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Code de calcul multiphasique, multiconstituants et multiprocess
En cours 2012-2016

 

Objectifs et contenu

La réalisation d’études relatives à la pollution de sites pollués nécessite la mise en œuvre de codes de calcul pour quantifier les mécanismes qui régissent la migration de la pollution dans le milieu souterrain et prévoir le devenir de la pollution avec ou sans mise en œuvre de techniques de dépollution. Pour la majorité des sites pollués, les polluants à prendre en compte sont les composés organiques non miscibles à l’eau tels que les hydrocarbures pétroliers et les organo-halogénés volatils. La plupart des situations rencontrées mettent donc en jeu une zone source (une portion de milieu souterrain comprenant de la phase organique (NAPL)) et un panache de polluants dissous et/ou gazeux qui se développe au cours du temps et dans lequel différents mécanismes d’échanges entre phases et de la biodégradation peuvent intervenir. Ce type de pollution induit donc un grand nombre de mécanismes physiques couplés entre eux, alors que les outils de modélisation courants ne permettent pas de simuler de façon concomitante l’ensemble de ces mécanismes.

Dans ce contexte, un consortium composé du Laboratoire d’HYdrologie et de GEochimie de Strasbourg (LHYGES), de l’Institut de Mécanique des Fluides de Toulouse et de BURGEAP a initié un projet de R&D avec le soutien financier de l’ADEME afin de développer un tel logiciel.

Le code de calcul développé, appelé CubicM, permet de simuler le devenir de polluants organiques dans le milieu souterrain. Il est basée sur la méthode des éléments finis mixte hybrides et autorise des maillages structurés et non structurés. La résolution numérique est réalisée suivant la méthode des lignes, méthode adaptée pour la résolution d’équations différentielles partielles non linéaires et évolutives.

 

Fonctionnalités

Le code CubicM intègre l’ensemble des mécanismes pertinents pour simuler le devenir de polluants organiques non miscibles à l’eau dans le milieu souterrain (zone non saturée, zone de battement de nappe, zone saturée) :

  • écoulement triphasique (eau/air/phase organique)
  • transport des polluants dans les 3 phases : l’interaction des polluants en phase gazeuse est notamment considérée (diffusion multiconstituants)
  • transferts entre phases : dissolution, volatilisation et adsorption sont intégrés avec une approche en non équilibre local pour tenir compte des effets cinétiques des échanges entre phases en lien avec les hétérogénéités du milieu souterrain et de la répartition de la pollution
  • réactions chimiques modélisées avec des formalismes génériques (cinétique d’ordre 1, Monod, ...) et des formalismes spécifiques pour certaines familles de polluants. Un module dédié aux chloroéthènes incluant les mécanismes de compétition entre accepteurs/donneurs d’électrons est notamment inclus.

Outre le fait qu’il rassemble un grand nombre de fonctionnalités, l’originalité de CubicM tient dans certaines fonctionnalités qui permettent de décrire des situations pas ou peu modélisées à ce jour :

  • la diffusion multiconstituants dans l’air des sols permet d’appréhender les interactions entre les polluants volatilisés pour une meilleure prédiction des transferts de composés organiques volatils (COV) vers la surface
  • les cinétiques d’échanges lors des processus de dissolution et volatilisation permettent de décrire l’évolution temporelle des zones sources de pollution à long terme (plusieurs dizaines d’années) et jusqu’à la fin de vie de ces zones sources
  • les cinétiques d’échanges pour le mécanisme d’adsorption permettent notamment de décrire les effets rebonds observés après excavation des sols
  • les modules de biodégradation (phase eau et phase organique) spécifiques à certaines familles de polluants (chloroéthènes et hydrocarbures essentiellement) autorisent une prédiction plus fine du devenir de ces polluants lorsque ce mécanisme intervient de façon significative.

CubicM est lié, via une interface, à des outils de pré et postprocessing (Gmsh pour le maillage, Paraview pour la visualisation des résultats).

 

Documentation

Di Chiara Roupert R., Schäfer G., Ackerer P., Côme JM., Quintard M., Chavent G. 2009. CubicM, un code de calcul pour simuler le devenir de polluants organiques dans le milieu souterrain, 2èmes Rencontres nationales de la recherche sur les sites et sols pollués ADEME, 20-21/10/2009, Paris (poster).

Di Chiara Roupert R., Schäfer G., Quintard M., Chavent, G., Ackerer P., Côme JM., 2010. Numerical flow simulator for three-phase compressible flow in porous media based on a Total Differential Compatible condition. XVIII Int. Conf. on Computational Methods in Water Resources, Barcelona, 21-24/6/10, 9 p.

Di Chiara Roupert R., Schäfer G., Ramasomanana F., Quintard M., Côme JM., Duclos Y., 2014. Numerical simulation of compressible multiphase multicomponent processes in porous media : Non-local equilibrium formulation using the method of lines, Computational Methods in Water Resources, 10-13/06/2014, Stuttgart, Germany.

Fanilo R., Di Chiara R., Schäfer G., Quintard M., Côme JM., 2014. Modeling dissolution of multicomponent DNAPL in saturated porous media, Computational Methods in Water Resources, 10-13/06/2014, Stuttgart, Germany.

Chastanet J., Côme JM., Di Chiara Roupert R., Schäfer G., Quintard M. 2014. CubicM, un code de calcul pour simuler le devenir de polluants organiques dans le milieu souterrain, 3èmes Rencontres nationales de la recherche sur les sites et sols pollués, 18 et 19 novembre 2014, Paris. 4 p. www.rencontres-recherche-ssp.ademe.fr/

Chastanet J., Côme JM., Di Chiara Roupert R., Schäfer G., Quintard M. 2014. CubicM, un code de calcul pour simuler le devenir de polluants organiques dans le milieu souterrain, 3èmes Rencontres nationales de la recherche sur les sites et sols pollués, 18 et 19 novembre 2014, Paris. (présentation). www.rencontres-recherche-ssp.ademe.fr/

Chastanet J., Côme JM., Di Chiara Roupert R., Schäfer G., Quintard M. 2014. M3, a multiphase, multiconstituant and multiprocess code to model contaminated sites, Conference Modflow and more, may 31 – june 3 2015, Golden, CO, USA. 5p. (en cours).

 

 

 

 

 

 

Technologies et accès au logiciel

CubicM est en cours de développement. Il sera distribué gratuitement par l’ADEME et BURGEAP (disponibilité prévue en avril 2016).

 

Liens utiles

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