQUES D'ÉQUILIBRE DES SOLUTIONS SOLIDES

Mélange idéal : logK = I: xi.logKi - I: xi.logxi

d'où :

Cao.9Zno.iCOJ + FI' = 0.9 Ca" + 1-ICO? + 0.1 Znfi' => IogK = 0.9.KI+0. 1.K;-(0.9.log0.9+0.1 .logo. 1) = 1.85 134 (à 25°C)

2 41 log y = -A.z .(- - 0.3.1) l+JÏ

avec y le coefficient d'activité de L'espèce considérée z la charge ionique de l'espèce considérée 1 la force ionique de la sol~ttion A = 0.6439 à 25OC

Pour l'eau et les espèces neutres, y = 1.

1.4. LOI CINÉTIQUE UTILISÉE DANS MACHEF

Les réactions réversibles de dissolution/précipitation des minéraux sont clécon~posées en deux réactions élémentaires (dissolution = « aller D et précipitation = « retour ») ci'ordres partiels égaux aux coefficients stœchiométriqucs. La vitesse de la réaction globale (dissolution/précipitatioii) est alors égale à la différence des cinétiques aller et retour.

L'activité des minéraux es1 supposée égale à I et les constantes cinétiques sont telles que kall/krel=K.

Ainsi, la loi cinétique s'écrit

(a) V = srel*S*kall*(l-Q/K) = K'(1-QIK) si Solide = A + B (b) V = srel*S'~Ica11'~(EI')*:(l-QA<) = IC;~O~~'~+'.(~-QII<) si Solide + FI' = A + B

Modelisalion de la lixivialion de mâchefers

avec A et B : espèces aqueuses

K = ~rel'~S+kaIl S : la surface spécifique clu minéral (m') srel : la fraction réactive de la surface spécifique (rrpriori comprise entre O et 1) kaIl : la constante de cinétique de la réaction de dissolution (en mol/m2/s) K : la constante d'équilibre de la réaction Q : le produit d'activité ionique.

La surface spécifique est grossièrement approchée par la surface d'une sphère de 6

vol~lme proportionnel ii la quantité de miriéral présente dans le système : S = -.V.M D

avec D le diamètre moyen (in), V le vol~nne molaire du niiuéral (m"mo1) et M le nombre de moles de minéral dans le système.

Les données nécessaires au calcul dc cette loi cinétique pour les minéraux inclus dans le modèle MACHEF ont été obtenues ainsi :

- volumes molaires des minéraux : base de données de EQ3/6 (Wolery, 1992) ;

- diamètres moyens : estimations ;

- ka11 (à W C , en mol/m2/s) : Azaroual (1994) pour kaolinite, gibbsite, quartz, calcite et diopside ; sinon valeur par d é k ~ l t égale à celle du quartz.

Le coefficient srel, difficilement estimable, perd en pratique son sens pliysique » et sert de paraniètre de calage du modèle.

:' valeur par défaut Cgale &celle du rilassicot

Modélisation de la Ikiviation de mâchefers

i .5. RÉACTIONS GEOCHIMIQUES PRISES EN COMPTE DANS LE SIMULATEUR DECMAR

1.5.1. Réactions hétérogènes solide-liquide

M i n h l

Gypse

Ceriisirc

Lmarkirc

1.5.3. Réactions en phase aqueuse

Réaclioii

Quanz

LugK ii 25°C

Duloinire

iC;iSO,, 2 HzO) = Cat' + SO;. + 2 W 2 0

PbCOI + 1-1' = Pb" + 1-ICO;

Pb,(SOJO + 21-1' = 2Pb" + SOY' + CL0

4,48

-3,20

-0.46

1.5.2. Réaction hétérogène gaz-liquide

SiOl = Si02,,,

0,s C:~lvlg(CO,)~ + Ilt = 0.5 Caw + 0.5 Mg* i rrrn

-3,99

2,01


1.6.1. Définition de la porosité

On considère Lm volume V cle mâchefers secs (les pores sont entièrement occupés par de l'air).

Phase solide avec : Vs,I,,I, = blso~ic~e Psolide

Vvide - Vsolide Vide avec = - - 1 - - Vt,,,, V,o,,l

Si on néglige la masse de l'air, on a : Msolidt: = Mrotale.

Puisq~le par définition de la masse volumique sèche on a : Mt,,,,, = pskcl,, xVtota1, alors

On peut donc exprimec la porosité E en fonction de la clensité sèche et de la densité de la

pliase solide :

1.6.2. Relation porosité-compactage

Hypotlièse importante : le compaetage agit uniquement sur ln porosité (il diminue l'espace des vides, mais ne modifie pas la densité propre de la pliase solide).

Soit psi et p,:! la niasse voi~tmique sèche des mâcliefers avant et après compactage, et EI

et E? les porosités correspondantes.

P s l D'après [eq. 11, on a : EI = i - - PSI = > : pso,i<,c = - Psoiide 1 -c l

d'oit :

On vérifie, n posteriori, que l'hypothèse permettant d'établir [eq. 21 est valable en s'assurant que EX est positive.

BRG MRP-50486-FR


PSI C'est le cas si E, > I - - Ps?

Les mâchefers utilisés pour l'étude expérimentale menée au BRGM avaient une densité sèche de 1,03 t/m3 (Freyssinet et al., 1997). On peut considérer qu'il s'agit d'une valeur représentative pour les mâchefers Ii la sortie de l'usine d'incinération = > p,, = 1,03 t/m3. Les caractéristiques géotechniques moyennes des mâchefers utilisés en remblais

3 indiquent une densité sèche comprise entre l,5 et 1,7 t/m => p,? = 1,6 t/m3.

Ces valeurs n~imériques imposent que :

- ~ i > 3 6 % - s i ei = 40% alors EZ = 7% - s i el = 45% alors E? = 15% - s i el = 50% alors el = 25%

(d'après [eq. 31) (d'après [eq. 21) (d'après [eq. 21) (cl'après [eq. 21)

011 appelle P la pluviométrie réelle, ETP t'évapotranspiration potentielle (estimée pour un gazon de référence) et Pe la pluie efficace (Pe = P-ETP).

De façon générale, la quantité d'eau qui s'infiltre dans les mâchefers (1) est égale à la pluie réelle (P), moins I'évapotranspiration (E) et moins le ruissellement (Ru).

U convient d'estimer pour cliacun des scénarios à simuler la valeur des différents termes du bilan hydrique. Mais il ne s'agit pas ici d'effectuer un bilan très précis (utilisation de formules semi-empiriques complexes) ni de reproduire un événement hydrologique donné, mais plutôt de définir des valeurs nioyennes représentatives de cliacun des scénarios. On pose donc simplement E = a E T P et Ru = 0.P

Un bilan hydrique erfectué précéde~iiment (Freyssinet et al., 1997) suggère que pour des mâchefers a = 0,33. On supposera également que cette valeur est valable pour une route bétonnée. Pour une couverlure végétale, on prendra cc= 1 (même s'il ne s'agit pas du gazon de référence .. .).

Le coelTicient de ruissellement (P), pour un sol de faible pente (0,5 %) est égal à 30 % pour un sol nu et I O % pour un sol à couverture végétale.

Enfin, on peut supposer qu'un faible pourcentage (10 %) de l'eau qui s'infiltre dans la zone ~irbanisée environnante parvient à s'infiltrer jusqu'aux mâcliefers utilisés en remblais sous les habitations.

Modélisation de la lixiviation de màchefers

Les difîérerites formules qui résultent des remarques précédentes el que l'on a utilisées pour donner une estimation du débit d'infiltralion dans les mâchefers sont réslimées dans le tableau ci-dessous.

Avec une pluviométrie annuelle moyenne à l'échelle de la France de 800 m n h n et Line ETP de 500 rnmlan, on obtient :

Cas I : tas de miclicfers

Cas 2 : remblais sous roure

Cris 3 : rcrnblais soirs Irabitarion

Cas 4 : rcniblais sous couvert véoftnl

I = P - E - R u 1, = P-0,53,ETP

12 = P -0,53,ETi'-0,3,P

13=0,1,12 I., = P-ETP-O. l .P


1.8. RÉSULTATS DES SIMULATIONS DE PROPAGATION DES LlXlVlATS DANS UN AQUIFÈRE

1.8.1. lsoconcentrations en chlore (scénario 1)

ZNS

Echelle verticaie agrandie 50 fois (distance entre tires = 1 m) Concentrations en nom.


. . . . . .. . . . 1.8.2. Isoconcentrations en sulfates (scénario 1) - : :,, , . . .

. . . . . :.. . . < > , . ,

2 ans

10 ans

Légende : - Seuil de potabdité (2.6 mmoi/i) EcheUe veriicale agrandie 50 fois (distance entre tires = 1 m), Concentrations en moiil.

-SceMrio 2 1.WE10

Scenario 4 a $ 8.WEll

6.WE-Il

l .WEl0 I ? i > 5.WE11 O

2.WLll

0 . w m 0 . w m

+Scenario 1 -Scenario 2 +Scenario 3 - Scenario 4

Time (days) Time (days)

/

Time (days)

1.20&10,

2,WEll

y?, -Scenario 2

- h n a i m 4 +Scenario 3 +Sce~r io 3 - 0.WEtOO 0.WHW Scenario 4

SceMrio 4 O.WHW

O 1000 2WO 3000 4W O IWO 2WO 3030 4W O IWO 2WO 3x0 4W'

Time (days) I Time I L (days) Time (days) -

Mod6lisation de la lixiviation de machefers

1.8.4. Historiquesdes concentrations en zinc (en molll)

Les 6 points d'enregistrement des historiques sont localisés sur la figure 9.

O O O O

- - N O - .O .O .+ .+ 8 #

N o g g r r $ $ m m

6 i=

t l t l 8 - I *

8 O

- - N O -

.O .+ .+ .O N 0 : g g g g E

$ $ $ $ i=

t l t l O

0

BRGM SERVICE ENVIRONNEMENT INDUSTRIEL ET PROCÉDES INNOVANTS

Unité Déchets et traitement des matériaux BP 6009 - 45060 ORLEANS cedex 2 - France - Tél. : (33) 2 38 64 34 34

modélisation de l'altération météorique des mâchefers par

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