COMMUNICATIONS ORALES€¦ · Retr mmaire Rm Atelier 10 - 4 es Rencontres nationales de la recherche sur les sites & sols pollués 2019 PAGE 3 Incidence de l’humidité sur l’adsorption

COMMUNICATIONS ORALES

Recueil des résumésATELIER 10

[Outils]

PAGE 2 Résumés Atelier 10 - 4es Rencontres nationales de la recherche sur les sites & sols pollués 2019

- Atelier 10 -Outils de caractérisation

[Outils]

Présidence atelier Roger JACQUET, SOLVAYHubert LÉPROND, BRGM

• Incidence de l’humidité sur l’adsorption de COV sur charbon actif pour la caractérisation des gaz, Sylvie TRAVERSE, GINGER-BURGEAP, Corinne HULOT, INERIS ....................................................................................p3

• Utilisation de biocapteurs pour le suivi et l’optimisation du traitement de nappes phréatiques, Cédric MALANDAIN, HYDREKA – ENOVEO.................................................................................................................................p7

• Les composés chlorés cernés par les arbres, Michel CHALOT, Université Bourgogne Franche-Comté .............................................................................................p11

• Utilisation conjointe des méthodes géophysiques, de caractérisation de gaz du sol et isotopiques pour l’identification de sources de pollution, Clément ZORNIG, BRGM ...................................................................................................................................................................p14

• Diagnostic de pollution plus précis et plus rapide : SCAN 360°, Gaël PLASSART, ENVISOL .................................................................................................................................................................p18

• Développement et Intégration d’un outil de traitement géostatistique dans un analyseur LIBS portable, Karine MICHEL, BRGM .......................................................................................................................................................................p23

• Suivi de dépollution de solvants chlorés par prospection électrique, Jacques DEPARIS, BRGM ................................................................................................................................................................p28

• Développement des méthodes géophysiques pour la caractérisation et la réhabilitation de sites contaminés, Théo DE CLERCQ, VALGO ................................................................................................................................................................p32

• Suivi opérationnel par drone d’un site phytostabilisé : suivi de la végétation et de l’érosion, Thomas DEWEZ, BRGM .....................................................................................................................................................................p36

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Incidence de l’humidité sur l’adsorption de COV sur charbon actif pour la caractérisation des gaz

Sylvie TRAVERSE1*, Corinne HULOT2

1 : GINGER-BURGEAP, 19 rue de la villette 69425 Lyon Cedex 3, [email protected] 2 : INERIS, Parc Technologique ALATA - BP2 60550 Verneuil-en-Halatte, [email protected]

* contact : [email protected] Résumé La présence de pollutions organiques volatiles dans les sols nécessite la mesure des concentrations dans les gaz du sol en vue d’évaluer leurs impacts (MTES, 2017). A l’heure actuelle en France, les prélèvements des gaz du sol sont le plus souvent réalisés par aspiration et adsorption sur charbons actifs. Récurrents dans les diagnostics de sites pollués, les défauts de caractérisation des concentrations gazeuses peuvent générer des incertitudes majeures dans la conduite des Plans de gestion [1]. Ciblée comme pouvant être à l’origine de telles difficultés, l’influence de la température et de l’humidité relative sur l’adsorption d’hydrocarbures (BTEX et composés aliphatiques C4-C10) et de solvants chlorés (Tétra et trichloroéthylène) sur les supports de type charbon actif de marques SKC et Orbo est l’objet des travaux présentés. Les travaux présentés sont issus des projets EFEMAIR et TEMPAIR cofinancés par l’ADEME et des travaux de l’INERIS reposant sur des essais en chambre d’exposition pour le Ministère en charge de l’environnement dans le cadre GT Laboratoires. Les essais conduits qu’ils soient en conditions maîtrisées (chambre d’essais) ou contrôlées (sites expérimentaux) montrent, pour une exposition des charbons actifs en deçà de la capacité maximale d’adsorption, l’absence d’influence de cette humidité relative de 50 à 99% et pour des températures de 8 à 23°C sur l’adsorption des molécules ciblées pour les gammes de concentrations testées. Il a cependant été mis en évidence une compétition d’adsorption entre les différentes fractions d’hydrocarbures pouvant conduire à des déplacements des molécules entre les zones de mesures et les zones de contrôle de ces charbons actifs. Un tel phénomène conduit dans les essais réalisés à l’absence de représentativité des concentrations estimées pour les fractions d’hydrocarbures aliphatiques inférieures à C7. Introduction En présence de vapeur d’eau comme en présence d’une pollution multi-composés, des phénomènes de compétition d’adsorption peuvent se produire sur les charbons actifs utilisés pour les prélèvements des gaz de sol, surtout si les différences d’affinité avec le support adsorbant ou les différences de concentration sont importantes. Les travaux recensés dans la littérature s’intéressent généralement aux capacités d’adsorption et temps de perçage et donc aux limites de saturation des supports adsorbants. Toutefois, la diminution de la capacité totale d’adsorption ne signifie pas nécessairement un défaut d’adsorption lors de prélèvements tant que cette capacité totale d’adsorption n’est pas atteinte. Dans le cadre des travaux présentés, c’est davantage la représentativité de la masse adsorbée sur une cartouche de charbon actif lors du prélèvement pour déterminer la concentration dans les gaz du sol qui est étudiée que la capacité d’adsorption de ces supports. Dans ce contexte, l’influence de l’humidité relative et de la présence de multiples pollutions sur l’adsorption a été étudiée pour des solvants (benzène, toluène, éthylbenzène, xylènes-BTEX et tétrachloroéthylène-PCE) en chambre d’essai INERIS [2], sur site expérimental pour des mélanges d’hydrocarbures aliphatiques (C4-C12) [3] et pour un mélange de tétrachloroéthylène-PCE et trichloroéthylène-TCE (99,8– 0,2 %) [4]. Les résultats présentés visent à répondre aux questionnements sur la représentativité des concentrations mesurées à partir de prélèvements sur charbon actif liée i) à la présence d’une humidité relative élevée et ii) à une compétition d’adsorption entre molécules. En outre, les essais en chambre d’exposition s’inscrivent dans le cadre des travaux du GT Laboratoires (MTES) visant à apprécier l’effet de conditions d’exposition des charbons actifs sur les analyses ayant pour conditions de référence une température de 20°C et une hygrométrie relative de 50 %, pour cette dernière inférieure à celles généralement observées dans les gaz de sol.


Matériel et méthodes Essais en chambre contrôlée INERIS Les tests ont été réalisés dans la chambre d’exposition de l’INERIS [5], qui permet de simuler l’atmosphère à étudier dans des conditions expérimentales maîtrisées et répétables. Des paramètres tels que l’humidité, la température, la vitesse de l’air, et les concentrations sont ainsi contrôlés. L'atmosphère simulée pour les tests contenaient un mélange de BTEX et PCE généré à partir d’un mélange de solvants purs. La concentration en BTEX a été contrôlée durant les essais à l’aide d’un chromatographe automatique avec détecteur FID (GC/FID). Les concentrations ont été de l’ordre de 100 µg/m3 (Benzène), de 75 µg/m3 (Toluène), de 50 µg/m3 (Ethylbenzène et Xylènes) et de 110 µg/m3 pour le PCE. Les prélèvements dynamiques sur 4 heures (débits des pompes 0,2 l/min) avec des supports de type tube PK50 ORBO-32 et adsorbant charbon actif (100/50 mg - petit tube et 400/200 mg - grand tube) ont été réalisés par séries de 10 prélèvements (5 grands tubes et 5 petits tubes). Les couples température/humidité testés sont : 20°C/50%, 20°C/70%, 20°C/90%, 10°C/50%, 10°C/70%.

Figure 1. Chambre d’exposition et ligne de prélèvement [2]

Essais sur sites expérimentaux Les essais conduits pour apprécier l’effet de l’humidité relative des gaz sur l’adsorption des molécules organiques volatiles ont été réalisés dans deux projets distincts. Le projet TEMPAIR [4] portant sur le PCE et le TCE repose sur trois campagnes conduites en 2015 sur une sélection de 3 piezairs. Le projet EFEMAIR [3] portant sur les hydrocarbures aliphatiques repose sur deux campagnes conduites en 2017 et 2018 sur une sélection de 3 piézairs d’un autre site atelier. Pour ces deux projets, au cours de chaque campagne et sur chaque ouvrage, les mesures de température et d’humidité des gaz du sol ont été conduites. Les supports adsorbants utilisés pour la quantification des concentrations en laboratoire sont des charbons actifs de la marque SKC (SKC 226-01 100/50 mg et 226-09 400/200 mg). Les filtres anti-humidité utilisés sont des filtres commercialisés (RAE - Humidity Filtering II et SKC 226-44). Les dispositifs utilisés pour les prélèvements ont été les mêmes à chaque campagne (cf. tableau1). Des détecteurs par photo-ionisation (PID) de marque RAE ont été utilisés pour les purges des ouvrages et sur certains essais pour le suivi en aval des prélèvements. Pour les solvants chlorés et les hydrocarbures sur charbons actifs, les extractions chimiques ont été conduites au CS2 puis analyse par GC-MS. Résultats et discussion Essais en chambre d’exposition Les suivis de température, d’humidité relative et de vitesse de l’air ont montré une stabilité de ces conditions. Les variations de concentrations lors de chacun des tests ont été inférieures à 10%. La comparaison des différents essais n’a pas montré de variabilité significative. Ainsi pour les conditions expérimentales étudiées (gammes de concentrations, mélange de substances, débits de pompage, volumes prélevés, températures, humidités), les résultats montrent l’absence de variations significatives des concentrations (dans la gamme de l’incertitude analytique de 20%), quel que soit le couple température/humidité relative étudié, et le type de support (petit et grand charbons actifs).

Ligne de prélèvement

Sondes de température et humidité

Chromatographe

Chambre


Figure 2. Ecarts de concentrations mesurées lors des essais en chambre d’exposition pour différents

couples température / humidité relative vis-à-vis de l’essai de référence à 20°C et 50% HR [2] Essais sur sites expérimentaux – PCE et TCE Les conditions de température dans les gaz du sol ont varié en fonction des campagnes de 6 à 23°C, l’hygrométrie entre 88 et 100% HR. Les masses de PCE adsorbées sur les charbons actifs ont varié lors des différentes campagnes et sur les différents ouvrages de 0,006 à 3,1 mg (et de 0,0008 à 0,0013 µg de TCE). Le rapport massique de PCE sur charbon actif (CA) a ainsi été au maximum de 0,031 gPCE/gCA et de 0,0001 gTCE/gCA pour le TCE, très inférieures à la capacité d’adsorption (0,37 gPCE/gCA et 0,24 gTCE/gCA, [6]. Pour l’ensemble des prélèvements, le PCE et le TCE étaient absents de la zone de contrôle. Il ressort de ces essais (figure 2) que dans les conditions des expérimentations (débits de prélèvement < 0,4 l/min, volumes prélevés de 3 à 20 litres, concentrations en PCE et TCE respectivement de 5 à 250 mg/m3 et < 1,3 mg/m3), les concentrations mesurées en utilisant ou non des filtres anti-humidité ne sont pas significativement différentes (écarts inférieurs ou de l’ordre de grandeur de l’incertitude analytique). Dans ces conditions, la compétition d’adsorption entre la vapeur d’eau, le PCE et le TCE ne met pas en défaut l’adsorption des polluants.

Figure 3. Comparaison des concentrations en PCE (gauche) et TCE (droite) mesurées sans ou avec les

filtres anti-humidité de SKC et RAE [4] Essais sur sites expérimentaux – Hydrocarbures aliphatiques Lors de ces essais, l’hygrométrie a varié entre les ouvrages et les campagnes entre 59 et 97 %HR et la température entre 8 et 20°C. La pollution regroupe les fractions nC>6-nC8 (entre 46 et 65%), la fraction nC>5-nC6 (entre 7 et 52%) et la fraction nC>8-nC10 (entre 1 et 25%). Les masses d’hydrocarbures C5-C12 à partir desquelles le rapport entre la masse en zone de contrôle et celle en zone de mesure de 5% est dépassée sont comprises entre 0,2 et 0,3 mgTPH/mgCA en fonction des ouvrages. Cette adsorption « maximale » est nettement plus faible pour les hydrocarbures aliphatiques n>C5-C6, le dépassement du seuil de 5% se produit pour une masse de 0,006 à 0,14 mg/mgCA en fonction des ouvrages. Ces écarts de la capacité d’adsorption peuvent s’expliquer par les différences de concentration et de composition du mélange. Vis-à-vis de l’influence de l’humidité relative, les expérimentations réalisées montrent que la mise en série de dessiccateurs n’a pas d’incidence significative sur l’adsorption de ces mélanges d’hydrocarbures aliphatiques

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Concentration en TCE mesurée sans les filtres anti-humidité (mg/m3)

CA comparé à CA+ filtre RAE

CA comparé à CA+filtre SKC


sur les charbons actifs dans la gamme de concentrations de 500 à 46 000 mg/m3 et pour des volumes prélevés entre 5 et 15 litres. Afin d’analyser les phénomènes de compétition d’adsorption sur le charbon actif, des prélèvements directement en sac tedlar ont été réalisés tant dans le flux de gaz provenant du piézair (Amont CA) qu’en aval des deux zones adsorbantes (Aval CA) pour différents volumes ayant transité à travers le charbon actif. Il est observé (20 l) pour les fractions C4-C5 des concentrations en aval du charbon actif plus importantes qu’en amont traduisant un phénomène de désorption de ces molécules spécifiquement. Les fractions C>6-C8 ont également en partie subies ce phénomène de désorption avec un rapport ZC/ZM de 1,2.

Figure 4. Concentrations en hydrocarbures en amont

et en aval des charbons actifs pour différents volumes de prélèvement [3]

Ceci est vraisemblablement lié à la présence dans le mélange de molécules hydrocarbonées présentant des températures d’ébullition très différentes. Cette compétition d’adsorption explique les résultats obtenus, mettant en évidence une masse plus importante d’hydrocarbures <C7 en zone de contrôle par rapport à la zone de mesure pour certains échantillons dont les volumes prélevés sont proches ou supérieurs au volume de perçage. Quels que soient les volumes prélevés, les hydrocarbures >C8 ne sont pas retrouvés en zone de contrôle ou dans le flux en aval montrant que la présence de vapeur d’eau ou d’autres hydrocarbures ne perturbe pas leur adsorption. Conclusions et perspectives La norme ISO-18400-204 [7] recommande l’utilisation de filtres anti-humidité en série des supports de prélèvement de type charbon actif si l’humidité relative mesuré le rend nécessaire. Au regard des résultats présentés, ni la température, ni l’humidité ne semblent perturber l’adsorption d’hydrocarbures (BTEX et composés aliphatiques C4-C10) et de solvants chlorés (PCE et TCE) dans les gammes de concentrations testées. Les travaux réalisés ont cependant montré qu’en présence de mélanges d’hydrocarbures aliphatiques, une compétition d’adsorption existe. Ainsi, il est recommandé de dimensionner les prélèvements de manière à ce que les masses de vapeur d’eau et de polluants soient inférieures à la capacité totale d’adsorption des supports. L’usage d’un analyseur de terrain lors de la purge pour adapter les volumes d’air à prélever (couplage durée, débit) et les supports adsorbants est ainsi recommandé. Enfin, pour les mélanges fortement concentrés en hydrocarbures contenant à la fois des fractions légères et lourdes, il est recommandé de privilégier d’autres types de prélèvements (adsorbants avec lits multiples, sac tedlar ou canister). Références [1] MTES (2017). Méthodologie nationale de gestion des sites et sols pollués. 19 avril 2017. www.installationsclassees.developpement-durable.gouv.fr/Outils-de-gestion.html [2] INERIS - Marescaux, N., Spinelle, L., El-Masri, A., Marchand, C., Hulot, C. (2019). Prélèvements des gaz du sol. Impacts des conditions de température et d’humidité sur les performances d’analyse sur charbon actif. INERIS-DRC-19-177730-00920A. A paraître en 2019 [3] Traverse S., Dorffer L., Esrael D., Côme J.M. (2018). Projet EFEMAIR. Axe 2-Evaluation des concentrations en hydrocarbures aliphatiques dans les gaz du sol. Influence de l’humidité relative et compétition d’adsorption entre hydrocarbures. Collection expertise ADEME. Mai 2018. [4] Traverse S., Hulot C., Gleize T., Richez F., Dorffer L. (2017). Projet TEMPAIR – partie 3. Prélèvement des gaz du sol : impact de filtres anti-humidité sur l’adsorption de PCE & TCE sur charbon actif et impact de la purge préalable au prélèvement. Collection expertise ADEME. Mars 2017 [5] Gonzalez-Flesca, N. et Frezier, A. (2005). A new laboratory test chamber for the determination of diffusive sampler uptake rates. Atmospheric Environment, 39: p. 4049-4056 [6] OSHA (1999) Methods development Team. Industrial hygiene Chemistry division. C J Elskamp. [7] AFNOR (2017). Norme ISO 18400-204. Qualité du sol – échantillonnage – partie 204 : Lignes directrices pour l’échantillonnage des gaz du sol. Janvier 2017 Remerciements Les auteurs remercient l’ADEME et le Ministère en charge de l’environnement pour le co-financement des projets et en particulier Franck MAROT et Yves DUCLOS pour le suivi des projets ADEME. Sont également remerciés les propriétaires des sites expérimentaux et les laboratoires d’analyses intervenus dans les projets EFEMAIR et TEMPAIR (Agrolab, Explorair et TERA environnement).

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PZA244 ech. n°17-18

Amont Aval CA-2 litres Aval CA - 3,5 litres


Utilisation de biocapteurs pour le suivi et l’optimisation du traitement d’une nappe phréatique

(Projet REMWATCH)

Jean-Michel MONIER* et Olivier SIBOURG HYDREKA - ENOVEO, 7 place Antonin Poncet, 69002 Lyon - France

Introduction L’injection de substrat carboné dans la zone saturée pour le traitement (biostimulation) d’une nappe phréatique contaminée par des éthylènes chlorés est une technique couramment utilisée dans le domaine des sites et sols pollués. Elle apporte les conditions d’anaérobie favorisant une biodégradation de ces solvants chlorés. Actuellement, les injections de substrats se font empiriquement. Elles sont susceptibles de perturber la biologie du milieu, soit par des insuffisances soit par des surplus chroniques d’injection de substrats (introduisant des chocs dans le milieu) qui au final entrainent une baisse du rendement du traitement. Pour suivre la biodégradation, il n’existe actuellement que des systèmes avec des mesures ponctuelles (analyses Redox et physico-chimiques des polluants…). L’acquisition de ces mesures engendrent des coûts (déplacements sur site, analyses…). Par ailleurs, les jeux de données ponctuelles restent parcellaires et amènent à des difficultés d’interprétation. Ce constat met en évidence une lacune de méthode et d’outils pour suivre en continu l’injection de substrat carboné (évolution des produits injectés dans le milieu : diffusion, rémanence…) et son impact sur la biodégradation. Ce besoin est exprimé par les entreprises travaux pour mieux gérer ces injections et pour donner une idée sur l'efficacité du traitement en temps réel. A terme, ce besoin pourrait s’exprimer au travers d’un système de monitoring qui puisse asservir l’injection à la demande. ENOVEO développe de nouveaux outils qui exploitent les microorganismes naturellement présents et permettant un suivi de la qualité (eg, charge organique, toxicité) des milieux aquatiques naturels, urbains ou industriels en temps réel. Sur ce principe, un biocapteur microbien avec une architecture et des spécificités liées à une application dans le domaine des sites et sols pollués (contrainte liée aux piézomètres…) a été développé. Le signal généré par les biocapteurs, fonctionnalisés à partir des microorganismes du site, est directement proportionnel à l’activité de ces derniers, fournissant de fait une information en temps réel sur l’activité microbienne en différents points du site. Objectifs L’objectif de cette étude est de valider et de fournir un outil de suivi en ligne (biocapteur) permettant de déterminer en temps réel l’efficacité de traitement par biostimulation d’un aquifère pollué. Des essais de validation sur site sur de longues périodes doivent compléter les travaux qui ont été menés sur ce biocapteur à l’échelle pilote ou en conditions de laboratoire. Les objectifs sont les suivants :

1. Valider l’utilisation des biocapteurs sur site pour la détection en temps réel de la diffusion du substrat carboné (eg, huile de soja, mélasse, mélanges) injecté dans la nappe.

2. Etablir une relation entre intensité du signal généré par les biocapteurs et performance du traitement. La mise en place des biocapteurs sur site permettra donc d’une part, de compléter les données acquises en laboratoire en conditions contrôlées et d’autre part, de déterminer la sensibilité, la robustesse (physique et biologique), la durée de vie (dérive éventuelle, maintenance) et d’identifier les interférences éventuelles inhérentes à une expérimentation sur site (eg, fluctuations des conditions physico-chimiques, teneurs en COHV, densité microbienne, niveau de nappe…). Matériel et méthodes L’architecture des capteurs a été développée afin de tenir compte des contraintes des sites (diamètre des piézomètres, profondeur de la nappe…). Les microorganismes utilisés pour la fonctionnalisation des biocapteurs sont issus des nappes correspondantes et donc naturellement présents sur le site. Au total, 6 biocapteurs ont été développés, utilisés pour la calibration et validation des biocapteurs en laboratoire, dont 3 seront déployés sur site. Afin de fonctionnaliser les capteurs (Fig.1), des échantillons d’eau de nappe seront prélevés sur site et rapportés au laboratoire. Les capteurs nus (électrodes et architecture dédiée) seront alimentés avec les eaux prélevées sur site afin de favoriser le développement des microorganismes présents dans l’eau de nappe à la surface des électrodes (procédé ENOVEO). Après fonctionnalisation (obtention d’un signal stable), les biocapteurs seront calibrés afin de déterminer leur sensibilité et gamme de concentrations en substrat carboné détectable. La durée anticipée pour les phases de fonctionnalisation et de calibration des capteurs est de 1 mois avant déploiement sur site.


Figure 1. Fonctionnalisation des capteurs et étapes préalables au déploiement sur site. Les piézomètres (3 par site) ont été individuellement instrumentés avec 1 biocapteur et des sondes physicochimiques (Fig.2) permettant la mesure en continu de différents paramètres (pH, redox, O2 dissous, température). L’ensemble des capteurs est connecté à un boîtier d’acquisition permettant la gestion des données (acquisition, envoi d’alarme, consultation sur interface web).

Figure 2. Représentation schématique en coupe des piézomètres de suivi et regards instrumentés avec les capteurs et sondes permettant un suivi en continu de la charge organique, pH, redox et

température. Parallèlement au déploiement des capteurs permettant un suivi en continu des différents paramètres, des campagnes d’échantillonnages ponctuelles de l’eau des nappes ont été réalisés des analyses chimiques (eg, teneurs en COHV, COT…) et des analyses microbiologiques (5 biomarqueurs fonctionnels de la biodégradation des éthylènes chlorés en conditions anaérobies et 2 biomarqueurs taxinomiques). L’ensemble des données fournies (Fig.3) a ensuite été analysé afin de répondre aux objectifs initiaux de l’étude.

Figure 3. Représentation schématique de l’ensemble des données obtenues en continu (biocapteurs

et sondes) et lors des campagnes de prélèvements (microbiologie, chimie).


Résultats et discussion Le déploiement de 3 biocapteurs à été réalisé sur des sites distincts dans des nappes contaminées par des COHV. Les résultats obtenus montrent la capacité des biocapteurs à détecter la présence de substrat organique proche de la zone d’injection et en aval hydraulique (Fig.4).

Figure 4. Validation des performances des biocapteurs pour la détection de substrat organique injecté dans la nappe.

La mise en place des biocapteurs sur site a permis de valider les performances acquises en laboratoire en conditions contrôlées et de confirmer la sensibilité, la robustesse (physique et biologique) et la durée de vie (dérive éventuelle, maintenance). Les résultats obtenus montrent également une relation directe entre le signal généré par les biocapteurs et les mesures de COT (Carbone Organique Total) réalisées en laboratoire, permettant d’estimer la quantité de substrat présent dans la nappe (Fig.5). D’autre part, aucune maintenance n’a été nécessaire sur les biocapteurs sur la durée des essais menés sur plusieurs mois. Le déploiement de biocapteurs sur site présente donc l’avantage de pouvoir suivre en continu l’évolution du substrat dans la nappe au niveau des différents points instrumentés (Fig.6) afin de maitriser et d’optimiser les performances du traitement en temps réel.

Figure 5. Relation entre COT (Carbone

Organique Total) mesuré ponctuellement (analyses en

laboratoire) et COT estimé en continu à l’aide du biocapteur.

Figure 6. Exemple de suivi de la charge organique en continu dans une nappe phréatique après injection du

substrat.

Les informations fournies par les biocapteurs (Fig.6) associées aux données fournies par les sondes physicochimiques (Fig.7) permettent ainsi de suivre en temps réel les conditions de la nappe afin de s’assurer des performances des injections réalisées. Des exemples de résultats obtenus pour le suivi de la charge et des différents paramètres physicochimiques en continu, suite à une injection de substrat organique sont présentés ci-dessous.


Figure 7. Exemples de suivi des paramètres physicochimiques en continu dans une nappe phréatique après injection du substrat.

Le suivi en continu de différents paramètres (pH, redox, O2 dissous et charge organique) ont permis de déterminer en temps réel les conditions de la nappe et les performances du traitement en termes de mise en place des conditions physicochimiques adéquates pour une réduction effective des solvants chlorés. L’ensemble des résultats, incluant les analyses chimiques et microbiologique, sera présenté en détails et discuté. Conclusions et perspectives Cette étude à permis de valider et de fournir une solution de suivi en ligne permettant de déterminer en temps réel l’efficacité de traitement par biostimulation d’un aquifère pollué. Les résultats obtenus illustrent la pertinence de la métrologie en continu dans le domaine des sites et sols pollués et de la surveillance des nappes phréatique afin de maîtriser et d’optimiser les traitements mis en place. Couplée à des analyses chimiques et microbiologiques, l’approche développée dans le cadre de ce projet a permis une meilleure compréhension et maîtrise des paramètres essentiels à la réussite d’un traitement de nappe contaminée par injection de substrats organiques. Remerciements Les auteurs remercient l’ADEME pour son soutien financier et son accompagnement.


Les composés chlorés cernés par les arbres

M. CHALOT1, L. YUNG1, J. LAGRON2, D. CAZAUX2

1 : Laboratoire Chrono-Environnement (LCE), Université Bourgogne Franche-Comté, Montbéliard, France, [email protected] 2 : INOVYN, Avenue de la République 39500 Tavaux, [email protected] , [email protected] * contact : [email protected] Résumé La récupération, par pompage, de phase pure est une technique in situ largement utilisée pour l’enlèvement de masse de produit dans des opérations de remédiation, puisque masse de polluants et effets délétères sont corrélés. Néanmoins, elle perd rapidement de son efficacité, malgré des techniques de recirculation, à cause du piégeage capillaire de gouttelettes de produit dans des pores fins conduisant à une fragmentation de la phase pure en résiduel. Dans le cadre du projet SILPHES, nous avons mis au point et évalué une technologie à base d’injection de mousses de surfactant pour améliorer la récupération de produit à travers leurs propriétés visqueuses. La présentation soulève les problématiques rencontrées en montrant comment les mousses permettent d’améliorer significativement le traitement du milieu à travers un balayage plus homogène d’un système poreux, par nature, hétérogène. Les essais comparatifs, à l’échelle laboratoire pour la compréhension des mécanismes et du terrain pour le changement d’échelle, sont rapidement présentés. Introduction Dans le domaine des sites et sols pollués et des friches industrielles, la contamination des eaux souterraines par des produits organochlorés est fréquente et représente un enjeu fort sur le plan national. Ces pollutions génèrent des impacts négatifs au droit et à l’extérieur des sites contaminés et des friches : elles dégradent durablement l’état des sols et des eaux souterraines et limitent l’usage et la reconversion de ces espaces (ex : restriction d’usage de l’eau, fermeture de points de captage, freins à la reconversion de friches…) ; elles se dispersent à partir de leur « zone source » selon des panaches de contamination qui peuvent présenter des dimensions particulièrement importantes ce qui complexifie leur traitement. INOVYN, comme la plupart des compagnies impliquées dans la chimie du chlore, s’est engagé dans une démarche de réhabilitation environnementale de ses sites contaminés par ces produits. Le site de Tavaux, localisé dans le Jura, est le plus grand site du groupe INOVYN. Le site a connu des déversements historiques de produits organochlorés à partir de ses installations qui ont lourdement contaminé les eaux souterraines. Ces accidents sont à l’origine de deux problématiques, qui ont notamment conduits à l’élaboration du projet SILPHES:

- Une source de DNAPL (Dense Non Aqueous Phase Liquid) de plusieurs hectares, constituée de produits perchlorés lourds et récalcitrants, majoritairement l’haxachlorobutadiène, l’hexachloroéthane, ou l’haxachlorobenzène.

- Un panache de produits plus légers et plus solubles composés de chloroéthanes et de chloroétènes, d’une superficie de 30 km² en aval de la zone source.

Le projet SILPHES est un projet de type « démonstrateur technologique » qui vise la thématique « développement et expérimentation de solutions innovantes de dépollution in situ » de l’Appel à Manifestation d’Intérêt « Solutions innovantes de dépollution et de valorisation des sites et des sédiments » de l’ADEME. Il est ciblé sur les techniques de décontamination des eaux souterraines polluées par les composés organiques halogénés volatils et en particulier les solvants chlorés. L’un des intérêts majeurs du projet est de tester des techniques de caractérisation et de remédiation in situ novatrices Le Laboratoire Chrono-Environnement est intervenu dans le projet SILPHES pour la caractérisation par phytoscreening [1], de l’étendue de la pollution. Il a notamment fourni son expertise en ce qui concerne le diagnostic environnemental à partir de moniteurs biologiques.


Matériels et méthodes L’usine INOVYN, Tavaux (39), crée en 19930, est une plate-forme chimique parmi les plus importantes de France. Elle s’étend sur près de 200 ha sur les communes de Tavaux, Damparis et Abergement-La-Ronce. L’entreprise est située dans un secteur délimité au Sud par la route nationale 73, au Nord par l’autoroute A36, et à l’Est par l’autoroute A39, entre le Doubs et la Saône, et le long du canal du Rhône au Rhin. Le phytoscreening a été déployé sur l’ensemble du secteur concerné par la contamination des eaux souterraines, toutefois, les premiers résultats ont suggéré de s’intéresser préférentiellement au secteur source où des concentrations notables en chloroéthènes peuvent être mesurées dans les arbres. Les arbres ayant naturellement colonisés cette zone d'environ 2 ha appartiennent aux genres Betula, Carpinus, Fraxinus, Populus, Prunus, Quercus, Robinia, Salix et Ulmus. Le phytoscreening repose sur l’échantillonnage de micro-carottes de bois, au niveau de la partie externe du tronc. L’échantillonnage consiste à prélever les tissus conducteurs de l’arbre, c'est-à-dire, le cambium, le liber ainsi qu’une partie de l’aubier [2]. Les concentrations en TCE et PCE des échantillons ont été déterminées à l’aide d’un chromatographe en phase gazeuse Agilent 7890 GC équipé d'un MSD spectromètre de masse quadripolaire 5975C (Agilent) et un MPS Gerstel (Multipurpose Sampleur), muni d’une fibre SPME 85 µm Carboxen / polydiméthylsiloxane (PDMS) (SUPELCO). Dès réception au laboratoire le jour du prélèvement, les échantillons ont été stockés pendant 12 h à température ambiante (20°C) afin que l’équilibre entre la matrice à analyser et l’atmosphère du tube puisse se créer. Avant les analyses, les fibres SPME ont été conditionnées à l’intérieur du port d'injection du chromatographe gazeux, via une exposition à 280 ° C pendant 30 min. Résultats et discussion Pour cette étude préliminaire, 85 arbres issus de 11 essences forestières, ayant naturellement colonisés la zone expérimentale ont été échantillonnés en juillet et en octobre 2015 (Fig. 1). Le nombre d’individus pour chaque genre varie entre 1 et 15. Bien que les arbres proviennent d'une zone peu étendue, avec une pollution de la nappe phréatique (variant entre 3 et 9 mg/l de CE), des concentrations en CE significativement différentes ont été mesurées dans les essences forestière, ce qui suggère une importante variabilité inter-spécifique.

Figure 1 : Moyenne des CE détectés dans des échantillons de bois provenant de 11 espèces ligneuses présentent dans la parcelle N67. Un test de Kruskal-Wallis a permis la mise en évidence de deux groupes. Un test de rang a permis de les classer selon les lettres a-b-c-d-e.. Dans le secteur investigué ensuite (DNAPL), les résultats des arbres situés juste au-dessus du DNAPL et ceux se trouvant en périphérie apparaissent particulièrement contrastés. En effet, une concentration de 3000 µg/L de CE a été mesurée dans un peuplier situé au cœur de cette zone source, alors que les arbres périphériques, situés à moins de 100 m en amont, présentent des teneurs nulles. De plus, les arbres situés à l’aplomb de la source absorbent et stock davantage de composés. En effet, les Salicaceae de la zone expérimentale, présentent une concentration moyenne en CE de 90 µg/L alors que ceux situés sur la source ont une moyenne supérieure à 400 µg/L. Dans le cas de la zone expérimentale, les CE dissous migrent horizontalement par le biais des eaux souterraines et des pores du sol, à partir des bassins de décantation.


Au contraire, les composés en phase pure apparaissent comme une source de pollution verticale, affectant directement les arbres à l’aplomb. Les arbres sont donc en mesure d’absorber ces composés volatiles, migrant verticalement à travers les espaces interstitiels de la matrice du sol, jusqu’à atteindre les horizons rhizosphériques. Ce travail a fait l’objet d’une publication [3]. Conclusions et perspectives SILPHES a permis de mieux comprendre la réponse des arbres à une pollution au travers une phase d’optimisation de la technique. A partir d’une parcelle forestière de petite dimension (2 ha), bien documentée, nous avons pu appréhender les facteurs clés pour la mise en œuvre des méthodes du phytoscreening et notamment

o Les caractéristiques des arbres échantillonnés (espèce, état physiologique, âge) ; o la période et les conditions climatiques lors de l’échantillonnage ; o la nature des horizons superficiels du sol.

A l’issue de ce projet, le phytoscreening nous apparaît comme un outil de pré-diagnostic des pollutions aux CEs particulièrement efficace sous certaines conditions. En effet, la technique s’est révélée tout à fait adaptée à l’étude des secteurs source tandis qu’elle s’est révélée inadaptée à l’étude du panache de contaminants en raison des concentrations très faibles retrouvées dans les arbres. Nous proposons à l’avenir de développer un protocole simplifié, à mettre en place sur les sites sur lesquels les espèces souhaitées (voir fig. 1) ne seraient pas présentes. Il serait basé sur

- l’utilisation de boutures de peupliers (de taille et d’âge homogènes), d’un coût limité (< 0,5 €/ bouture) : l’optimisation pourrait porter sur la sélection du meilleur cultivar ;

- leur implantation sur un site à diagnostiquer en fin d’hiver (février-mars), et pour une durée déterminée (une saison de croissance au minimum) : il s’agirait de déterminer la durée minimale d’exposition permettant de mesurer un signal dans les échantillons de bois ;

- la mesure des teneurs en chlorés sur les tissus pérennes : il restera à optimiser la fréquence des prélèvements et leur répétabilité ;

Références

[1] Balouet, C., Chalot, M. (2015). Etude réalisée pour le compte de l’ADEME (1072C0020), 72 p. https://dendroremediation.univ-fcomte.fr/spip.php?article282

[2] Balouet, J.C., Burken, J.G., Karg, F., Vroblesky, D., Smith, K.T., Grudd, H., Rindby, A., Beaujard, F., and Chalot, M. (2012). Dendrochemistry of Multiple Releases of Chlorinated Solvents at a Former Industrial Site. Environ. Sci. Technol. 46, 9541–9547. [3] Jung, L., Limmer, M., Cazaux, D., Chalot, M (2017). Phytoscreening as an efficient tool to delineate chlorinated solvent sources at a chlor-alkali facility. Chemosphere: 174, 82-89 [3.7] doi.org/10.1016/j.chemosphere.2017.01.112 Remerciements Ces travaux ont été financés par l’ADEME dans le cadre du projet SILPHES (Solutions Innovantes de Lutte contre les Produits Halogénés dans les Eaux Souterraines) s’inscrivant dans le programme Investissements d’Avenir.


Utilisation conjointe des méthodes géophysiques, de caractérisation de gaz du sol et isotopiques pour l’identification de

sources de pollution Clément ZORNIG1, Stéfan COLOMBANO1, Jacques DEPARIS1, Michaëla BLESSING1, Benjamin FRANCOIS1, Jean-Christophe GOURRY1, Geoffrey BOISSARD1, Benjamin DOUCHE1, Nicolas

PHILIPPE1,2,3, Fabien LION1

1 : Bureau de Recherches Géologiques et Minières (BRGM), 3 Avenue Claude Guillemin, 45100 Orléans, [email protected] ; [email protected] 2 : REMEA, 22-24 rue Lavoisier, 92000 Nanterre 3 : Institut de Mécanique des Fluides de Toulouse (IMFT), Université de Toulouse, CNRS, 31400 Toulouse * contact : Clément ZORNIG [email protected] Résumé La caractérisation des différents milieux, des sources de pollution et leurs panaches est une étape clé dans la gestion d’un site pollué. Dans le cadre du projet BIOXYVAL, une approche graduée de diagnostic a été mise en œuvre pour optimiser cette étape en proposant une combinaison de technologies. Elle repose notamment sur (1) l’utilisation de méthodes d’auscultation de terrain à grand rendement (géophysique; analyse de gaz du sol) pour d’optimiser le nombre et l’implantation des sondages et sur le recours et sur (2) la caractérisation isotopique pour identifier les sources de pollution et évaluer l’état de dégradation des polluants dans le panache. Cette approche combinée et graduée des différentes méthodes a démontré son intérêt en mettant notamment en évidence des zones d’intérêt, des valeurs δ13C mesurées dans la zone source du site cohérente et comparable aux valeurs observés dans des contextes similaires et l’absence de biodégradation naturelle sur ce site. Introduction Les travaux présentés s’inscrivent dans le cadre du projet BIOXYVAL. L’objectif de ce projet est de construire une filière par l’assemblage de technologies émergentes interconnectées afin d’amener des solutions de gestion intégrées de grandes friches industrielles à pollutions complexes dominées par les composés organiques. La caractérisation des différents milieux, des sources de pollution et leurs panaches est une étape clé dans la gestion d’un site pollué. En effet, le retour d’expériences montre que les couts financiers des opérations de dépollution dans leur globalité sont mieux maitrisés lorsque la connaissance de la problématique apportée par la réalisation des études est détaillée [1]. La complexité des grandes friches industrielles réside généralement à la fois dans la nature, la diversité et la quantité des polluants présents ainsi que la superficie importante des sites d’étude. Ceci implique par conséquent des moyens importants pour les diagnostiquer. Plusieurs auteurs ont montré l’impact de la pollution sur les paramètres physiques du sol qui sont mesurés via des méthodes géophysiques (par exemple, [2, 3]). La méthodologie mise en œuvre dans le cadre de ce projet vise à optimiser cette phase de diagnostic en proposant une combinaison de technologies dans l’objectif d’acquérir une meilleure connaissance et compréhension du site de grande étendue tout en maitrisant les couts. Cette approche graduée repose notamment sur (1) l’utilisation de méthodes d’auscultation de terrain à grand rendement (géophysique; analyse de gaz du sol) pour d’optimiser le nombre et l’implantation des sondages et sur le recours et sur (2) la caractérisation isotopique pour identifier les sources de pollution et évaluer l’état de dégradation des polluants dans le panache. Matériel et méthodes Le travail réalisé dans le cadre de cette étude est décrit dans les points suivant :

Une étude historique du site à partir de photo aérienne et des documents historiques permettant d’affiner la connaissance du site (notamment localisation et nature des potentielles sources de pollution) ;


Une phase de pré-diagnostic dont l’objectif est de définir la géométrie des sources et du panache de polluants, ce qui permettra d’optimiser le nombre et la localisation des sondages et d’équipements ; Cette phase couple les résultats de l’analyse de gaz du sol et de géophysique électrique [4, 5].

Une phase de diagnostic intégrant les mesures isotopiques. L’implantation des équipements nécessaires à la réalisation de cette phase et les résultats des mesures permettent de valider le prédiagnostic.

1. Méthodes géophysiques

Les investigations géophysiques ont consisté à la mise en oeuvre de techniques de grand rendement (magnétisme, électromagnétisme et polarisation spontanée) afin de cartographier la zone et des méthodes géophysiques à plus faible rendement permettant de préciser la profondeur des polluants éventuels :

méthodes basse fréquence en champ proche (type EM31, EM34) permettant l'acquisition, sans contact avec le sol, de données de conductivité électrique dont les signaux sont dépendant notamment des hétérogénéités du proche sous-sol. L’EM31 a une profondeur d’investigation de l’ordre de 5 m alors que l’EM34 permet de sonder le sol jusqu’à 20 mètres de profondeur,

méthodes de polarisation spontanée (PS) permet de mesurer le champ électrique naturel. La présence de source pollué peut, dans certain cas, générer des fronts Redox qui pourront être mis en évidence à l’aide de la PS [6].

méthodes de tomographies électriques permettant de reconstituer un bloc de résistivité et de chargeabilité en trois dimensions. La corrélation entre les zones polluées et les valeurs de résistivité permet de cartographier les zones ou des indices physique de pollution sont visible.

2. Méthodes d’échantillonnage des gaz du sol

Le recours à ce type d’investigations dans un contexte SSP est devenu quasi-systématique puisqu’il permet de répondre à de multiples objectifs [7, 8]. Dans le cas présent, cette technique est mise en œuvre pour la recherche, délimitation et suivi de l’évolution d’une source ou d’un impact de polluant volatil en zones non saturée et saturée. Les gaz du sol ont été prélevés au moyen de cannes gaz dotées d’une pointe perdue [7] et caractérisés par des mesures semi-quantitatives des gaz (PID, CH4, Total Petroleum, CO2, O2) et échantillonnés par adsorption des composés volatiles sur un support adapté.

3. Mesures isotopiques L’approche isotopique par l’analyse des isotopes stables des composés organiques individuels (la CSIA - compound-specific isotope analysis) propose un moyen novateur permettant de savoir si une baisse de la concentration en polluants est causée par un simple processus de dilution ou s’il s’agit réellement d’une perte nette des polluants par dégradation. Les rapports isotopiques des molécules organiques se modifient différemment on fonction de transport et de transformation [9, 10]. Des échantillons d’eau souterraine en vue d’analyses isotopiques ont été prélevés et fait l’objet d’analyses isotopiques (δ13C et δD) des composés organiques volatils par chromatographie en phase gazeuse couplée à la spectrométrie de masse isotopique en flux continu (GC-C/TC-IRMS). Résultats et discussion La Figure 1 synthétise les données issues de l’étude historique, des investigations de géophysique et de gaz du sol. Cette figure montre le résultat de l’interpolation entre les lignes électriques de la polarisation induite normalisée par la résistivité à 4m de profondeur et les courbes d’iso concentration de gaz du sol. Les corrélations entre les zones potentiellement polluées et les tomographies électriques ont montrées que les zones polluées ont potentiellement une forte chargeabilité normalisé. A partir de ce résultat, il a été possible de réaliser une délimitation des zones potentiellement pollué à partir du signal géophysique (limite rouge sur la Figure 1). Le recoupement des analyses historiques, géophysiques et des gaz des sols mettent en lumière deux zones pollués : i. Nord et Centre Ouest et ii. Sud-Ouest. Une partie de ces zones polluées est située en dehors de la limite de la zone d’étude (notamment le panache de la pollution Nord et Centre Ouest).


Sur la base de ces résultats et notamment la mise en lumière des deux zones d’intérêt, le site a été équipée de piézomètres complémentaires afin de caractériser les sols et eaux souterraines en vue de réalisation notamment de mesures isotopiques. Les résultats des mesures isotopiques montrent que les valeurs δ13C mesurées dans la zone source du site est cohérente et comparable aux valeurs observés dans des contextes similaires [11, 12]. Sur la base de ces mêmes valeurs, aucun élément fournit de preuve tangible pour une biodégradation naturelle sur ce site.

Figure 1 : Synthèse des résultats de géophysique et de gaz du sol Conclusions et perspectives L’approche combinée et graduée des différentes méthodes a démontré son intérêt. Les données acquises lors du prédiagnostic avec des méthodes à large spectre combinés aux résultats de caractérisation des gaz du sol ont permis d’obtenir une vision globale rencontrée sur le site avec l’identification de deux zones d’intérêt. Ces éléments ont facilité la définition du nombre et la localisation des ouvrages à caractériser nécessaires à la réalisation des mesures isotopiques. Les résultats isotopiques dans la zone source du site sont cohérents et comparables aux valeurs observés dans des contextes similaires et ne mettent pas en évidence de biodégradation naturelle sur ce site. Les résultats obtenus peuvent être considérés comme valeurs initiaux qui représentent l’état du site avant traitement. La combinaison de ces méthodes et notamment les analyses isotopiques des composés organiques peuvent servir à contrôler l’efficacité du traitement sur le site : une diminution des anomalies géophysiques, des concentrations mesurées dans les gaz du sol et une évolution des compositions isotopiques vers des valeurs plus enrichies en 13C constitueraient des preuves solides des processus de dégradation in situ et donc de l’efficacité des processus de dégradation mis en œuvre dans les phases ultérieures du projet. Références

[1] Château, L., Milton, Y., Petit, S, Pauget, B., Challaye, C, (2018). La reconversion des friches polluées au service du renouvellement urbain : enseignements technico-économiques - Bilan des opérations aidées dans le cadre du dispositif ADEME d’aide aux travaux de dépollution pour la reconversion des friches polluées (période 2010-2016), Tech. rep., ADEME, MODAAL Conseil et TESORA.


[2] Ajo‐Franklin, J. B., Geller, J. T., & Harris, J. M. (2004). The dielectric properties of granular media saturated with DNAPL/water mixtures. Geophysical Research Letters, 31(17).

[3] Noel, C., Gourry, J. C., Deparis, J., Blessing, M., Ignatiadis, I., & Guimbaud, C. (2016). Combining geoelectrical measurements and CO2 analyses to monitor the enhanced bioremediation of hydrocarbon-contaminated soils: a field implementation. Applied and Environmental Soil Science.

[4] Bour O., Saada A., Hulot C., Hazebrouck B., (2013) : Mode Opératoire - Apports et limitations de l’analyse des gaz du sol. Projet ATTENA – Phase 2. Rapport final ADEME, Juin 2013, Angers. 85 p., 24 fig., 4 ann. Disponible sous forme pdf à partir de http://ssp-infoterre.brgm.fr/guides-attena

[5] Gourry, J.C., Naudet V., Mathieu F. Saada, A., Blondel A. (2013) : Apports et limitations des méthodes géophysiques dans le cadre de la démonstration de l’atténuation naturelle Projet ATTENA – PHASE 2. Rapport final ADEME, Juin 2013, Angers. 108 p., 58 fig., 4 ann. Disponible sous forme pdf à partir de http://ssp-infoterre.brgm.fr/guides-attena

[6] Naudet, V. (2004). Les méthodes de résistivité électrique et de potentiel spontané appliquées aux sites contaminés (Doctoral dissertation, Université de droit, d'économie et des sciences-Aix-Marseille III).

[7] Aubert, N., Lethielleux, L. (2016) Guide pratique pour la caractérisation des gaz du sol et de l’air intérieur en lien avec une pollution des sols et/ou des eaux souterraines, Tech. rep., BRGM, INERIS

[8] MTES (2017). « Méthodologie nationale de gestion des sites et sols pollués.» Tech. rep., MTES.

[9] Schmidt, T.C., Zwank, L., Elsner, M., Berg, M., Meckenstock, R.U., Haderlein, S.B., (2004) Compound-specific stable isotope analysis of organic contaminants in natural environments: a critical review of the state of the art, prospects, and future challenges. Analytical and Bioanalytical Chemistry, 378(2), 283-300.

[10] Meckenstock, R.U., Morasch, B., Griebler, C., Richnow, H.H., (2004) Stable isotope fractionation analysis as a tool to monitor biodegradation in contaminated acquifers. Journal of Contaminant Hydrology, 75(3-4), 215-255.

[11] Griebler, C., Safinowski, M., Vieth, A., Richnow, H.H., Meckenstock, R.U., (2004) Combined application of stable carbon isotope analysis and specific metabolites determination for assessing in situ degradation of aromatic hydrocarbons in a tar oil-contaminated aquifer. Environmental Science & Technology, 38(2), 617-631.

[12] Blessing M., Saada A. (2013) : Guide Méthodologique pour l’Utilisation des Approches Isotopiques dans le Cadre de la Démonstration d’Atténuation Naturelle. Projet ATTENA – Phase 2. Rapport final ADEME, Juin 2013, Angers. 64 p., 21 fig., 2 ann. Disponible sous forme pdf à partir de http://ssp-infoterre.brgm.fr/guides-attena

Remerciements Les auteurs tiennent à remercier l’ADEME pour le financement d’une partie du projet dans le cadre du programme Investissements d’Avenir ainsi que l’ensemble des partenaires du projet BIOXYVAL. Nous remercions également le BRGM pour son soutien financier pour la réalisation de ces travaux.


Diagnostic de pollution plus précis et plus rapide : SCAN 360°

Priscillia SEMAOUNE1, Kévin COIN1, Gael PLASSART1*

1 : Pôle R&D, ENVISOL, 2-4 rue Hector Berlioz 38300 La Tour du Pin, [email protected]

* contact : identification du contact en cas de question sur les travaux présentés Résumé Les méthodes actuelles d’investigations sont longues et coûteuses en raison des besoins analytiques en laboratoire et des phases terrain itératives. Ces inconvénients encouragent des pratiques défavorables à l’obtention d’une caractérisation précises des pollutions (manque de données, interprétation empirique des données, multiplication des bureaux d’étude, caractérisation sur plusieurs années, mesures de gestion non maitrisées). Les méthodes d’acquisition des données, de mesures, de traitement des données ont été repensés pour créer une solution innovante de diagnostic des pollutions plus précise et plus rapide. SCAN_360 repose sur 3 piliers :

Une ACQUISITION NUMERIQUE des données La mise en œuvre de MESURES SUR SITE Un traitement STATISTIQUE ET GEOSPATIALISE des données

Introduction Notre domaine d’activité est relativement récent avec notamment une structuration au milieu des années 1990 et il est en perpétuelle évolution depuis lors. Les pistes d’amélioration sont nombreuses et c’est ce qui a motivé la création d’Envisol, innover pour améliorer la qualité de service vis à vis de nos clients. En parallèle, à l’instar d’autres domaine d’activité, une révolution numérique est à mener à bien.

SCAN 360° est le diagnostic du futur. C’est une autre façon d’appréhender le diagnostic. Afin d’éviter les itérations de diagnostic, SCAN 360° permet en une seule phase d’investigation l’acquisition de données nécessaire à traiter les problématiques (dimensionnement de pollution, transformation d’une friche). Les méthodes d’acquisitions et de traitement des données ont été repensées pour créer une solution innovante de diagnostic des pollutions plus précise et plus rapide. La méthodologie scan 360° repose sur 3 piliers : le laboratoire mobile, l’acquisition numérique des données et le traitement et visualisation des données.

Acquisition numérique des données Il a été développé plusieurs outils pour répondre à l’ensemble des besoins.

Une prestation drone qui nous permet la réalisation d’une maquette 3 D entière géoréférencé du site pour une meilleure visualisation des données par la suite ;

Une application terrain qui permet de recueillir l’ensemble des données sur site et de géoréférencée l’ensembles des informations (ouvrages, installations, activités).

Le laboratoire mobile La donnée est souvent le point limitant de nos diagnostics qui nous contrains sur l’utilisation d’outils innovant d’interprétation, qui ont vu le jour ces dernières décennies et qui ont fait leurs preuves dans d’autre domaines (miniers météorologiques etc…). L’augmentation du nombre de données nous permet d’accéder à des outils puissants de statistiques et de prédictions. Envisol s’est équipé d’un laboratoire mobile muni d’appareil d’analyse portatifs (spectromètre infrarouge, spectromètres à fluorescence X, micro-GC) qui permettent l’analyse en temps réel des polluants. Un travail méthodologique a été réalisé pour optimiser le temps passé sur site avec une précision des données obtenues cohérente sur le terrain. Le laboratoire sur site nous permet de multiplier l’analyse, nous travaillons sur des jeux de données de 300-600 mesures. Les mesures sur site nous permettent une réactivité sur site, de repositionner des ouvrages pour être plus pertinent et de dimensionner en temps réel des sources de pollution. Traitement et visualisation des données Toutes les données recueillies sont géospatialisées et peuvent être traitées par un ensemble de méthodes de modélisation de la répartition spatiale de la pollution. Ceci permet une intégration rationnelle des données issues du laboratoire avec les données issues des mesures sur site tout en y associant une incertitude


d’estimation. Cette méthode nous apporte des quantifications de volumes de terres contaminées et des masses en polluants.

Il est dommage de s’arrêter à la spatialisation des polluants, sans pouvoir l’intégrer dans l’ensemble des outils de gestion des sites et sols pollués. C’est pourquoi le logiciel de calcul et de cartographie des risques sanitaires a été créé. Une application web a également été créé permettant la digitalisation du rapport d’analyse : les données spatialisation sont visualisées sur la maquette 3D du site pour une meilleure compréhension. Matériel et méthodes La solution scan 360° a déjà été expérimentée sur quelques friches industrielles. Un cas d’étude est présenté : il s’agit d’une friche ayant accueilli une activité de fabrication de compresseurs hermétiques et de groupes compresseurs/condenseurs. Le site de 62000 m2 (comprenant 32000 m2 de bâtiments) est localisé en plein centre-ville. Depuis une dizaine d’années, plusieurs études antérieures ont été réalisées sur le site et ont mis en évidence des impacts dans les sols, les eaux souterraines et les gaz du sol par des Composés Organiques Halogénés Volatils (COHV), sans réussir à circonscrire précisément les impacts.

L’objectif de la mission réalisée par Envisol était de dimensionner les sources de pollution en COHV, par le biais de la réalisation d’investigations dans les milieux sol, eaux souterraines et gaz du sol. Les données collectées devaient permettre de réaliser un dimensionnement précis, de fixer des seuils de coupure, de proposer et chiffrer des techniques de dépollution. Les propositions devaient être, d’un point de vue financier et sanitaire, en adéquation avec le futur usage sensible. Compte tenu de l’importance du projet, les données collectées devaient permettre de répondre à n’importe quelle modification du projet futur sans mise en œuvre de diagnostic supplémentaire.

Deux verrous majeurs étaient à lever pour répondre aux objectifs de la mission :

Les sources de pollution concernaient des pollutions volatiles. Techniquement, les investigations de sols seules n’ont pu répondre aux objectifs. Les données ne semblaient pas assez cohérentes pour une délimitation précise des sources de pollution ;

Les données devaient être nombreuses pour réaliser un bilan massique couplé à une étude géostatistique. La réalisation uniquement d’analyses au laboratoire n’était financièrement pas envisageable.

Afin de lever l’ensemble des verrous, Envisol a déployé sa solution SCAN 360. Compte tenu du caractère volatil des COHV, la stratégie d’investigation a été principalement axée sur les gaz du sol. Dans un 1er temps, des sondages suivant un maillage serré ont été réalisés autour des 4 zones identifiées pour délimiter les hot spots. Ensuite, des sondages complémentaires ont été réalisés sur le reste du site afin de fournir les données nécessaires à la modélisation et couvrir l’ensemble du futur projet d’aménagement ainsi que la partie est du site. Le laboratoire a été muni d’une µG/MS, appareil de laboratoire permettant le dosage spécifique des COV (composés organiques volatils) dans les gaz du sol. Entre 30 et 35 analyses sont réalisées par jour d’intervention. En fonction des résultats obtenus sur site, certains sondages ont été équipés en piézairs dans les règles de l’art pour compléter le jeu de données destiné au calcul des risques sanitaires.

Résultats et discussion Au total, 690 mesures sur site ont été réalisées sur 8 jours de chantier. Le tableau 1 synthétise l’ensembles des investigations menées sur le site.


Tableau 1. Etude de cas scan 360 : investigations menées

Le coefficient de corrélation entre les mesures sur site µGC/MS et les analyses laboratoires est supérieur à 0,9 pour l’ensemble des composés. Les deux jeux de données ont donc été utilisés pour la modélisation géostatistique.

Pour l’estimation des volumes, la méthode d’estimation retenue pour la cartographie des gaz du sol est une simulation conditionnelle de type « Turning Bands ». L’outil géostatistique a été associé à un bilan de masse et la méthode Pareto pour fixer un seuil de coupure.

Figure 1. Courbes à hystérésis et distribution des volumes et masses pour les différentes gammes

de concentration mesurées en somme de COHV

Le seuil de coupure proposé dans la suite est de 20 mg/m3 : ce seuil de coupure permet de traiter 90% de la masse totale de polluants, contenus dans 26% du volume total de terre. Pour un seuil de dépollution à 20 mg/m3 en COHV totaux, le volume de sol à traiter est de 47 775 m3 pour une surface de 10 625 m2 correspondant à un volume de gaz du sol à traiter de 16 836 m3.

Investigations Réalisés en avril 2018

Sondages 71

Piézairs 16

Piézomètres 4

Données sols

Analyses laboratoires 64

Mesures PID 258

Mesures XRF 179

Mesures Remscan 154

Données gaz du sol

Analyses laboratoire 43

Mesures µGC/MS sur site 99

Gamme de concentration (mg/m3)


Figure 2. Cartographe du panache de COHV dans les gaz du sol et Carte de probabilités supérieures

à 40 % de dépassement du seuil de 20 mg/m3 en COHV totaux.

Les données de spatialisation des pollutions ont pu être intégrées à l’étude de risque sanitaire grâce au logiciel Envirisk®. Cette spatialisation des risques a permis :

- L’étude de plusieurs projets d’aménagements ; - Une quantification des incertitudes liées aux calculs des risques sanitaires ; - L’optimisation des mesures de gestion ; - Une communication facilitée entre la DREAL, le propriétaire et le promoteur immobilier.

Somme COHV

Zone 3 Zone 2

Zone 4

Zone 1


Figure 3. Carte d’aménagement et cartographie des risques – logiciel ENVIRISK®

Conclusions et perspectives La solution SCAN 360° a permis l’acquisition de données exhaustives qui permettent d’envisager et de répondre à tous les usages possibles sans avoir besoin d’y retourner.

Afin de répondre à toutes les problématiques, le pôle R&D d’ENVISOL mène de nombreux travaux pour continuer le développement de mesures sur site. Remerciements Remerciement aux équipes ENVISOL qui ont participé au projet, notamment à Johnny Abi Safi, Ludivine Barillot, Anne-Catherine Dubois, Mariangela Donati, Antoine Heude et Anne-Gaëlle Dazzi.


Développement et Intégration d’un outil de traitement géostatistique dans un analyseur LIBS portable

(projet ESOPOL)

Karine MICHEL1*, Delphine BRUYERE1, Valérie LAPERCHE1, Thomas DEMONGIN2, Thibaut HEIMERMANN2, Marc DUPAYRAT3, Alain GEC3, Joel LECHEVALIER3

1 : BRGM, 3 avenue Claude Guillemin, 45060 Orléans, [email protected] 2 : ESTIMAGES, 5 Villa de Lourcine, 75014 Paris, [email protected]

3 : QUANTUM RX, Espace Technologique, 9110 Saint Aubin, [email protected]

* contact : identification du contact en cas de question sur les travaux présentés Résumé Actuellement, l’acquisition, l’interprétation et la gestion de données dans le cadre des sites et sols pollués est une vraie problématique. La communauté scientifique porte donc un grand intérêt aux outils de mesures ainsi qu’aux aides à l’interprétation de ces données. En effet, lors une campagne de mesures, les données obtenues sont ponctuelles ; or pour une bonne évaluation de la pollution des sols, il est important de pouvoir représenter spatialement toutes ces données. Les outils géostatistiques peuvent très bien répondre à cette problématique. Le projet ESOPOL s’inscrit directement dans cette thématique. Il a pour objectif d'intégrer un module géostatistique au logiciel interne d'un appareil portable LIBS. Il sera ainsi possible d’établir une cartographie semi-quantitative des polluants en temps réel sur le site au fur et à mesure de l'acquisition des mesures. Les cartes obtenues en quasi temps réel permettraient ainsi à l'opérateur de resserrer ou dilater le maillage des mesures en temps réel afin d'affiner la cartographie. L’intégration d’un tel outil de traitement dans un analyseur de terrain permettra d’orienter au mieux les opérations de diagnostiques de sites pollués. En effet, actuellement, l’expertise d’un site pollué est réalisée à partir d'échantillons prélevés puis analysés ultérieurement en laboratoire. L'échantillonnage, intrinsèquement subjectif, est élaboré à partir de documents d'archives décrivant les différentes activités industrielles passées (lorsqu'ils sont disponibles), et/ou à partir d'analyses ponctuelles réalisées sur site avec un instrument pXRF portable. Ainsi, l’objectif du projet ESOPOL n’est pas de proposer un analyseur pouvant se substituer aux dispositifs de laboratoire mais d’orienter au mieux les opérations d’échantillonnage afin de limiter le nombre d’échantillons à analyser en laboratoire et donc les coûts et les délais de ces analyses. Le projet ESOPOL est un projet collaboratif porté par le BRGM en partenariat avec les sociétés ESTIMAGES et QUANTUM RX financé par l’ADEME. Il a pour objectif d’intégrer un module de traitement géostatistique dans un analyseur de terrain. Cet analyseur, basé sur la technologie LIBS, permet de réaliser directement sur site des analyses ponctuelles pour les éléments traces métalliques (ETM). Le développement et l’intégration d’un outil géostatistique dans cet analyseur de terrain permettra de cartographier les pollutions en temps réel, facilitant ainsi la recherche des sources de pollution et la prise de décision des actions de remédiation/dépollution. Introduction Les diagnostics de pollution des sols s'appuient sur des mesures sur site des concentrations en ETM par deux techniques multi-élémentaires : la fluorescence X portable (pXRF) et la spectroscopie sur plasma induit par laser (LIBS). La pXRF bénéficie de plus de 20 ans de développement et application à l'étude des sols pollués, et ses intérêts et limitations sont désormais connus. En revanche, le développement de la LIBS à l'analyse des sols est plus récent et son potentiel, lié à sa complémentarité avec la pXRF, est largement reconnu par la communauté scientifique. Le projet ESOPOL s’inscrit dans la continuité de ces développements et constitue une nouvelle étape de transfert technologique visant une application plus opérationnelle en intégrant à cet analyseur portable un outil de traitement géostatistique qui permettra de réaliser la cartographie des polluants en temps réel sur le terrain. Cette cartographie en temps réel effectuée avec l’analyseur LIBS permettra le diagnostic initial d'un site mais également le suivi d'opérations de dépollutions. Il est essentiel de disposer d’outils de mesures des ETM dans les sols permettant d’obtenir des informations qualitatives (pour la cartographie des pollutions et la recherche des sources) et quantitatives afin de réaliser


le diagnostic de sites historiquement pollués en vue de leur surveillance et de leur réhabilitation de manière adaptée ou encore de surveiller des sites proches d'émissions potentiellement polluantes (industrie, agriculture, axes routiers…). Le fait de disposer d'instruments de mesure sur site réduit de manière conséquente les délais d’obtention des résultats et favorise une décision rapide des moyens de remédiation/dépollution à mettre en œuvre. Matériel et méthodes La technologie actuellement utilisée, la fluorescence X portable (pXRF), ne répond que partiellement à cette demande (effets de matrice complexes dans le cas des sols, teneur en eau, limites de détection trop élevées pour certains éléments ou encore impossibilité de doser les éléments légers < Mg…). S'inscrivant dans l'application aux diagnostics de sols pollués par ETM, l'analyseur LIBS vise à proposer un instrument de mesure multiélémentaire, non destructif, rapide et peu couteux, qui constitue un véritable outil d'aide à la décision. C’est dans ce contexte que la technique LIBS est étudiée pour l’analyse de sols pollués. Une complémentarité avec la pXRF s'imagine aisément lorsque l'on compare les seuils de détection pour les ETM dans les sols, l'avantage allant tantôt à l'une ou à l'autre de ces deux techniques. Mais il convient également de comparer justesse, précision, incertitude et répétabilité des mesures ainsi que les biais propres à chaque technique. Le potentiel de la LIBS pour les applications géochimiques est largement reconnu car les instruments de terrain récemment développés sont simples, compacts, peu coûteux et permettent l'acquisition rapide de mesures multiélémentaires sur site [1,2,3,4,5]. Le principe de la LIBS consiste à focaliser un laser impulsionnel à la surface d’un matériau. L’apport bref et localisé d’une énergie importante engendre la création d’un plasma de composition similaire à celle de l’échantillon et la lumière émise par ce plasma est collectée par un dispositif optique et injectée dans un spectromètre où elle est décomposée en un spectre de raies dans la gamme UV-visible jusqu’au proche infrarouge (200-800 nm). En 2008, l’équipe française du LOMA et le BRGM ont mis en œuvre un système d’analyse LIBS transportable permettant de réaliser des analyses semi-quantitative de Fe, Cu, Pb (projet SOLSTICE) [5]. Le développement de la LIBS pourrait permettre de palier à certains biais de la pXRF et faire de ces deux instruments des techniques complémentaires de terrain. Ces deux techniques sont soumises à des effets physiques de la matrice, des protocoles de préparation d'échantillons et de mesures sur site similaires (tamisage, homogénéisation et pastillage). Dans les deux cas, ce sont les effets chimiques de la matrice qui compliquent le traitement du signal. La justesse des mesures pXRF est satisfaisante pour Pb, Cu, Fe et Mn et relativement bonne pour Zn; tandis que la LIBS constitue plutôt une technique semi-quantitative. De récents développements de la LIBS fournissent des résultats satisfaisants pour le Pb et relativement prometteurs pour Al, Cu, Fe et Zn. Des résultats prometteurs ont été notamment obtenus par l'approche multi-ANN analysant la matrice et appliquant un ANN dédié à chaque type de matrice. Une différence majeure se situe dans les seuils de détection plus faibles de la LIBS pour Ba, Ti (< 1 mg/kg), Cr, Mn, Ni et V ainsi que l'accès aux éléments légers (Li, Be, B) qui ne peuvent être analysés par pXRF. Les futurs développements de la LIBS sont à considérer avec intérêt s'ils permettent de doser des éléments problématiques pour la pXRF, tels que le Co qui ne peut être mesuré en raison de la présence de Fe en abondance dans les sols. Le but du projet ESOPOL est de proposer un analyseur LIBS de terrain intégrant un module de cartographie semi-quantitative des polluants métalliques. Le projet ESOPOL se focalise sur 8 ETM : Pb, Cd, Cr, Cu, Fe, Mn, Ni et Zn. Le programme du projet se découpe en 3 phases :

1. L'intégration de modules multi-ANN optimisés pour améliorer la justesse des mesures de l'appareil portable existant par IVEA puis l’adaptation et l’amélioration d’un appareil LIBS par Quantum RX (ayant intégré la projet suite à la liquidation judiciaire de la société IVEA)

2. Le développement et l'intégration d'un module géostatistique visant à cartographier les polluants, avec test sur site(s) connu(s)

3. Une phase de tests en conditions réelles et prise en compte des retours d'expérience pour optimiser le système.

Résultats et discussion Phase 1 - Intégration de modules multi-ANN puis mise au point d’un appareil par Quantum RX Les récents travaux réalisés dans le cadre de la thèse de J. EL HADDAD depuis la fin du projet CALIPSO ont mis en évidence qu’une amélioration conséquente de la justesse des résultats quantitatifs donnés est obtenue


en combinant des ANN en cascade lorsque différents ANN doivent être appliqués en fonction du type de sols ou de la gamme de concentration. Cette démarche a permis de réduire l'erreur de prédiction des teneurs en Pb à moins de 20% (El Haddad et al., 2014) [6]. Dans le cadre du projet ESOPOL, afin de fiabiliser la justesse des résultats quantitatifs obtenus sur le terrain avec l’analyseur EasyLIBS, un algorithme multi-élémentaire a été intégré dans le logiciel AnaLIBS. Le logiciel AnaLIBS de l’analyseur de terrain intègre à ce jour la brique élémentaire d’ANN (algorithme ANN développé par le LOMA dans le cadre du projet CALIPSO), il s'agit désormais d'intégrer les ANN en cascade développés spécifiquement pour le traitement de données LIBS par le LOMA avec des logiciels de recherche. En plus de l’intégration de ces modules multi-ANN, il est également nécessaire de les optimiser à l’aide de base de données de spectres obtenus sur de très nombreux échantillons. Pour cela, les échantillons prélevés au cours des différents projets SOLSTICE et CALIPSO seront réutilisés (analyse avec le système EasyLIBS mis à disposition du projet ESOPOL de l’ensemble de ces échantillons et traitement des données obtenues pour l’optimisation des modules multi-ANN). La société IVEA ayant déposé le bilan et l’appareil EasyLIBS n’ayant pas été repris, la société QUANTUM RX reprend l’adaptation et la mise au point d’un autre LIBS portable à partir de février 2018. Phase 2 - Développement d’un module de traitement géostatistique Cette action est réellement le cœur du projet ESOPOL. Elle consiste à optimiser un outil de traitement géostatique pour être en mesure d’extrapoler les résultats quantitatifs ponctuellement obtenus sur le terrain avec l’analyseur portable EasyLIBS puis le LIBS de Quantum RX. Cette tâche, pilotée par ESTIMAGES, consiste à développer et intégrer un outil de traitement géostatistique spécifique à l’analyse des sols pollués. A l’issue de cette tâche, ESTIMAGES remet une synthèse spécifiant les algorithmes de traitement géostatistiques appliqués aux données LIBS. Actuellement, le prototype d'algorithme de spatialisation des résultats en temps réel fonctionne sur une machine dédiée, dans les locaux d'ESTIMAGES. Cet algorithme reçoit les mesures générées par AnaLIBS ainsi que les relevés GPS associés à ces mesures. Lors de la réception d'une nouvelle mesure, la suite d'opérations est la suivante : - la zone d'étude est déterminée automatiquement sur la base de l'enveloppe convexe minimale des points de mesures ; - pour un élément indépendamment des autres, une carte d'estimation de la pollution est générée par krigeage simple, en utilisant un modèle de variogramme ajusté automatiquement via la technologie M-GS propre à ESTIMAGES, à partir des résultats ANN de cet élément. La figure 1 présente un exemple de carte générée :

Figure 1 : Mesures ANN de terrain (à gauche) et estimation de la teneur (à droite) pour l'élément Pb - Plusieurs simulations SGS (pour Sequential Gaussian Simulation, 50 pour le moment) sont ensuite générées à partir des mêmes données, afin d'obtenir 50 cartes équiprobables de répartition de cet élément. Considérant une valeur seuil définissant la limite entre des matériaux "sains" ou "impactés", des statistiques peuvent être calculées afin de connaître la fréquence de dépassement de cette valeur seuil au sein de ces 50 simulations. Conformément aux directives du rapport REPERAGES de l'ADEME (présentant les modalités optimales de l'utilisation de la géostatistique lors de campagnes de caractérisation des sols), la zone d'étude sera répartie en 4 catégories : "sain", "sain incertain", "impacté incertain" et "impacté", avec des pourcentages de dépassement de seuil respectivement de 0-20, 20-50, 50-80 et 80-100% (cf. figure 2) :

mg/


Figure 2 :Carte d'incertitude obtenue sur la base de 50 simulations, pour un élément (ici Zn) La carte d’incertitude (comme la carte d'estimation) est recalculée après chaque point de mesure, ce qui permet d’identifier les zones où l’incertitude est la plus grande et demande la nécessité d’un prélèvement d’échantillons supplémentaire (cf. figure 2). Phase 3 – Tests sur site et retour d'expérience Six sites ont été investigués au cours du projet (Saint Laurent-le-Minier, Saint Sébastien d'Aigrefeuille, Bodennec, Les Oblates, MetalEurop, Chateauneuf (cf figure 3) comportant différents contaminants métalliques (Pb, Zn, Cd, Cu, Cr, Ni, As, Fe, Mn, Mo). Lors de ces campagnes de terrain, 368 mesures pXRF ont été réalisées avec en parallèle des analyses de référence en laboratoire ainsi que l’évaluation de la performance de l’instrument Quantum RX par analyse des échantillons bruts prélevés lors de ces campagnes de terrain.

Figure 3 : Teneurs en Pb (de 20 à 1500 mg/kg) sur le site de Chateauneuf. Conclusions et perspectives Le projet ESOPOL permets de proposer une solution opérationnelle à courte échéance pour l’analyse quantitative de sols industriels pollués en métaux lourds pour de nombreux secteurs industriels devant mettre en place des méthodologies de surveillance : fonderie, sidérurgie, pyrométallurgie, incinération, recyclage, démantellement de site… Ces considérations ont un enjeu très fort puisque si les objectifs sont atteints, notamment en termes de développement de module applicable sur une grande majorité de site avec des types de sols différents, il sera possible de suivre finement les sites pollués avec un instrument d’analyse des métaux lourds, portable et, robuste, pour un coût d’investissement compatible avec une utilisation dédiée. Cet instrument permettra à l’exploitant d’assurer un suivi de la réglementation mais également, à moyenne échéance, de permettre une surveillance fine de son unité industrielle par la mise en place d’une boucle d’alerte spécifique. Au niveau développement durable, l’analyseur développé dans le cadre du projet ESOPOL permettra des expertises de sols pollués plus nombreuses et moins coûteuses. Les modèles de traitement à large domaine d’application qui vont être développé devraient permettre de rendre ce dispositif LIBS opérationnel sur de nombreux type de sols, augmentant la rentabilité de l’analyseur. Sa rapidité de mise en œuvre et la possibilité d’obtenir les résultats en quasi-temps réel sur site permettront une prévention améliorée des risques environnementaux générés par les différentes activités industrielles.

sain Sain incertain (sain) Incertain (impacté) impacté

Pb


Ce projet permettra la mise en place et la mise en œuvre opérationnelle de nouvelles méthodologies visant à abaisser les limites de détection des mesures LIBS pour les éléments d’intérêt tout en conservant des niveaux de technicité, de fiabilité et de reproductibilité compatibles avec une mise en application sur site. En termes de bénéfices économique, cela se traduit notamment par une réduction des temps nécessaires pour effectuer l’expertise d’un terrain (effectué actuellement principalement en laboratoire après prélèvement à l’aveugle) et du nombre d’échantillon à prélever et/ou à analyser. En effet, l’analyseur LIBS pourra soit être considérer comme outils de mesure fournissant des résultats quantitatifs suffisants pour l’utilisateur ou alors comme outils d’aide à l’échantillonnage en identifiant les zones pour lesquelles il est intéressant de prélever des échantillons. Cela se traduit donc par des gains économiques pour les organismes ou collectivités qui ont en gestion des sites pollués. De plus, les gains de temps et de nombre d’échantillons se traduisent directement en bénéfices économiques d’autant plus que la réhabilitation plus rapide des terrains à expertiser engendre une baisse des pertes financières dues à leur immobilisation. Références [1] R.S. Harmon, R.E. Russo, R.R. Hark, Applications of laser-induced breakdown spectroscopy for geochemical and environmental analysis: A comprehensive review, Spectrochimica Acta Part B: Atomic Spectroscopy, 87 (2013) 11-26. [2] M. Anna P.M, Review: Applications of single-shot laser-induced breakdown spectroscopy, Spectrochimica Acta Part B: Atomic Spectroscopy, 65 (2010) 185-191. [3] J. Frank C. De Lucia, J.L. Gottfried, Rapid analysis of energetic and geo-materials using LIBS, Materials Today, 14 (2011) 274-281. [4] J. Rakovsky, O. Musset, J. Buoncristiani, V. Bichet, F. Monna, P. Neige, P. Veis, Testing a portable laser-induced breakdown spectroscopy system on geological samples, Spectrochimica Acta Part B: Atomic Spectroscopy, 74-75 (2012) 57-65. [5] B. Bousquet, G. Travaillé, A. Ismaël, L. Canioni, K. Michel-Le Pierrès, E. Brasseur, S. Roy, I. le Hecho, M. Larregieu, S. Tellier, M. Potin-Gautier, T. Boriachon, P. Wazen, A. Diard, S. Belbèze, Development of a mobile system based on laser-induced breakdown spectroscopy and dedicated to in situ analysis of polluted soils, Spectrochimica Acta Part B: Atomic Spectroscopy, 63 (2008) 1085-1090. [6] J. El Haddad, D. Bruyere, A. Ismael, G. Gallou, V. Laperche, K. Michel, L. Canioni, B. Bousquet, “Application of a series of artificial neural networks to on-site quantitative analysis of lead into real soil samples by laser induced breakdown spectroscopy”, Spectrochimica Acta Part B 97 (2014) 57–64. Remerciements Le projet ESOPOL s’inscrit dans le cadre de l’axe 1 (Améliorer et consolider les méthodes de diagnostic de sites et la caractérisation de sources de pollution) des thématiques retenues dans le cadre de l’appel à projets GESIPOL 2014 de l’ADEME. Ce projet fait suite à des travaux antérieurs cofinancés (thèse ADEME de Jean-Baptiste Sirven, projet ANR SOLSTICE et projet ADEME CALIPSO). Les partenaires du projet ESOPOL remercient notamment Hélène Roussel de l’ADEME pour son suivi, son soutien et ses conseils avisés tout au long du projet.


Suivi de dépollution de solvants chlorés par prospection électrique

J. DEPARIS1, A. JOUBERT2, D. CAZAUX3, B. FRANCOIS1, T. INVERNIZZI2, A. DUMESTRE2, N. FATIN ROUGE4, J. MAIRE1, A. TRIGER5, p. KLEIN5, Q. GIRAU5, B. PARIS5, J. GOURRY1, S. COLOMBANO1

1 : BRGM, 45060 Orléans, France, [email protected];

2 : SERPOL, Parc d’activités, 2 chemin du Génie, BP 80, Vénissieux, 69633, France 3 : INOVYN, Plateforme Industrielle, 2 Avenue de la république, Tavaux, 39500, France

4 : Université de Franche-Comté, UMR 6213-UTINAM, 16 route de Gray, Besançon Cedex, 25030, France 5 : INTERA, Lyon, France 90 Av Lanessan 69410 Champagne au Mont d’Or, France

* contact : Jacques Deparis, [email protected]; Résumé La France présente un passé industriel important et laisse des friches pouvant être fortement polluées. Au cours des vingt dernières années, un certain nombre d’entreprises, de méthodes et de sujets de recherche se sont développés. Leur but est de diagnostiquer puis de réaliser la dépollution des sols et des eaux souterraines. Classiquement, le diagnostic et la dépollution sont réalisés par l’intermédiaire de forages destructifs et il n’existe pas d’information entre. La géophysique, et spécialement les méthodes électriques, permet de spatialiser cette information. En effet, les caractéristiques physiques d’un polluant étant généralement très différentes de celles de l’eau, la mise en place d’une surveillance d’un ou plusieurs paramètres physiques du sous-sol, permet ainsi suivre ses flux et déplacements. Un site test en cours de dépollution a été étudié à l’aide d’une tomographie électrique dans le cadre du projet SILPHE Les résultats montrent que la résistivité décroît avec le temps aux alentours de 8 mètres de profondeur, ce qui correspond à la zone polluée définie par les analyses de forage géochimiques. En effet, l'eau salée prend la place du DNAP. Ces résultats montrent qu’il est possible de suivre le processus de dépollution à l’aide d’une tomographie électrique. Introduction La forte activité industrielle passée et présente de la France adjointe à une volonté gouvernementale de maintenir une certaine qualité du sous-sol français a mis en avant l’enjeu que constitue les sites et sols pollués ces dernières années. Ainsi au cours des vingt dernières années, un certain nombre d’entreprises, de méthodes et de sujets recherche se sont développés. Leur but est de diagnostiquer puis de réaliser la dépollution des sols et des eaux souterraines. Tout cela pressé par des lois et exigences publiques de plus en plus contraignantes. Les caractéristiques physiques d’un polluant étant généralement très différentes de celles de l’eau, la mise en place d’une surveillance d’un ou plusieurs paramètres physiques du sous-sol, permet ainsi suivre ses flux et déplacements ([1], [2]). Parmi ces paramètres physiques étudié, le choix a été fait d’étudier la résistivité. Ils offrent en effet généralement un contraste de valeur marqué entre un milieu pollué et un milieu qui ne l’est pas. Afin de suivre la dépollution, une tomographie électrique a été mise en œuvre pour mesurer les variations temporelles de résistivité. La source étant de grande taille (quelques hectares), un laboratoire in situ a été réalisé sur le site en aménageant un espace de travail de 400 m² au cœur de la source. Ce site pilote de plus petite taille, permet de réaliser rapidement et localement une dépollution totale (pompage du DNAPL physiquement mobilisable puis traitement de la phase résiduelle). Matériel et méthodes La zone d’étude se situe sur un site d’une industrie chimique, dont la production de chlorés lourds a commencé à partir des années 1950. Les déchets organochlorés sont stockés de 1964 à 1986 dans une décharge interne (alvéole en argile) qui s'est avérée fuyarde. Cette alvéole est aujourd'hui vide. La pollution DNAPL s’est trouvée piégés dans une série de petits synclinaux au-dessus d’un aquitard argileux imperméable.


Le projet prévoit de changer l’échelle in situ en aménageant un espace de travail de 400 m² au cœur de la source. Ce site pilote de plus petite taille, permet de réaliser rapidement et localement une dépollution totale (pompage du DNAPL physiquement mobilisable puis traitement de la phase résiduelle). L’espace de travail est constitué d’un bassin (Illustration 1) sous lequel se trouve la source de solvants chlorés (DNAPL). Le sous-sol y a été séparé en quatre casiers étanchéifiés par des murs imperméables en « Trenchmix » (mélange de boues et de ciments) dont la base atteint le toit des argiles (Illustration 3). On y trouve 4 puits au centre de chaque casier, permettant de pomper le polluant dans les casiers et 19 piézomètres afin de réaliser un suivi du niveau du polluant dans la nappe. Afin de réaliser les mesures de résistivité électrique, 96 électrodes en inox ont été placées sur uns lignes et relié à un Syscal pro (figure 1). Ce dernier permet de coordonner les quadripôles et de réaliser des mesures de résistivité et de polarisation provoquée. L’espacement entre électrode est de un mètre. Elles sont reliées entre elle par un câble (on parle de « flûte »). Le « profil électrique » couvre ainsi l’intégralité du bassin et intersecte tous les casiers.

Figure 1 – Position des électrodes de mesure et des casiers. La casier 4 se trouve à l’est du site.

Dans le cadre de ce travail, la campagne de mesure étudié commence le 21 juillet 2015 pour se terminer le 27 août 2015 ; ce qui représente un peu plus d’un mois. Au cours de ce mois, se déroule simultanément des opérations de pompage de DNAPL dans le casier n°4 dont le déroulement est résumé dans le graphique Erreur ! Source du renvoi introuvable.. Les données de tomographie électrique ont été inversées à l’aide du logiciel Res2DInv ([3]). Le RMS, pour l’ensemble des inversions, est inférieur à 5%. Résultats et discussion

La figure 2 présente les résultats de la tomographie électrique réalisée le 23 juillet 2015. La coupe montre un fort contraste de résistivité entre le haut du modèle (au-dessus de 180 m) de résistivité variable et le bas du modèle, très conducteur (résistivité inférieure à 20 Ω.m). Cette zone de très basse résistivité correspond à la couche d’argile et sa limite supérieure coïncide d’ailleurs avec la coupe géologique affichée sur le modèle. On la retrouve dans l’ensemble des modèles de résistivité de la série. Ce fort contraste rend difficilement visible la partie supérieure du modèle et donc les possibles informations liées au pompage de DNAPL. Pour s’affranchir de la géologie et des autres structures permanentes, les différentes tomographies acquises lors de la dépollution sont représentées en fonction du contraste de résistivité.


Figure 2 – Modèles de résistivité électrique des 21 et 23 juillet 2015.

La figure 3a présente les résultats de deux points de relevé piézométrique. Le point C4P se situe au niveau du pompage. La hauteur de l’interface eau-DNAPL varie donc beaucoup. Dès que le pompage commence, le niveau baisse rapidement. Quand le pompage s’arrête la situation se stabilise dans le casier et le niveau remonte. Ce n’est pas le cas des données du point C4D, plus éloigné du pompage. Une décroissance globale et progressive du niveau de DNAPL est observée. La figure 3b présente les variations de résistivité mesurées entre le 21 juillet et le 27 août. Elle montre que le contraste de résistivité augmente sensiblement. A la fin de l’expérimentation (le 27 août), il est possible de constater une diminution de résistivité en bas du casier 4 (le plus à droite) alors que les variations sont plus faibles dans les autres casiers. Cette différence est due au pompage du solvant chloré – résistif - réalisée dans ce casier qui est remplacé par de l’eau saumâtre fortement conductrice Sur le bord ouest du casier 4, au niveau du piézomètre d’injection des eaux saumatre et sur l’ensemble de la hauteur du dispositif, une diminution plus ou moins importante de la résistivité est observée au cours de l’expérience. Ce phénomène est particulièrement important à la date du 13 et 25 août 2015 suite à un long pompage. Il est moins prononcé pour les autres dates. L’importance du phénomène est corélée avec les phases d’injections de l’eau saumatre. Par exemple, Le 21 aout (illustration 39a), le pompage n’est pas actif le contraste est faible. Le 14 août (illustration 39b), le pompage est actif, du DNAPL est retiré du casier, la résitivité baisse fortement au fond du casier mais ne s’étend pas sur toute la surface du casier. Ceci montre une fuite des eaux injectées au niveaiu de ce piézomètre car il s’est avéré que ce dernier était crépiné et laisse l’eau salée s’infiltrer.

Figure 3 – Historique de l’activité du casier 4 du site d’étude.

0

1

2

3

4

5

6

7

8

176,5

177

177,5

178

178,5

179

179,5

Mètres

Hauteur de l'interface eau-DNAPL au point C4P Hauteur de l'interface eau-DNAPL au point C4D

Pompage (1=actif, 0=inactif) Mesure

a)

b)


Conclusions et perspectives Ce travail a permis de valider plusieurs hypothèses concernant le suivi de pollution et de dépollution de solvants chlorés par méthodes géophysiques et en particulier par méthodes électriques. La surveillance géophysique sur le site pollué d’étude a mis en évidence que les variations de résistivité observées corrèlent avec les activités de pompage de DNAPL réalisé sur site. Une diminution globale de résistivité dans le casier 4 est visible et nous constatons l’apparition d’un « panache » de faible résistivité lorsque le pompage est actif, traduisant le déficit de DNAPL. Nous observons ainsi la progression du chantier de dépollution. Références [1] Ajo-Franklin, J.B., Geller, J.T., and Harris, J.M. (2006). A survey of the geophysical properties of chlorinated

DNAPLs. Journal of Applied Geophysics 59, 177–189.

[2] Chambers, J.E., Loke, M.H., Ogilvy, R.D., and Meldrum, P.I. (2004). Noninvasive monitoring of DNAPL migration through a saturated porous medium using electrical impedance tomography. Journal of Contaminant Hydrology 68, 1–22.

[3] Dahlin, T. (2000). Short note on electrode charge-up effects in DC resistivity data acquisition using multi-electrode arrays. Geophysical Prospecting 48, 181–187.

Remerciements Les auteurs tiennent à remercier l’ADEME pour le financement d’une partie du projet ainsi que l’ensemble des partenaires du projet SILPHE. Nous remercions également le BRGM pour son soutien financier pour la réalisation de ces travaux.


Développement des méthodes géophysiques pour la caractérisation et la réhabilitation de sites contaminés

(projet GEOCARE)

Théo DE CLERCQ*1,4, Laurent THANNBERGER1, David PITAVAL2, Juliette CHASTANET, Jean-Marie CÔME2, Jean-Paul MOURIER3, Patrice DESOURTHEAU3, Abderrahim JARDANI4

1 : VALGO Laboratoire, 72 rue A. Briand, 76650 PETIT-COURONNE [email protected]

2 : Département R&D, GINGER-BURGEAP, 19 rue de la Villette, 69425 LYON Cedex 03, [email protected], [email protected] [email protected]

3 : Pôle Sondage, GINGER-CEBTP, 16 Allée Prométhée, Les Propylées,CS70169, 28008 CHARTRES, [email protected] [email protected]

4 : Université de Rouen, M2C, UMR 6143, CNRS, Morphodynamique Continentale et Côtière, Mont Saint Aignan, France [email protected]

Orateur : Théo DE CLERCQ - VALGO * contact : contact en cas de question sur les travaux présentés Résumé La réhabilitation des sites et sols pollués constitue un enjeu majeur qui répond à la fois à une pression foncière toujours plus forte ainsi qu’aux objectifs environnementaux pour limiter l’impact sur la santé des individus, sur la ressource en eau et sur la biodiversité. Les moyens actuels utilisés pour la caractérisation d’un site pollué et à partir desquels sont définis les mesures de gestion sont généralement basés sur des investigations ponctuelles (sondages sols, piézomètres, piezairs, ...). Ce qui génère des incertitudes sur la caractérisation de la pollution qui dépend intimement du nombre et de la position des ouvrages. La question de la propagation de ces mesures dans l’espace-temps afin d’obtenir une vision d’ensemble des paramètres nécessaires pour le dimensionnement du Plan de gestion est essentielle pour une optimisation coût/efficacité. Ce travail est bien souvent complexe du fait des hétérogénéités des propriétés du milieu et de la pollution. Dans ce contexte, des méthodes géophysiques et hydrogéophysiques, par essence spatialisées et pour une part d’entre elles non intrusives, offrent une alternative aux techniques d’investigation classiques pour caractériser une pollution de type hydrocarbures. Par ailleurs, des sondes innovantes couplés à un atelier de forage (CPT1]/OIP2) permettent de fournir une information quasi-continue en Z sur la pollution sous forme de NAPL. Dans ce contexte, l’objectif du projet GEOCARE est d’évaluer le potentiel d’emploi de ces méthodes pour caractériser une zone source de type LNAPL (coupes pétrolières) et réaliser un suivi de deux techniques de traitement (pompage/écrémage et biodégradation in situ). Introduction La nécessité d’identifier les zones sources de pollution dans le milieu souterrain (quels polluants et sur quelle étendue, quelle variabilité temporelle ?) ainsi que la sécurisation des moyens de suivi des opérations de dépollution font partis des points clés définis par la Méthodologie nationale de gestion des sites et sols pollués [1]. En pratique, ces démarches reposent généralement sur des études de caractérisation des milieux, dans lesquelles les concentrations en polluants et leur extension spatiale dans le sol sont identifiées à partir de données ponctuelles (analyses d’échantillons de sols, eau, gaz dans des ouvrages). La caractérisation de la pollution est de ce fait dépendante du nombre et de la disposition des ouvrages, ce qui peut générer formellement des incertitudes sur les résultats. Dans le cas particulier d’une pollution par des LNAPL (coupes pétrolières légères, …) avec du NAPL mobile au toit de la nappe, la caractérisation de la pollution nécessite par ailleurs de prendre en compte les variations temporelles induites par le battement de la nappe. Dans ce contexte, le projet GEOCARE, conduit par le consortium composé de VALGO, M2C (Université de Rouen), GINGER-BURGEAP et GINGER-CEBTP, vise à préciser les intérêts et limites de techniques géophysiques ainsi que d’une sonde de mesure en quasi-continu in situ (OIP) pour caractériser des sources

1 Cone Penetration test, Essai de Penetration au Cone 2 Optical Image Profiler, Sonde à balayage optique


de pollution de type LNAPL et réaliser le suivi temporel de techniques de traitement. Ces techniques sont comparées d’une part avec des concentrations dans les sols mesurées en laboratoire sur des échantillons prélevés en sondage carotté sous gaine et d’autre part avec un suivi en continu des épaisseurs de NAPL mobile à l’aide de sondes de pression posées dans des piézomètres. Matériels et méthodes Les différentes techniques et matériels mis en œuvre sont les suivants :

méthodes géophysiques : utilisation de méthodes géoélectriques telles que la tomographie de résistivité électrique, la polarisation induite, le potentiel spontané et méthodes électromagnétiques de basse et haute fréquences (EM34 et Radar GPR). Ces méthodes ont fait l’objet d’essais en cubitainers avant mise en œuvre sur le site de démonstration selon différents objectifs (cartographie spatiale des zones polluées par les hydrocarbures, estimation de l’épaisseur de NAPL mobile, estimation semi-quantitative de présence de NAPL, surveillance de l’activité de biodégradation). La mise en œuvre sur site est réalisée en surface et en forage selon les méthodes et objectifs ;

méthodes hydrogéophysiques : développement de la technique du pompage croisé en régime permanent et en régime harmonique. Cette technique innovante permet de cartographier les écoulements préférentiels de l’aquifère via la détermination des paramètres de l’aquifère tel que la perméabilité et le coefficient d’emmagasinement. Ces cartographies, obtenues après inversions de données provenant de différents puits suivis au cours d’un ou plusieurs pompages, permettent d’identifier les puits en relation directe avec les quantités les plus fortes en LNAPL pour un pompage plus efficace ;

diagraphie en quasi-continu par fonçage régulier à 2 cm/s d’une sonde OIP (cf. Figure1). Couplée à un CPT (cone penetration test) avec mesure de la conductivité, cette technique permet une lecture en directe des zones de sols comprenant du polluant sous forme de NAPL avec une discrétisation verticale très fine (1,5 cm). Le principe de la sonde repose sur l’émission de lumière UV pour détecter des HAP, lesquels sont présents dans la plupart des coupes pétrolières. La détection des hydrocarbures se fait en mode UV par l'enregistrement de la fluorescence (cf. Figure 2), la sonde fournissant par ailleurs une image dans le visible permettant en particulier de visualiser la taille des grains ;

capteurs de pression couplés pour la réalisation d’un suivi en continu du (i) niveau de la nappe permettant de définir un comportement hydrologique unique en lien avec le cycle lunaire et (ii) de l’épaisseur de LNAPL mobile située dans le puits variant en anti-corrélation avec les marées et le cycle lunaire ;

Sondages carottés sous gaine avec prélèvement de sol multi-niveaux et analyse en laboratoire (avec protocole MACAOH pour la fraction C5-C10). Chaque ouvrage a ensuite été équipé en piézomètre en vue d’y réaliser des essais (perméabilité, diagraphies de paramètres physico-chimiques) et un suivi temporel de l’épaisseur de LNAPL mobile ou de paramètres sur la matrice eau.

La méthodologie adoptée pour le projet comprend trois phases successives :

1. Phase 1 : synthèse des données disponibles et pré-sélection des techniques géophysiques à mettre en œuvre en fonction de différents objectifs. Cette étape a aussi compris la définition des deux zones pilotes (l’une ciblée pour le pompage/écrémage, l’autre pour la biodégradation in situ) ainsi que les investigations à réaliser lors de la Phase 2 ;

2. Phase 2 : investigations sur les zones pilotes et les essais en cubitainers. Ces travaux ont permis de compléter la caractérisation de la pollution, comparer différentes techniques et qualifier des méthodes géophysiques pour le suivi des traitements de pollution ;

3. Phase 3 : mise en œuvre de techniques hydro/géophysiques pour le suivi des traitements, comparaison avec d’autres approches.

Les interprétations des données se sont appuyés sur plusieurs logiciels : OREOS (traduction des concentrations en polluants dans les sols en saturation en NAPL), LDRM (traduction des épaisseurs de LNAPL dans un puits en épaisseur de LNAPL dans le milieu souterrain), SoilRemediation (visualisation 3D des données lithologiques et pollution, traitements géostatistiques), ERTLab64 (modèle 3D de traitement/visualisation des données géophysiques), COMSOL Multiphysics (logiciel de couplage des physiques).


Figure 1 – Sonde OIP (à gauche), Atelier de forage CPT (au centre), Calibration de la Conductivité (à

droite)

Figure 2 – Sonde OIP – Visualisation de la réponse en Fluorescence

Application au site de démonstration Le site de démonstration est une ancienne raffinerie de plusieurs dizaines d’hectares caractérisée par un siècle d'activités industrielles à l'origine d'une pollution du milieu souterrain par différentes coupes pétrolières. Le site est installé sur une formation alluviale de 10 à 15 mètres d’épaisseur et composée de faciès lithologiques variables (limons, sables, graves). Cette formation abrite un aquifère de 5 à 10 m d’épaisseur qui repose sur un substratum crayeux et dont la dynamique est (entre autres) influencée par les effets de marée. Le site est actuellement en cours de démantèlement en vue d’une réhabilitation progressive des terrains. Il a fait l’objet de plusieurs diagnostics de pollution utilisés pour établir un état des lieux initial de la lithologie, hydrogéologie et pollution. A partir de ces travaux, deux zones pilotes ont été retenues :

Zone n°1 : ce secteur est caractérisé par la présence de LNAPL mobile (« flottant ») au toit de la nappe. L’application a permis de préciser les intérêts et limites de différentes techniques géophysiques, notamment pour estimer les épaisseurs de LNAPL mobile dans le milieu souterrain en complément des mesures en forage. Cette démarche a été menée en deux temps : une première phase de diagnostic puis une seconde phase de traitement par la méthode de pompage/écrémage.

Zone n°2 : ce secteur est caractérisé par une forte pollution des sols en hydrocarbures dans la zone de battement de la nappe mais sans présence de LNAPL mobile. Ce site permet de compléter la démarche entreprise où l’on cible non plus la caractérisation de l’épaisseur de NAPL mobile mais un impact par du LNAPL immobile (concentrations de quelques dizaines de g/kg). Cette démarche a également été menée en deux temps avec une première phase de diagnostic puis un pilote de traitement par biodégradation aérobie in situ.


Conclusions et perspectives A ce stade, les travaux réalisés ont permis de confronter différentes approches sur les deux zones pilotes. Les investigations et interprétations sont en cours afin d’évaluer la pertinence des différents outils mis en œuvre pour le diagnostic et le suivi de pilotes de traitement. Les résultats complets des Phases 1 et 2 ainsi que les résultats partiels de la Phase 3 seront présentés lors des RNR ADEME de novembre 2019. Références [1] MTES (2017). Méthodologie nationale de gestion des sites et sols pollués. 19 avril 2017. www.installationsclassees.developpement-durable.gouv.fr/Outils-de-gestion.html Remerciements Le projet GEOCARE est co-financé par la Région Normandie.


Suivi opérationnel par drone d’un site phytostabilisé : suivi de la végétation et de l’érosion

Thomas J.B. DEWEZ1*, Benjamin PRADEL2, Michel ASSENBAUM2; Marie de BOISVILLIERS2, Valérie GUERIN3, Valérie LAPERCHE3, Yannick THIERY1, Florian Masson1, Olivier FAURE4, Frédéric PARAN4,

Louis de Lary de Latour5

1 : Direction Risques et Prévention, BRGM, 3 Av C. Guillemin, 45060 ORLEANS cedex2, [email protected]; [email protected]; [email protected] 2 : L’Avion Jaune, 1 chemin du Fescau, 34980 Montferrier sur Lez 3 : Direction Eau, Environnement et Ecotechnologies, BRGM, 3 Av C. Guillemin, 45060 ORLEANS cedex2, [email protected]; [email protected] 4 : Sciences des Procédés Industriels et Naturels, Ecole des Mines de Saint-Etienne, 158 cours Fauriel - CS 62362, 42023 Saint-Étienne Cedex 2 - France [email protected]; [email protected] 5 : Direction des Risques et Prévention – Département de Prévention et de Sécurité Minière, BRGM, 3 Av C. Guillemin, 45060 ORLEANS cedex2, [email protected]

* contact en cas de question sur les travaux présentés Résumé Pour réhabiliter d'anciens sites industriels, il est souvent conseillé de revégétaliser les sols afin d'y limiter les transferts de particules polluées. Pour les sites de grande taille, juger de l'efficacité des travaux de revégétalisation sur plusieurs dizaines d'hectares n'est pas une opération facile à mettre en œuvre. Le projet SODA, co-financé par l'ADEME (2018-2019), se propose d’examiner l'apport des techniques d'imagerie aérienne dans le suivi de la revégétalisation et des transferts de sédiments..

Des données caractérisant le relief, la couverture du sol et les distributions spatiales de température ont été acquises par drone et par ULM. L’objectif principal est de suivre l’évolution du couvert végétal et son rôle dans la limitation de l’érosion. Deux problématiques secondaires concernent (i) la nature de la végétation qui a recolonisé le site dont l’installation d’espèces bioaccumulatrices et l'installation de végétation à racines plongeantes sur des zones de confinement, dont la pénétration des racines pourrait perforer l'enveloppe étanche de confinement et l’installation de plantes accumulatrices de pollutions ; et (ii) l'évaluation de la présence de polluants résiduels et leur redistribution éventuelle par érosion et transport hydraulique.

Les premiers résultats obtenus montrent que la photogrammétrie aérienne en ULM est performante pour caractériser la présence (ou l'absence) de végétation et sa hauteur sur plusieurs centaines d'hectares, sans les contraintes réglementaires afférentes aux campagnes par drone. La thermographie par ULM en milieu de journée très ensoleillée de début d'été révèle clairement la signature comparativement froide d'écoulements d'eau hypodermiques ou de surface ainsi que les végétaux à racines plongeantes. La photogrammétrie par drone apporte une restitution fidèle de la morphologie des zones de sols nus ainsi que de la présence de végétation. Enfin, la lidargrammétrie par drone révèle explicitement les chemins d'écoulement de l'eau sur le terrain. Cette information est ensuite utilisable pour cibler l’échantillonnage de sol le long de leur trajectoire d'érosion, transport ou sédimentation. Introduction Les anciens sites industriels sont souvent pollués. Après avoir décaissé les terres les plus concentrées en polluant et les avoir confinées dans des alvéoles de stockage étanches, les terrains contaminés à un degré moindre sont souvent promis à une revégétalisation associée ou non à une phytostabilisation. L’installation d’un couvert végétal va permettre de fixer les particules de pollution résiduelle et limiter leur envol ou leur transport vers les cours d’eau. Le mix végétal semé sur le terrain a pour objectif d’assurer une colonisation rapide et efficace en toute saison et atteindre l'objectif de fixation des terres dans un délai de quelques saisons de croissance. En complément, sur les alvéoles de stockage, l'ensemencement de végétation vise à éviter l'érosion de la couverture de terre protégeant la dispositif d'étanchéité.

Pour vérifier l’efficacité des mesures entreprises, il faut pouvoir disposer régulièrement de cartes de végétation sur l'ensemble du site attestant de la progression de la végétation semée (en taux de couverture et en diversité), de l'absence d'érosion et de l'absence de végétation à racines plongeantes sur les confinements. Pour cela, on procède classiquement par échantillonnage : échantillonnage de placettes végétalisées en différents endroits, reconnaissance visuelle à pied des différentes morphologies traduisant les signes de flux de matière. Quand les sites font plusieurs dizaines à plusieurs centaines d'hectares l'exhaustivité spatiale et


temporelle de la démarche, ainsi que le coût d’acquisition des données, ne manquent jamais d'être questionnés.

L'arrivée à maturité des techniques de mesures aéroportées par drone ou par avion léger pose la question de leur utilité dans le contexte du suivi des réhabilitations d'anciens sites. Les levés photogrammétriques sont devenus standards, y compris à des résolutions de restitution centimétriques sur des dizaines d'hectares. Ils apportent une photographie de l'occupation sol et un modèle de relief incluant la canopée végétale. Avec l'ajout du proche infra-rouge, l'activité chlorophyllienne distingue clairement les plantes de l'arrière-plan minéral du sol. Les levés lidar renseignent non seulement sur le relief de surface, mais aussi sur la morphologie du sol sous la végétation, si celle-ci est suffisamment peu couvrante, ainsi que sur la hauteur de la végétation elle-même. Enfin, les images en infra-rouge thermiques produisent une carte des zones chaudes et froides d'un terrain. Les températures relativement plus chaudes ou plus froides que leur voisinage peuvent traduire la présence d'eau, la présence de végétation à racines profondes ou la présence de composants retenant la chaleur.

Le projet SODA, co-financé par l'ADEME (2018-2019), se propose de vérifier le degré d'adéquation des méthodes de cartographie aéroportée actuelles pour répondre aux questions des gestionnaires de site. Il vise donc à préciser les apports, contraintes et limites des captations aériennes dans le cadre d'un suivi de réhabilitation au travers d’une application sur un ancien site industriel pollué.

Le site sur lequel le projet SODA se déroule est un ancien site industriel de retraitement de minerais, réhabilité et phytostabilisé en 2006-2007. Matériel et méthodes Les captations aériennes ont été conduites par l'Avion Jaune, entreprise de cartographie aéroportée partenaire du projet, en utilisant d'une part un drone à voilure tournante équipé tantôt d'un couple d'appareils photo RICOH GR1 24 Mpix opérant l'un en lumière visible et l'autre en proche infra-rouge uniquement, tantôt équipé d'un lidar léger Yellowscan Surveyor scannant à environ 1pt/8 cm; et d'autre part d'un avion léger ULM muni d'une trappe permettant l'installation d'un appareil photo moyen format délivrant des photos à 1 pixel/4-5cm pour un modèle numérique de surface de 1 pixel/8-9cm ou l'installation d'un microbolomètre (caméra infra-rouge thermique, 1 pixel/35 cm). Le géoréférencement a d'abord été réalisé en positionnant l'aéronef en 3D par GNSS différentiel, avec une base posée à proximité du terrain survolé ainsi qu'en plaçant des cibles au sol. Les différents vols réalisés sont repris dans le tableau 1. Ils seront complétés par une campagne additionnelle en juin 2019. Tableau 1 : Rappel des porteurs et type de capteurs déployés lors des différentes campagnes de vols

Campagne 1 : année 1 minimum de végétation (hiver)

Campagne 2 : année 1 maximum de végétation (juin)

Avion léger Drone Avion léger Drone

Photogrammétrie [Orthophotographie et

MNS à 4 cm de résolution – 23/01/2018]

Lidar [MNS et MNT à 20 cm de résolution – 31/01/2018]

Imagerie thermique [Orthophotographies

thermiques (12h et 15h) à 40 cm de résolution –

20/06/2018]

Lidar [MNS et MNT à 20 cm de résolution –

21/06/2018]

Photogrammétrie [Orthophotographie et MNS à 1,5

cm de résolution – 17/04/2018]

Photogrammétrie [Orthophotographie et MNS à 1,5 cm de

résolution – 21/06/2018]

Imagerie multispectrale [Orthophotographie à 1,5 cm de

résolution – 21/06/2018]

Les dates de campagnes ont visé à couvrir plusieurs objectifs: obtenir une image complète du site avant de réaliser la première campagne de terrain, mesurer la topographie du sol au minimum de végétation, montrer la présence de végétation herbacée saisonnière, constater la présence de couvert végétal au maximum de la période de végétation, tester les capacités de détection du signal thermique.

Ces acquisitions aériennes ont été complétées par l’acquisition de données au sol : Validation indépendante de la qualité du géoréférencement des données aéroportées avec des cibles

installées au sol et relevées au GNSS différentiel, ainsi qu'une validation de la fidélité de restitution des reliefs topographiques;

Cartographie géomorphologique experte des zones d'érosion, transport et sédimentation et typologie des différentes formes repérées sur le terrain;


Caractérisation des teneurs en métaux et métalloïdes dans des échantillons de sols; Inventaire de l'écologie végétale destiné à confirmer la colonisation depuis 2007, à constater les

changements botaniques opérés naturellement, à explorer les facteurs limitant la reconquête végétale et enfin à vérifier les transferts éventuels de métaux et métalloïdes toxiques vers les feuilles des plantes.

Résultats et discussion Cette présentation se focalisera sur l’apport de la cartographie aéroportée dans la gestion du site. Les aspects plus techniques liés à la cartographie issue de captation aérienne, au suivi de la végétation et de l’érosion seront proposés sous forme de posters.

Cartographie hydrologique théorique La végétalisation d’un site vise notamment à éviter la diffusion de la pollution vers l'aval par transport de masse solide liée au ruissellement. Dans cette optique un modèle numérique de terrain (MNT) est indispensable pour simuler l'écoulement de l'eau sur le relief et d’identifier les zones les zones d'érosion, de transfert et de dépôt de sédiments.

Si le sol est entièrement nu, la photogrammétrie offre une grille de relief directement exploitable par les outils de calcul hydrologiques des Systèmes d'Information Géographique (SIG) (p.ex. ArcGIS, QGIS ou SAGA GIS). Des photos stéréo (B/H~0.2) prises depuis un ULM volant à 350 m au-dessus du sol produisent un modèle numérique de surface (MNS) photogrammétrique à 1 pixel/8-9cm avec une précision de restitution verticale du même ordre de grandeur sur la totalité d'un site de plusieurs centaines d'hectares (ici 350 ha). Avec un drone volant à 50 m au-dessus du sol, le MNS peut atteindre 1 pixel/15 mm avec une précision altimétrique similaire. La validation altimétrique avec des données GNSS différentielles est cependant problématique car le géoréférencement des données drone doit être meilleure que 1 pixel (15 mm) si l'on veut pouvoir comparer l'altitude du MNS strictement au droit des points GNSS mesurés. Un géoréférencement global à +/- 10 cm induit une forte incertitude sur la mise en relation entre le Z mesuré au GNSS différentiel et celui estimé quelque part dans le voisinage de ce point de référence. Quoiqu'il en soit, sur le site suivi dans SODA, les plages de sol nu existent mais sont moins abondantes que les zones végétalisées. Dans ces circonstances, la hauteur de la canopée incluse dans la grille de relief ne permet pas de calculer le réseau de drainage correct. Pour ce faire, il faut recourir au lidar.

A 50 m au-dessus du sol, le lidar embarqué sur drone acquiert un nuage de points d'environ 1pt/7-8cm. Le relief est moins résolu qu'avec la photogrammétrie, du fait de la plus faible densité de points. Après classification de la végétation dans le nuage de points 3D, le MNT a une résolution de 1 pt/20-30 cm. Le MNT peut faire l'objet d'une simulation d'écoulement hydrologie classique dans un SIG : comblement des dépressions fermées, calcul des directions de flux et d'accumulation de flux, seuillage, hiérarchisation des écoulements (ordre de Strahler ou de Horton) et vectorisation des axes d'écoulement.

Le réseau de drainage théorique permet de vérifier si l'eau est effectivement collectée par les fossés aménagés à cette intention et où se retrouveraient les particules de sol éventuellement transportées. Cette analyse permet ensuite de diriger l'échantillonnage de sols sur le terrain et d'interpréter la logique de répartition des pollutions portées par les particules de sol. Enfin, l'estimation des aires drainées permet de dimensionner ou de valider le dispositif de collecte et de gestion des eaux.

Durant la première année du projet SODA, un évènement de pluie exceptionnel a touché le site en octobre 2018. Une nouvelle campagne photogrammétrique par ULM, réalisée après cet épisode pluvieux exceptionnel, a permis de produire une nouvelle orthophoto pour la totalité du site. L'orthophoto permet d'identifier les zones de désordre éventuels et d'en évaluer l'ampleur. L’étude diachronique entre le MNS photogrammétrique de janvier et de décembre 2018 a permis de mettre en évidence des changements topographiques sur certaines zones. Les écarts obtenus sont compatibles avec la combinaison de la précision de mesure par photogrammétrie (σ=±7cm = 1 pixel en plani et σ=±15cm = 2 pixels en alti) et de la détermination des points de références par GPS différentiel (σ=±3cm en plani et σ=5cm en alti). Les pluies exceptionnelles de l’automne 2018 n’ont pas conduit à des désordres étendus. L’érosion aréolaire reconnue au préalable par cartographie experte reste d’ampleur plus faible que le seuil de détection de différence entre deux MNS ULM.

Cartographie de la végétation Pour cartographier la végétation, plusieurs produits sont utilisables. Les orthophographies ULM à l'échelle du site entier à 1 pixel/4-5cm et les orthophotographies par drone sur les secteurs d'intérêt prioritaire à 1 pixel/15-17mm. Leur interprétation peut déjà se faire par photo-interprétation manuelle dans un SIG. Pour avoir une classification complète de l'espace il est préférable d'estimer visuellement si la végétation est absente/partiellement présente/totalement présente au sein de mailles d'une grille régulière de polygones (p.ex. 10x10m). Cette solution est certainement fastidieuse et peut poser des interrogations sur la robustesse


de la discrimination des transitions absente/partielle et partielle/totale. Néanmoins, elle est plus efficace que de tracer manuellement les limites de zones végétalisées. Les zones de transition entre sol nu et sol entièrement couverts sont moins incertaines.

Pour affiner le traitement avec une méthode numérique, deux orthophotographies à 4 bandes combinant les bandes Rouge/Vert/Bleu/Proche infra-rouge, ont été acquises par drone en avril et en juin 2018. En calculant l'indice de végétation traditionnel en télédétection NDVI (normalized difference vegetation index), un seuillage des scores discrimine les pixels où l'activité chlorophyllienne est présente. Comme le NDVI est sensible à la phénologie des plantes, et donc à la saison, il est préférable de réaliser un vol au maximum de la période de végétation.

Enfin, les acquisitions lidar par drone apportent aussi une information sur la hauteur de la végétation. En effet, la différence entre le MNS et le MNT est un modèle numérique d'élévation (MNE). Cette élévation est celle de la végétation au-dessus du sol. En grille, le MNE peut servir à renseigner de manière globale sur la biomasse présente sur un site. Il faut noter que la somme des élévations ne correspond pas à la biomasse mais à une approximation du volume enveloppe de la végétation qu'il faut pondérer par un facteur correctif lié au vide entre les tiges et les branches ayant fait écho au lidar.

Un travail de classification du nuage de points lidar 3D permet de séparer les pieds de plantes hautes (arbres, arbustes et buissons) des pieds d'herbacées de moindre hauteur et de dispersion plus grande. Pour la végétation haute, c'est un moyen de cartographier les buissons à racines plongeantes présents sur des confinements et de dimensionner ainsi des travaux de débroussaillage. Conclusions et perspectives Les méthodes de cartographie aéroportées permettent d'identifier des éléments critiques pour la gestion des anciens sites industriels réhabilités : suivi des zones végétalisées, présence de ravinement et réseau hydrologique. Si le sol est nu, un modèle numérique de surface photogrammétrique est tout à fait adapté pour cartographier le relief. La photogrammétrie constituant l'offre de base de la plupart des opérateurs de drones, elle est très utile pour un coût limité (quelques milliers d'euros pour plusieurs dizaines d'hectare). Lorsque la végétation a reconquis le site, la photogrammétrie reste utile pour surveiller la végétation et les désordres de surface. Par contre, le relief du sol n'est plus mesurable que par lidar. De diffusion moindre, les opérateurs de drone utilisant des lidars sont plus rares. Les coûts sont similaires à la photogrammétrie. La combinaison lidar et photogrammétrie offre une solution optimale à la fois pour suivre les désordres morphologiques et la recolonisation végétale d'un site réhabilité. Le projet SODA a pour objectif de délivrer des recommandations sur l’utilisation des captations aériennes, il est notamment important :

de bien définir l'extension des zones à survoler en relation avec l'hydrologie locale. Il faut s'assurer de couvrir tous les axes de drainage (ne pas couper un fossé ou un axe de ruisseau) ;

de voler avec des conditions d'éclairement favorables (soleil oblique pour bien voir la morphologie du terrain) pour que les photos présentent le maximum de texture (garantie d'une bonne restitution du relief) ;

de voler dans des conditions de vent faible en ULM pour éviter les flous de bouger par effet de roulis de l'avion dans les rafales ;

d’avoir un géoréférencement très strict (strictement centimétrique) pour permettre le calcul des différences. La résolution est si fine que le géoréférencement devient très complexe même avec un GNSS de qualité.

Ce travail sera traduit par la création de fiches techniques présentant les possibilités et limites actuelles des captations aériennes à l’étude de la morphologie des sites et au suivi de la végétation Remerciements Cette opération est co-financée par l’ADEME. Le DPSM gestionnaire du site est ici remercié pour la mise à disposition du site.

Les Rencontres nationales de la Recherche sur les sites et sols pollués sont organisées par l’ADEME avec ses partenaires tous les 4 à 5 ans sur Paris.Elles sont l’occasion pour les acteurs de la gestion des sites et sols pollués (chercheurs, gestionnaires de sites, sociétés d’études, d’aménagement, de travaux, élus, associatifs, acteurs de la santé publique, services de l’Etat, etc.) et de l’économie circulaire de partager leurs expériences et de confronter leur point de vue.

Les participants aux rencontres pourront ainsi :• s’informer sur les avancées et les faits marquants de la

recherche dans le domaine des sites et sols pollués sur les 5 dernières années,

• et débattre sur les questions de gestion des sols, qu’ils soient urbains, industriels ou agricoles, pollués par les activités industrielles.

Les recherches orientées sur les pollutions d’origine agricole et radioactives sont exclues du champ thématique de ces rencontres.

Riche en contenus et débats, cet évènement incontournable pour les acteurs du domaine des sites et sols pollués rassemble plus de 420 participants.Une synthèse a posteriori sera diffusée pour orienter et identifier les besoins de recherche prioritaires pour la période 2020 – 2025.

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ÉCOLOGIQUEET SOLIDAIRE

MINISTÈREDE L’ENSEIGNEMENT SUPÉRIEUR,

DE LA RECHERCHEET DE L’INNOVATION

L’ADEME EN BREFL’Agence de l’Environnement et de la Maîtrise de l’Energie (ADEME) participe à la mise en œuvre des politiques publiques dans les domaines de l’environnement, de l’énergie et du développement durable. Elle met ses capacités d’expertise et de conseil à disposition des entreprises, des collectivités locales, des pouvoirs publics et du grand public, afin de leur permettre de progresser dans leur démarche environnementale. L’Agence aide en outre au financement de projets, de la recherche à la mise en œuvre et ce, dans les domaines suivants : la gestion des déchets, la préservation des sols, l’efficacité énergétique et les énergies renouvelables, les économies de matières premières, la qualité de l’air, la lutte contre le bruit, la transition vers l’économie circulaire et la lutte contre le gaspillage alimentaire.

L'ADEME est un établissement public sous la tutelle conjointe du ministère de la Transition écologique et solidaire et du ministère de l’Enseignement supérieur, de la Recherche et de l’Innovation.www.ademe.fr ou suivez-nous sur @ademe

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