La compréhension fine du couplage entre écoulement et transfert de masse en milieu poreux est requise pour faire progresser les connaissances concernant le transfert de polluants dans les sols. Les sols présentent fréquemment des zones d'écoulement préférentiel qui favorisent le transfert rapide de différentes substances véhiculées par l'eau. Ces zones peuvent être liées à l'existence d'hétérogénéités structurales comme des macropores, c'est-à-dire des pores ayant un diamètre et une longueur plus importants que ceux de la matrice poreuse environnante. Les macropores peuvent résulter de l'activité biologique qui règne au sein des sols (passage de vers de terre, pourrissement de racines) ou bien de différents processus physiques (fissures liées à des cycles gel-dégel ou à des phénomènes de retrait-gonflement), et on sait depuis longtemps qu'ils sont susceptibles d'exercer une influence difficile à quantifier mais notable sur le transfert de contaminants dans les sols [1].

Cette étude se propose d'analyser de manière détaillée le couplage écoulement / transfert de masse dans un système comprenant un macropore individuel entouré d'une matrice poreuse, en conditions saturées en eau. Nous avons effectué des injections à différents débits dans une colonne de 5,0 cm de diamètre et de 14,5 cm de longueur, dont l'axe est traversé par un macropore de 3 mm de diamètre entouré d'un milieu poreux constitué de billes de verre (de diamètre moyen égal à 0,6 mm) collées entre elles. Nous avons commencé par réaliser des expériences de percée classiques en mesurant la concentration en sortie de colonne d'un soluté non réactif, l'acide gadopentétique (Gd-DTPA). Cette substance fortement paramagnétique présente l'avantage d'être contrastante en imagerie par résonance magnétique (IRM) et nous avons exploité cette propriété pour imager le transfert du Gd-DTPA au sein de la colonne hétérogène.

Les courbes de percée obtenues montrent que le transport du traceur dépend sensiblement du débit d'injection. À débit suffisamment élevé, le transport a lieu très majoritairement au sein du macropore, sans qu'il y ait beaucoup d'échange de matière entre celui-ci et la matrice poreuse environnante. En revanche, lorsque le débit diminue, on constate que la forme des courbes de percée évolue et les images obtenues par IRM montrent l'existence d'un échange significatif de traceur entre le macropore et la matrice poreuse. Le temps caractéristique associé à ce transfert montre que cet échange est lié à un processus de transport par diffusion moléculaire.

Différents modèles effectifs de transport ont été proposés dans la littérature pour tenir compte de processus physiques de non-équilibre qui peuvent se manifester dans les sols hétérogènes [2]. Compte tenu des caractéristiques de la colonne hétérogène utilisée dans cette étude, on peut montrer que la vitesse de pores dans la matrice poreuse est inférieure de deux ou trois ordres de grandeur à celle de la vitesse moyenne de l'eau dans le macropore. C'est la raison pour laquelle, pour finir, nous avons comparé les courbes de percée mesurées en sortie de colonne et l'évolution temporelle du champ de concentration du traceur obtenue par IRM, avec un modèle effectif d'advection-dispersion de type mobile-immobile adapté à la géométrie du milieu poreux hétérogène étudié [3].

[1] K. Beven and P. Germann, Macropore and water flow in soils revisited, Water Resources Research, 49, 3071–3092
(2013).

[2] J. Simunek, N.J. Jarvis, M. Th. van Genuchten, and A. Gardenas, Review and comparison of models for describing
non-equilibrium and preferential flow and transport in the vadose zone, Journal of Hydrology, 272, 14–35 (2003).

[3] M.T. van Genuchten, D.H. Tang and R. Guennelon, Some exact solutions for solute transport through soils containing large cylindrical macropores, Water Resources Research, 20(3), 335-346.