Cette thèse a été effectuée dans le cadre du projet ANCRES. Son rôle est d'assurer la compréhension physique du milieu récepteur, le sol, alors qu'une autre équipe étudie l'impact physico-chimique des eaux usées traitées sur le sol. Pour cela, il faut connaître ses propriétés texturales et structurales contrôlant ses fonctions d'épuration et d'évacuation. La problématique est donc de comprendre le processus de l'infiltration imposée par un dispositif d'ANC dans un sol caillouteux. D'abord, suite au positionnement du site pilote d'ANC au pied d'un versant au cœur du plateau portlandien dans le département de l'Yonne en France, on a identifié là un type de sol hétérogène et complexe, caillouteux, une colluvion qui n'était pas cartographiée sur la carte géologique BRGM de cette région et sur laquelle on focalise la thèse. Ensuite, dans le sol complexe du site pilote, on a d'abord mesuré la conductivité hydraulique du sol par l'appareil Guelph sur 15 m² de la fouille de l'ANC à une profondeur de 120 cm : au total, on a fait 15 essais d'infiltration. De plus, on a récupéré 15 échantillons du sol accompagnant ses essais de Guelph pour la caractérisation physique au laboratoire. On a mesuré la texture, l'humidité résiduelle (HR), la teneur en cailloux (Rw) et la matière organique (MO) des échantillons au laboratoire. Ensuite, pour l'étude du processus d'infiltration, on a instrumenté ce site par un dispositif de surveillance hydrique (tensiométrie, teneur en eau, piézométrie) et de prélèvement d'eau interstitielle du sol. De plus, la masse volumique (densité) apparente d'un sol hétérogène a été déterminée. Parmi les paramètres mesurés, certains sont choisis comme indicateurs pour caractériser un sol comme milieu récepteur potentiel des eaux usées traitées en ANC. Puis, en utilisant la MO et la texture des échantillons, on a estimé la masse volumique apparente de la matrice du sol du site piloteau moyen de fonctions de pédotransfert appelées BD-FPTs et on a testé la relation entre la conductivité hydraulique à saturation Ks et la texture de ce sol complexe. Pour cela, une méthodologie en quatre phases a été développée pour évaluer la capacité prédictive des fonctions Ks-FPTs. Cette méthodologie de sélection n'a pas été trouvée dans la littérature mais est élaborée pour les besoins de la thèse. On a déduit les meilleures Ks-FPTs pour ce type de sol. Enfin, avec les données d'humidité volumique et du potentiel matriciel du sol, acquises par une centrale d'acquisition des données, le régime hydrodynamique du sol sous le massif filtrant de l'ANC a été étudié et on a mis en évidence l'écoulement préférentiel dans un sol caillouteux. Les résultats ont montré que dans la colluvion, bien que la matrice du sol soit fine, la conductivité hydraulique mesurée est plus élevée qu'attendu. Cela démontre que la fraction des cailloux dans le sol joue un rôle essentiel en accélérant l'évacuation des eaux usées traitées et aussi l'eau pluviale vers les couches sous-jacentes, et finalement vers la nappe. Cette propriété serait un point fort pour la fonction de transfert du sol et on peut en déduire une méthode pour améliorer la capacité de transfert de l'eau des sols lourds dans les projets d'aménagement urbain ou périurbain : l'ajout de graviers et graves calcaires par mélange au sol en place. On conclut que cette expérimentation, unique en son genre, a été utile pour évaluer la fonction de rétention / transfert de l'eau dans le sol recevant les eaux usées traitées. On a identifié les paramètres prédicteurs pertinents et les relations empiriques qui permettent de faire l'économie de nombreux essais in situ d'eau / The soil is an essential compartment in hydrologic cycle of water in the nature. Therefore, it is clear that taking into account the properties and organization of the soil is essential to the understanding and management of flows involved in the development of the quality of groundwater and surface water. The on-site sanitation (ANC) is a management method of domestic wastewater, by which the water is sent into the soil after settling and filtration liquefaction / aerobic degradation. The second step was often provided by the top soil in place himself, and this continues to this day on many plots of on-site sanitation.This thesis was carried out under ANCRES project. Its role was to ensure the physical understanding of the receptor medium, soil, while another research team was investigating the physico-chemical impact of treated wastewater on the sol. To ensure it, we have to understand its textural and structural properties controlling its purifying power and hydrodynamic processes. So, the problematic is to understand the process of infiltration imposed by an ANC in a heterogeneous stony soil. At first, due to the positioning of the pilot ANC site, at the foot of a slope in the Yonne department in France, a type of complex and heterogeneous soil, a colluvion, was identified. This soil has not been mapped on the BRGM (Bureau de recherches géologiques et minières) geological map of the area. So, the thesis was focalised on this soil. Then, in this soil complex at a depth of the 120 cm of the excavation of the ANC, the soil hydraulic conductivity was first measured by a Guelph apparatus on 15 m². We totally made 15 infiltration tests. Furthermore, we have collected 15 soil samples with each Guelph test for physics laboratory physical characterization. Then, in order to study the soil functions, this site was instrumented by the water monitoring devices (tensiometers, water content probes, and piezometer) and the interstitial water sampling device from the soil. In addition, the bulk of this heterogeneous soil was determined. Among the measured parameters, a series of indicators chosen to characterize the soil as a potential receptor medium of treated wastewater of the ANC. Then, the bulk density of the soil matrix using pedotransfer functions called BD-FPTs was estimated and the relationship between saturated hydraulic conductivity Ks and the texture of the soil complex (by Ks-FPT function) was tested. For this aim, a four-phase methodology was developed to assess the predictive ability of Ks- FPTs functions. This methodology in four phases is not found in the literature but was prepared for the purposes of the thesis. We concluded the best Ks- FPTS for this type of soil. Finally, with the volumetric water content and soil matrix potential data acquired by a the data loggers, the hydrodynamic regime of the soil under the sand pack of the ANC has been studied and demonstrated the preferential flow in a stony soil was demonstrated. The results showed that in the colluvion, although the soil matrix is fine, the measured hydraulic conductivity is higher than expected. This shows that the stone fraction in the soil plays an important role in accelerating the evacuation of treated wastewater and also rainwater to the underlying layers, and finally to the water table. This property would be a strong point for the transfer function of the soil and we can deduce a method to improve the transfer function of heavy soils in urban or peri-urban development projects. This could be possible by adding the gravel and -limestone to soil matrix and mixing them. It has been concluded that this experiment, unique in its kind, has been useful in evaluating the function of retention / transfer of water in the soil receiving treated wastewater. In addition, the relevant predictor parameters and empirical relationships that make the economy of many water tests were identified

Cette thèse a été effectuée dans le cadre du projet ANCRES. Son rôle est d'assurer la compréhension physique du milieu récepteur, le sol, alors qu'une autre équipe étudie l'impact physico-chimique des eaux usées traitées sur le sol. Pour cela, il faut connaître ses propriétés texturales et structurales contrôlant ses fonctions d'épuration et d'évacuation. La problématique est donc de comprendre le processus de l'infiltration imposée par un dispositif d'ANC dans un sol caillouteux. D'abord, suite au positionnement du site pilote d'ANC au pied d'un versant au cœur du plateau portlandien dans le département de l'Yonne en France, on a identifié là un type de sol hétérogène et complexe, caillouteux, une colluvion qui n'était pas cartographiée sur la carte géologique BRGM de cette région et sur laquelle on focalise la thèse. Ensuite, dans le sol complexe du site pilote, on a d'abord mesuré la conductivité hydraulique du sol par l'appareil Guelph sur 15 m² de la fouille de l'ANC à une profondeur de 120 cm : au total, on a fait 15 essais d'infiltration. De plus, on a récupéré 15 échantillons du sol accompagnant ses essais de Guelph pour la caractérisation physique au laboratoire. On a mesuré la texture, l'humidité résiduelle (HR), la teneur en cailloux (Rw) et la matière organique (MO) des échantillons au laboratoire. Ensuite, pour l'étude du processus d'infiltration, on a instrumenté ce site par un dispositif de surveillance hydrique (tensiométrie, teneur en eau, piézométrie) et de prélèvement d'eau interstitielle du sol. De plus, la masse volumique (densité) apparente d'un sol hétérogène a été déterminée. Parmi les paramètres mesurés, certains sont choisis comme indicateurs pour caractériser un sol comme milieu récepteur potentiel des eaux usées traitées en ANC. Puis, en utilisant la MO et la texture des échantillons, on a estimé la masse volumique apparente de la matrice du sol du site piloteau moyen de fonctions de pédotransfert appelées BD-FPTs et on a testé la relation entre la conductivité hydraulique à saturation Ks et la texture de ce sol complexe. Pour cela, une méthodologie en quatre phases a été développée pour évaluer la capacité prédictive des fonctions Ks-FPTs. Cette méthodologie de sélection n'a pas été trouvée dans la littérature mais est élaborée pour les besoins de la thèse. On a déduit les meilleures Ks-FPTs pour ce type de sol. Enfin, avec les données d'humidité volumique et du potentiel matriciel du sol, acquises par une centrale d'acquisition des données, le régime hydrodynamique du sol sous le massif filtrant de l'ANC a été étudié et on a mis en évidence l'écoulement préférentiel dans un sol caillouteux. Les résultats ont montré que dans la colluvion, bien que la matrice du sol soit fine, la conductivité hydraulique mesurée est plus élevée qu'attendu. Cela démontre que la fraction des cailloux dans le sol joue un rôle essentiel en accélérant l'évacuation des eaux usées traitées et aussi l'eau pluviale vers les couches sous-jacentes, et finalement vers la nappe. Cette propriété serait un point fort pour la fonction de transfert du sol et on peut en déduire une méthode pour améliorer la capacité de transfert de l'eau des sols lourds dans les projets d'aménagement urbain ou périurbain : l'ajout de graviers et graves calcaires par mélange au sol en place. On conclut que cette expérimentation, unique en son genre, a été utile pour évaluer la fonction de rétention / transfert de l'eau dans le sol recevant les eaux usées traitées. On a identifié les paramètres prédicteurs pertinents et les relations empiriques qui permettent de faire l'économie de nombreux essais in situ d'eau

Les objectifs de la thèse sont de (i) modéliser le transport de l’eau, d’un traceur et des polluants dans les sols contaminés, (ii) étudier l’estimabilité des paramètres et les corrélations entre les paramètres, (iii) optimiser les paramètres. Les différents modèles implantés dans le logiciel HYDRUS qui permettent de rendre compte ou pas de l’écoulement préférentiel et du transport hors équilibre physique et chimique sont choisis. Les études concernant le transport d’eau dans un lysimètre de terrain ont montré que les données quotidiennes de pressions et de teneurs en eau volumique contiennent plus d’information que les données horaires, que les pressions ont plus d’information que les teneurs en eau volumique, et que les corrélations des paramètres ont fait perturber les résultats de l’optimisation. Sur le même lysimètre, l’étude d’estimabilité des paramètres caractéristiques pour le transport du traceur (bromure) a montré que les concentrations dans les solutions de percolation ne sont pas suffisantes pour estimer le paramètre de transfert de l’eau entre les zones mobile et immobile car ce paramètre est fortement corrélé avec le paramètre de transfert de soluté. Pour le transport des hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP) dans les colonnes de laboratoire sous différentes conditions de saturation en eau, quand le degré de transport hors équilibre chimique des HAP est élevé, les concentrations en HAP dans les solutions de percolation de la colonne non saturée contiennent plus d’information que celles dans la colonne saturée / Preferential flow and nonequilibrium transport are probably the most frustrating in terms of hampering accurate predictions of contaminant transport through the vadose zone. The mathematical description of preferential flow and nonequilibrium transport needs many parameters that are not measurable. Therefore, the inverse method is a promising way to estimate model parameters. The main objectives of this work are to (i) study the water flow using the uniform flow and dual-porosity models, tracer and contaminant transport using the uniform transport model and/or physical and chemical nonequilibrium transport models, (ii) investigate parameter estimability and correlations between different parameters, and (iii) optimize the hydraulic properties and solute transport parameters. The results concerning the water flow in the bare field lysimeter show that daily data contained much more information than hourly data, daily pressure heads contained more information than daily water contents; the correlations between different parameters hamper the optimization results strongly. Basing on the tracer concentrations in the leaching solution of the lysimeter, the first-order rate water transfer coefficient was not estimable since this parameter was highly correlated with the solute transfer coefficient. PAH concentrations in the leaching solution of the contaminated soil column under saturated and nonsaturated flow conditions show that when the degree of chemical nonequilibirum transport is high, the solute leaching of the nonsaturated column contained more information than those of the saturated column. In addition, the fraction of sites with instantaneous sorption and the linear adsorption distribution coefficient always showed a very strong correlation, they were impossible to optimize simultaneously

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