Les 9 et 10 novembre 2022, InnovaSol, le GISFI et le réseau ESSORT organisaient à l'ENSEGID à Bordeaux, avec le soutien de l'ADEME, une journée et demi sur le thème des Solutions innovantes in situ pour le Diagnostic et le Monitoring en gestion des sites et sols pollués.

Le Passive Flux Meter (PFM) développépar ENVIROFLUX (Floride, USA) est un outil permettant de mesurer les flux massiques de contaminant ainsi que les vitesses d’écoulement dans un aquifère. Cet outil, sous forme de cylindre est composé de plusieurs blocs de charbons actifs retenus par une toile filtrante en nylon. Les dimensions de l’outil sont variables et sont choisies en fonction de l’étude à réaliser.

Les blocs de charbons actifs sont séparés tous les 20 cm par un caoutchouc afin d’éviter les échanges verticaux de flux, permettant ainsi d’avoir une distribution verticale des vitesses et des flux de contaminants.  Le charbon actif utilisé dans les PFMs est initialement imprégné de 4 ou 5 « traceurs » ayant chacun un facteur de retard différent par rapport à l’écoulement naturelle de l’aquifère.

Le PFM est inséré directement dans un piézomètre durant une période pouvant varier de 2 à 3 semaines (en fonction de  l’écoulement de l’aquifère étudié) avant d’être analysé en laboratoire. L’exposition des PFMs dans le piézomètre entraine la disparition d’un ou plusieurs des traceurs initialement présents selon la vitesse d’écoulement au sein du milieu. A partir des proportions de traceurs restant, il est possible d’estimer la vitesse d’écoulement dans le piézomètre.

De plus, la sorption des contaminants sur ces charbons actifs permet de déterminer la quantité de polluants accumulée durant le temps d’exposition.  Ceci permet d’en déduire le flux massique de contaminants ayant traversé le piézomètre.

Dans le cadre de thèses financées par INNOVASOL, plusieurs PFMs de 100 cm de longueur (Photo ci-dessus) ont été utilisés sur deux sites industriels contaminés. Les résultats de ces campagnes ont permis d’établir une distribution verticale des flux massiques de contaminants (Figure ci-contre) et ainsi de localiser les horizons les plus productifs en termes de flux de contaminants, facilitant par la suite la localisation potentielle d’une zone source.

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

1.    Contexte

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

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

2.    Réalisation

2.1.Version simple

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

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

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

2.2.Version multi-pompe

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

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

3.    Résultats

3.1.Version simple

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

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

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

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

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

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

3.2.Mesure de pression

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

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

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

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

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

3.3.Version multi-pompe

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

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

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

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

4.    Conclusion

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Les détecteurs à photo-ionisation (PID) sont très utilisés pour réaliser des cartographies de composés organiques volatils (COV) sur les sols des sites industriels. La méthode la plus couramment utilisée consiste à prélever du sol dans un sac plastique souple et à mesurer la composition de l'air dans le sac après malaxage. Bien que cette méthode soit très répandue, elle a fait l'objet de peu d'études quant à sa fiabilité. Les tests qui ont été menés par InnovaSol ont montré que cette approche est assez fiable. Ils ont en outre permis de dégager un certain nombre de recommandations pour sa mise en oeuvre.

A partir des analyses réalisées, il semble que le PID utilisé avec un prélèvement sur sac en plastique soit un instrument assez fiable, tout au moins le modèle testé (la marque peut être communiquée sur demande). Les autres test réalisés dans des contenants plus contrôlés entrainent des problèmes de contamination des tubulures ou des contenants.

Les tests ont porté sur le rôle du type de sol qui influence peu la mesure, sur l’humidité du sol qui a l’air de jouer un rôle secondaire, seule la température doit être prise en compte pour corriger les mesures. Enfin la limite de détection a été établie à 1 ppm.

Nous n’avons cependant pas comparé différents modèles, qui pourraient montrer des valeurs différentes pour un même sac comme cela a été montré par d’autres auteurs.

Il convient cependant de conserver à l’esprit que les valeurs mesurées restent relatives, peuvent être utilisées pour localiser des pollutions, mais pas pour déterminer précisément des concentrations le sol ou dans l’air du sol.