Les modèles Eulériens de chimie-transport simulent les phénomènes de formation des polluants atmosphériques dans des mailles de résolution horizontale qui sont généralement de l’ordre de plusieurs kilomètres. Les panaches issus des sources industrielles, de dimensions initiales de l’ordre du mètre, sont donc artificiellement dilués, détériorant alors la représentation de leur impact potentiel sur la qualité de l'air ambiant. Une approche de modèle de panache sous-maille peut-être mise en œuvre pour traiter ce problème. Le modèle de panache sous-maille de Polyphemus traite les émissions des sources ponctuelles industrielles par l'intermédiaire d'un modèle à bouffées gaussiennes qui interagit dynamiquement avec un modèle eulérien. Ceci permet de modéliser la qualité de l’air à grande échelle (régionale à continentale), tout en gardant une bonne représentation des panaches, y compris à l’échelle locale.Les travaux menés dans le cadre de cette thèse ont permis d’améliorer le modèle de panache sous-maille de Polyphemus en intégrant une représentation plus fine de la granulométrie des particules, et d’approfondir les évaluations du modèle à différentes échelles. Ils ont été réalisés selon deux phases principales.La première consiste en l’évaluation à l'échelle continentale du modèle eulérien de Polyphemus dans le cadre de l'exercice d'intercomparaison Eurodelta. La phase actuelle du programme vise à étudier les tendances de pollution à l’échelle de l’Europe sur les vingt dernières années, ainsi que la sensibilité de ces tendances modélisées aux données météorologiques, aux émissions européennes et aux émissions extra-européennes (implicitement représentées par les conditions aux limites). Dans ce contexte, les performances du modèle eulérien de Polyphemus sont évaluées en comparaison à sept autres modèles. Pour cette thèse, l'étude se concentre plus spécifiquement sur l’évaluation de la modélisation des concentrations en aérosols organiques secondaires (AOS), et leurs sensibilités aux différentes paramétrisations utilisées par les modèles participants.La seconde phase présente l’utilisation du modèle de panache sous maille de Polyphemus dans le contexte de différentes campagnes de mesures. En premier lieu, le modèle est appliqué dans le contexte d’une campagne de mesures réalisée en avril 2013 au voisinage de la raffinerie Total de Grandpuits en Seine-et-Marne. Cette étude a permis d'évaluer les performances du modèle à l’échelle de la région Île-de-France et à l'échelle locale. La contribution de la raffinerie aux concentrations en particules inhalables, en interaction avec les autres sources locales, a été analysée. En second lieu, le modèle est appliqué dans le contexte des deux campagnes d'observation du projet TEMMAS (« TEledetection, Measure, Modeling of Atmospherics pollutants on industrial Site »), réalisées au voisinage de la raffinerie Total de La Mède dans les Bouches-du-Rhône en septembre 2015 et février 2016. Les performances du modèle sont évaluées en comparaison à des mesures intensives de concentrations en masse et en nombre et de composition des particules au voisinage de la raffinerie de la Mède / Eulerian Chemical-Transport Models (CTM) simulate the formation of atmospheric pollutants in gridded domain with horizontal resolutions that are usually of the order of several kilometers. Industrial plumes emitted from elevated stacks with initial dimensions of a few meters are, therefore, artificially diluted in those grid cells, thereby deteriorating the representation of their potential impact on local air quality. A Plume-in-Grid modeling approach may be used to improve the representation of industrial plumes. The Polyphemus Plume-in-Grid model treats point source emissions with a Gaussian puff model, dynamically interacting with an Eulerian model. This approach allows one to model air quality at several scales (regional to continental) while ensuring a good representation of industrial plumes from local to continental scales.In this thesis, the Polyphemus Plume-in-Grid model has been improved by integrating a finer representation of the particle size distribution. Several studies were also conducted in order to further the model performance evaluation at various scales. This thesis consists of two main parts.The first part covers the evaluation of the Polyphemus Eulerian model at the continental scale, in the context of the Eurodelta model intercomparison project. The current phase of Eurodelta consists in studying pollution trends at the European scale over the past two decades and the sensitivity of those trends to meteorology, European emissions, and extra-European emissions (represented in the models by the boundary conditions). In this context, the performance statistics of the Polyphemus Eulerian model are evaluated in comparison to seven other CTM. This thesis focuses principally on secondary organic aerosol (SOA) modeling, and their sensitivity to various parameterizations used in the participating CTM.The second part presents applications of the Polyphemus Plume-in-Grid modelto different field measurement campaigns. The first campaign focuses on the month of April 2013, in the vicinity of the Total refinery of Grandpuits, Seine-et-Marne. Model performance is evaluated at the regional scale, with the refinery sources treated with the Plume-in-Grid representation. The refinery contribution to local respirable particle concentrations, in interaction with local sources, is analyzed. Next, the model is applied to two measurement campaigns of the TEMMAS project (“TEledetection, Measure, Modeling of Atmospheric pollutants on industrial sites”), conducted in the vicinity of the Total refinery at La Mède, Bouches-du-Rhône, in September 2015 and February 2016. The performance of the Polyphemus Plume-in-Grid model is evaluated with intensive measurements of mass concentrations, number concentrations, and chemical composition of particles in the vicinity of the refinery

The influence of a mega-city on the atmospheric boundary layer and surface conditions was examined in the complex-terrain, semi-arid Tehran region using the Pennsylvania State University/National Center for Atmospheric Research fifth-generation Mesoscale Model (MM5) during a high pollution period. In addition, model sensitivity studies were conducted to evaluate the performance of the urban canopy and urban soil model "SM2-U (3D)" parameterization on the meteorological fields and ground level air pollutant concentrations in this area. The topographic flows and urban effects were found to play important roles in modulating the wind and temperature fields, and the urbanized areas exerted important local effects on the boundary layer meteorology. An emission inventory of air pollutants and an inventory of heat generation were developed and updated for 2005 in this work. Emissions from on-road motor vehicles constitute a major portion of the emission inventory and play the most important role in terms of contributions of air pollutants to the atmosphere in Tehran. By using a detailed methodology, we calculated spatial and temporal distributions of the anthropogenic heat flux (Qf) for Tehran during 2005. Wintertime Qf is larger than summertime Qf, which reflects the importance of heating emissions from buildings and traffic during cold and warm period respectively. Different urban parameterizations were used as a tool to investigate the modifications induced by the presence of an urban area in the area of interest. It was found that, for local meteorological simulations, the drag-force approach coupled with an urban soil model (DA-SM2-U) is preferable to the roughness approach (RA-SLAB). The comparisons indicated that the most important features of the wind, temperature and turbulent fields in urban areas are well reproduced by the DA-SM2-U configuration with the anthropogenic heat flux being taken into account (i.e., "DA-SM2-U Qf: On" option). This modeling option showed that the suburban part of the city is dominated by topographic flows whereas the center and south of Tehran are more affected by urban heat island (UHI) forcing especially during the night. The chemical transport modeling, including a model sensitivity study, was used to investigate the impact of the different urban parameterization on the dispersion and formation of pollutants over the Tehran region. Results show that applying DA approaches leads to significant improvements in the simulated spatial and temporal distribution of air pollutant concentrations in the city area and affects significantly the size of the urban plumes.

La dissolution de verres borosilicatés en présence de minéraux magnésiens a été étudiée. Ces minéraux (dolomite, illite, smectite…) appartiennent à la couche géologique (Callovo-Oxfordien) destinée à accueillir le stockage des déchets nucléaires vitrifiés en France. Ils contiennent du magnésium, élément capable d'entretenir l'altération du verre lorsqu'il est disponible en solution. Dans les milieux confinés du stockage, la réactivité des solides contrôle la composition de la solution et peut être la force motrice de l'altération des verres nucléaires. Les expériences montrent que les carbonates magnésiens (hydromagnésite, dolomite) entretiennent l'altération du verre : la précipitation de silicates de magnésium empêche la recondensation du silicium dans la couche passivante en surface du verre. Plus le minéral magnésien est soluble, plus l'altération du verre est importante. Les phases argileuses purifiées (illite, smectite…) du Callovo-Oxfordien (COx) augmentent également l'altération du verre. La moitié du magnésium échangeable de ces phases a été remplacée par du sodium lors du protocole de purification. Dans ces conditions, l'effet des phases argileuses sur l'altération du verre est en partie dû au pH acide qu'elles imposent. Le modèle d'altération des verres GRAAL implémenté dans le code de transport réactif HYTEC a permis de confirmer et de quantifier les mécanismes identifiés à partir des expériences en système fermé. Des expériences en cellule de diffusion, deux compartiments séparés par une barrière diffusive inerte, ont permis de valider une modélisation du transport réactif. Ces expériences, plus représentatives des conditions de stockage, où le bloc de verre sera séparé du COx par les produits de corrosion des aciers, illustrent le ralentissement des cinétiques attendu compte tenu de l'éloignement du verre et des minéraux réactifs. / Borosilicate glasses dissolution has been studied in presence of magnesium minerals. Those minerals (dolomite, illite, smectite…) belong to the Callovo-Oxfordian (COx) claystone layer, studied in France as a potential site for nuclear waste disposal. Such minerals contain magnesium, an element able to sustain glass alteration when it is available in solution. In the confined media of the wastes disposal, thesolids reactivity controls the solution composition and can be the driving force of nuclear glass alteration. Experiments show that magnesium carbonates (hydromagnesite and dolomite) increase in the glass alteration: the precipitation of magnesium silicates consumes silicon which slows down the formation of the glass passivating layer. The lower the magnesium mineral solubility, the lower the glass alteration.The purified clay phases (illite, smectite…) from the COx layer increase the glass alteration. Half the magnesium was remplaced by sodium during the purification process. In such conditions, the effect of clay phases on glass alteration is in part due to the acidic pH-buffering effect of the clay fraction. The GRAAL model implemented in the geochemical transport code HYTEC has confirmed and quantified the mechanisms put in evidence in the experiments. Cells diffusion experiments where the two solids were separated by an inert diffusion barrier allow to valid reactive transport modelling. Such experiments are more representative of the glass package which will be separated from the COx by corrosion products. They show that glass alteration rate is reduced when solids are not close.

Cette thèse porte sur l’étude de l’évolution de la qualité de l’air en Europe et en France dans les prochaines décennies à l’aide de simulations numériques. Dans les études des impacts de l’évolution du climat sur la qualité de l’air, les modèles de chimie atmosphérique utilisent des sorties de modèles climatiques globaux ou régionaux qui fournissent les « forçages », c’est-à-dire les conditions météorologiques simulées pour les périodes futures. Contrairement aux analyses météorologiques, qui représentent la variabilité jour à jour du temps, les sorties des modèles de climat doivent nécessairement être interprétées de manière statistique : elles ne représentent la météorologie que dans un sens climatologique. Afin de pouvoir commenter utilement les simulations futures de qualité de l’air, il est nécessaire d’évaluer au préalable et pour le climat présent, la qualité des simulations calculées avec des forçages climatiques par rapport aux références que constituent les simulations calculées avec des forçages analysés et, bien entendu, les observations. Trois simulations pluri-annuelles (6 ans) ont été lancées pour la période actuelle (2000-2010) et ont été comparées ; elles différent par l’utilisation d’analyses météorologiques ou de forçages de modèle de climat (pour les paramètres atmosphériques seuls et par ailleurs, pour les paramètres atmosphériques et le calcul des échanges en surface) en entrée du modèle de chimie-transport tridimensionnel de Météo-France, MOCAGE. Nous avons évalué ces différentes simulations par comparaison aux observations de la base de données européenne AirBase. Nous avons ensuite comparé les performances de ces simulations pour un grand nombre de scores quantitatifs, en analysant d’une part les effets liés aux champs météorologiques (température, vent, humidité, etc.) et d’autre part, ceux liés aux échanges en surface (comme les vitesses de dépôts, les émissions biogéniques) qui dépendent également de la météorologie. Nous avons ainsi évalué comment ces changements affectent les distributions horizontales et verticales des polluants. In fine, nous avons caractérisé la fiabilité des simulations de qualité de l’air reposant sur des forçages issus de modèles climatiques pour le climat présent : des indicateurs (biais moyens, biais moyens normalisés, RMSE, déviations standards) et des index de qualité de l’air (comme le dépassement de seuils) se distinguent et peuvent donc servir de base fiable pour l’interprétation des résultats pour les simulations du futur. Enfin dans une troisième partie, ces indicateurs considérés comme pertinents ont été utilisés pour étudier des simulations de qualité de l’air aux horizons 2030 et 2050 (5 ans). Comme attendu, l’évolution des paramètres météorologiques (température, précipitation, vent) modifie les quantités et la dispersion des polluants dans l’atmosphère, mais l’évolution des émissions en Europe et dans le reste du monde joue aussi un rôle important. Ainsi, face à l’évolution du climat et la hausse des émissions dans certains pays du monde, en Asie notamment, les effets des politiques Européennes pour réduire les émissions anthropiques sont mitigés selon les régions et les polluants, dépendant de l’influence relative des phénomènes locaux et du transport de polluant à longue distance. / This thesis aims at predicting how European and French air quality could evolve over the next decades using numerical modeling. In order to study the impacts of climate change up on regional air quality, atmospheric chemistry models rely on global or regional climate models to produce “forcings”, i.e. meteorological conditions for future periods. Unlike meteorological analyses, which can represent specifically each date and hour thanks to the assimilation of observations, climate model outputs need to be averaged and can only be interpreted in a climatological sense. And so are air quality hindcasts relying on them for their forcings. In order to properly interpret air quality simulations in a future climate, it is a pre-requisite to assess how realistic air quality hindcasts are when driven by forcings from climate models for the current period in comparison to the references, which are simulations with the same set-up but relying on meteorological analyses and observations. Three six-year simulations for the current climate (2000-2010) have been run with the three-dimensional chemistry transport model of Météo-France, MOCAGE. These simulations only differ by the meteorological forcings used, either operational meteorological analyses or outputs from climate simulations (for atmospheric parameters only ; for atmospheric parameters as well as surface exchanges, which depend also on the weather). We compared the three simulations and evaluated them against the European air quality database of the European Environment Agency, AirBase. Further, we investigated how statistical skill indicators compare in the different simulations, assessing the effects of meteorology on atmospheric fields (temperature, wind, humidity,...) and on the dependent emissions and deposition processes (such as deposition velocities, volatile organic compound emissions, ...) that depend upon meteorology. We have in particular studied how these factors affect the horizontal and vertical distributions of species. In the end, we have estimated how reliable are skill indicators for the simulations run with “climate” forcings : some indicators (mean bias, mean normalized bias, RMSE, deviation standards, number of exceedance days) are sufficiently close to the ones obtained with the reference configuration (relying on analysed meteorological forcings) to be considered reliable. They can thus be used to interpret simulations for future periods. We have run simulations of European air quality in the 2030s and 2050s (5 years for each period). They are discussed using the indicators previously indentified. As expected, the changes in meteorological parameters (temperature, precipitation, wind, ...) affect the quantities and distributions of pollutants in the atmosphere, but the future evolutions in European and global emissions also play a significant role. Faced with climate change and increased emissions in some countries in the world, as in Asia, the impacts of European policies for reducing anthropogenic emissions are mitigated, depending on the regions and the pollutants due to the respective influence of local emission and of long-range transport of pollutants.

La tenue à long terme d'un colis de verre de déchets nucléaires dépend fortement des réactions chimiques opérant au niveau des surfaces au contact de l'eau. Les études entreprises sur des colis de verre inactif fracturés indiquent que le réseau de fissures participe significativement à la surface réactive. Néanmoins, l'interprétation des données expérimentales disponibles, dont la complexité est liée à la méconnaissance du réseau de fissures et des conditions locales d'altération, ne permet pas d'appréhender l'ensemble des mécanismes physico-chimiques mis en jeu.<br />Une meilleure compréhension de ces mécanismes passe par l'étude du couplage chimie transport dans des objets simples : les fissures modèles. L'altération de ces fissures dans des conditions agressives (pH>11) montre que la configuration de la fissure (horizontale ou verticale) impose le mécanisme de transport prépondérant (respectivement diffusion ou convection associée à la gravité). Ce mécanisme convectif semble négligeable à des pH plus faibles. La vitesse convective est estimée via un modèle 1D de transport réactif.<br /> Deux autres paramètres ont été étudiés : l'influence d'un gradient thermique et celle de l'interconnectivité des fissures sur l'altération. Une rétroaction forte de la vitesse convective, induite par un gradient thermique, sur la cinétique d'altération est observée au sein de la fissure.<br /> Ces travaux ont abouti à la réalisation d'une expérience intégrale d'altération d'un réseau de 163 fissures soumis à un gradient thermique. <br />L'utilisation du code géochimique HYTEC dans le cadre cette étude révèle les bonnes potentialités du logiciel cependant le modèle cinétique d'altération reste à améliorer.

La quantification des impacts sanitaires et climatiques des aérosols nécessite de pouvoir quantifier précisément leur concentration, leur composition chimique et leur distribution en taille. Parmi les nombreux aérosols émis par les activités anthropiques et naturelles, les émissions de feux de végétation et leur transport sont encore très incertains. Ce travail de thèse vise à améliorer la caractérisation de ces feux, afin de mieux les représenter par modélisation. Afin de couvrir différents types de feux, l’étude portera à la fois sur des analyses de cas en Euro-Méditerranée et en Australie. L’analyse porte tout d’abord sur les informations nécessaires afin de calculer un flux d’émissions de feux : les surfaces brulées et les hauteurs d’injection sont quantifiées par analyse d’observations satellitaires. Les observations MODIS permettent de montrer que la végétation brûlée en Europe est principalement constituée et en moyenne de surfaces agricoles (70%), tandis que les feux de savane et de maquis dominent en Australie (50% et 40%). Au sein de cette moyenne, de très fortes hétérogénéités spatiales sont relevées, avec, par exemple, des feux de forêt représentant 13% au Portugal et 65% au Sud-Est de l’Australie du total observé. A partir d’observations MISR et CALIOP, il est montré que les hauteurs d’injection sont principalement près de la surface et vers 2000 m d’altitude pour les deux régions. Les plus grandes différences d’injection sont relevées au delà de 4000 m avec 4,6-6,4% des émissions en Europe et 8,9-11% en Australie... / To determine the health and climatic impacts of aerosols, the quantification of their precise concentrations, their chemical composition and their size distribution is needed. Among the several aerosols emitted from anthropogenic and natural activities, fire emissions and their transport are still a concern. This work aims to improve the characterization of these fires, to allow a better representation in models. To cover different types of fires, the study focuses on case studies in the Euro-Mediterranean region and in Australia. First, the information needed to compute fire emission fluxes is analyzed: the burnt area and injection heights are quantified using satellite observations. MODIS observations shows that the burnt area in Europe is mainly composed, on average, of cropland (70%), whereas savannah and shrubland fires are preponderant in Australia (50% and 40%). However, strong spatial heterogeneities are noticed, with by example forest fires representing 13% of the total observed burned area in Portugal and 65% in South-West of Australia. Using MISR and CALIOP observations of plume heights, it is shown that injection heights are mainly concentrated near the surface and at about 2000 m of altitude for the two regions. The highest differences are noticed above 4000 m, with 4,6-6,4% of emissions in Europe and 8,9-11% in Australia...

Depuis le milieu des années 90, la minéralisation in situ du CO2 est envisagée comme une solution durable et efficace pour limiter ses émissions anthropiques vers l'atmosphère. Il s'agit de récupérer le CO2 émis par certaines industries pour le piéger en profondeur sous forme minérale (carbonates) dans les aquifères mafiques et ultramafiques naturels (de type basaltes et péridotites). La carbonatation du CO2 a été largement décrite dans les systèmes naturels où elle apparait à travers une série de réactions chimiques couplées au transport des espèces réactives dans le fluide. Plusieurs expériences en réacteurs fermés ont été menées depuis une quinzaine d'années afin de mieux comprendre les paramètres physico-chimiques contrôlant ces réactions. Mais très peu d'études n'ont encore caractérisé les processus de transport-réactif au cours de l'injection et de la minéralisation in situ du CO2 dans ces roches.Ces travaux visent à répondre à 3 principaux objectifs : (i) caractériser l'évolution des chemins réactifs lors de l'injection de CO2 dans des roches (ultra-)mafiques, (ii) mesurer les effets en retour des réactions sur les propriétés hydrodynamiques du milieu et (iii) quantifier le rendement et la pérennité des processus sur le long terme. Ils s'appuient sur le développement de protocoles expérimentaux pour (i) reproduire l'injection de CO2 dans les roches (ultra-)mafiques et (ii) caractériser les réactions à l'aide d'une série d'outils géochimiques et analytiques de l'échelle atomique à centimétrique. Trois séries d'expériences de percolation réactive ont été réalisé sur des agrégats (ultra-)mafiques relativement simples (olivines de San Carlos et d'Hawaii) et plus complexes (basaltes de Stapafell) dans des conditions de P-T-confinement in situ (Ptot=10-25 MPa ; T=180-185°C;Pconf=15-28 MPa).Les résultats obtenus ont permis de différencier plusieurs chemins réactifs dans ces systèmes en fonction du transport du fluide, de la porosité du milieu, des hétérogénéités locales de la roche, de la minéralogie et/ou des variations locales de la composition chimique du fluide. Les calculs du bilan de masse ont révélé une minéralisation efficace du CO2 contrôlée par les propriétés chimiques et hydrodynamiques du milieu. Mais certaines réactions associées à l'altération des roches (ultra-)mafiques (hydratation) ont des effets en retour négatifs sur les propriétés réservoirs de la roche (porosité, perméabilité) pouvant compromettre la pérennité du stockage du CO2 dans les aquifères naturels sur le long terme.Ces nouvelles données permettront aux modèles numériques de mieux simuler la carbonatation des roches (ultra-)mafiques en connaissant les propriétés hydrodynamiques du milieu et les hétérogénéités structurales du réservoir. Elles suggèrent aussi qu'un meilleur contrôle de certains paramètres d'injection, comme le débit ou la composition du fluide injecté (ex: pCO2), permettrait d'améliorer le taux et le rendement de la carbonatation. / Since the mid-90s, in situ mineralization of CO2 has been considered as a safe and efficient solution to mitigate its anthropogenic emissions to the atmosphere. It is to recover the CO2 emitted by some industries and trap it in the mineral form (carbonates) in mafic and ultramafic aquifers (e.g. basalts and peridotites). The carbonation of CO2 has been widely described in natural systems where it occurs through a series of complex chemical reactions coupled to the transport of reactive species in the fluid. Numerous experiments have been conducted in batch reactors over the past fifteen years to better understand the physico-chemical parameters controlling the carbonation of (ultra-)mafic rocks. But few studies have further characterized the coupling reactive-transport processes during the injection and in situ mineralization of CO2 in these rocks.This work aims to meet 3 main objectives: (i) characterize changes in reaction paths during the injection of CO2 in (ultra-)mafic systems, (ii) measure the feedbacks effects of chemical reactions on the hydrodynamic rock properties and (iii) quantify the efficiency and sustainability of such processes over long time periods. It is based on the development of experimental protocols to (i) reproduce the injection of CO2 into (ultra-)mafic rocks and (ii) characterize the reactions using a series of geochemical and analytical tools from the atomic to the centimetric scale. Three series of reactive percolation experiments have been performed on (ultra-)mafic aggregates from relatively simple (olivines from San Carlos and Hawaii) to more complex samples (basalts from Stapafell) under in situ P-T-containment conditions (Ptot=10-25 MPa; T=180-185°C; Pcont=15-28 MPa).The results allowed us to differentiate several reactions paths in these systems depending on the fluid transport, rock porosity, local hydrodynamic properties, mineralogy and/or local changes in the fluid composition. Mass balance calculations have revealed an efficient mineralization of CO2 in the samples. It is controlled by the chemical and the hydrodynamic properties of the rock at the pore scale. But some reactions associated with the alteration of (ultra-)mafic rocks (e.g. hydration) have negative feedbacks effects on the reservoir rock properties (porosity and permeability) that may compromise the sustainability of CO2 storage in natural aquifers in the long term.These new supporting data will allow numerical models to better simulate the carbonation of (ultra-)mafic rocks knowing the hydrodynamic properties and the structural heterogeneities of the reservoir. They also suggest that a better control of some injection parameters, such as the flow injection rate and the injected fluid composition (e.g. pCO2), would improve the rate and yield of CO2 mineralization in these systems.

Depuis une vingtaine d'années, l'abandon des mines de fer lorraines a entraîné un ennoyage progressif des anciens travaux miniers avec pour conséquences sur l'eau souterraine : une modification des écoulements et une dégradation de la qualité de l'eau. Dans ce contexte, notre travail avait pour objectifs de caractériser l'évolution de la qualité de l'eau souterraine pendant et après l'ennoyage, d'en déterminer les causes et de fournir les bases d'un outil d'aide à la gestion de l'eau. A cet effet, une synthèse des connaissances concernant le drainage minier, et plus particulièrement les mécanismes chimiques qui en sont la cause, a été réalisée. Notre attention s'est ensuite portée sur le cas particulier du bassin ferrifère lorrain (BFL). Une étude expérimentale a été réalisée en laboratoire sur des échantillons prélevés en mine dans la partie nord du BFL. Elle comprend une étude minéralogique, des essais en réacteurs fermés, dont certains ont intégré un suivi de la composition des gaz, et des expériences de lessivage en colonne. Cette étude a permis de caractériser l'évolution de la qualité de l'eau lorsqu'elle est mise en contact avec les roches du BFL : nature de la pollution, durée et origine minéralogique probable. A partir de ces résultats, un modèle chimique cinétique a été construit, puis a été intégré dans un modèle de mélangeur parfait. Ces simulateurs reproduisent les concentrations observées dans l'eau à l'issue des essais en réacteurs fermés et au cours des expériences de lessivage en colonne. Un scénario expliquant l'évolution de la chimie de l'eau lors de sa mise en contact avec les roches du BFL a ainsi pu être proposé. Enfin, sur cette base, un simulateur a été construit et permet de reproduire l'évolution de la qualité de l'eau au point de débordement du secteur Sud du bassin ferrifère lorrain, dont l'ennoyage a débuté en 1995.

Tous les produits de construction ou les ouvrages qui sont en contact avec l’eau de pluie, sont susceptibles de relarguer des composants chimiques potentiellement dangereux pour la santé humaine et l’environnement. Actuellement, le relargage des substances dangereuses dans l’eau est évalué essentiellement par des méthodes expérimentales - généralement des essais de lixiviation réalisées à l’échelle du laboratoire. Par ailleurs, les impacts environnementaux des produits de construction et des bâtiments sont évalués par l’approche Analyse de Cycle de Vie (ACV), réalisées à partir de données propres aux fabricants et de données génériques existantes constituées en bases de données. Or, les émissions de polluants pendant la vie en oeuvre des produits de construction sont actuellement mal prises en compte dans ces mêmes bases de données existantes et dans les méthodes utilisées pour l’évaluation des performances environnementales des produits et des bâtiments.Dans ce contexte, les objectifs de ces travaux ont été : (i) de développer une méthodologie pour l’évaluation du comportement à la lixiviation de différentes matrices de produits de construction et (ii) d’intégrer les données de lixiviation dans les méthodes ACV à l’échelle du bâtiment. La méthodologie développée pour l’évaluation du comportement à la lixiviation des produits de construction est basée sur : (1) des essais de caractérisation à la lixiviation, selon les méthodes standardisées d’évaluation répondant au Règlement Produits de Construction (RPC), (2) la modélisation et la simulation des phénomènes couplés chimie-transport à l’échelle laboratoire et vraie grandeur et (3) l’intégration des données de lixiviation, obtenues par des simulations numériques en conditions d’exposition naturelle des produits de construction, dans les méthodes ACV, aux échelles produit et bâtiment.La méthodologie proposée a été appliquée et validée sur trois produits de construction : le bois traité CBA (Cuivre - Bore - Azole), la plaque fibrociment et la membrane bitumineuse. Les comportements à la lixiviation du bois traité CBA et de la plaque fibrociment a été simulé pour des conditions naturelles d’exposition à long terme, en utilisant le logiciel géochimique PHREEQC®. Les modèles chimiques développées permettent de considérer les matrices organiques et minérales et leurs interactions avec les polluants. Les phénomènes de transport des substances ont été également modélisés. Les modèles d’émission développés (couplage chimie-transport) permettent de simuler la lixiviation dynamique des produits considérés, pour différentes conditions d’exposition. Pour la membrane bitumineuse, seule la caractérisation expérimentale a été réalisée. Les données de lixiviation obtenues lors des simulations sur la durée de vie en oeuvre des produits ont été intégrées dans les inventaires respectifs du cycle de vie (ICV) des produits. Des méthodes d’impact spécifiques ont été utilisées en association avec les inventaires enrichis pour évaluer les impacts “pollution de l’eau”, “toxicité humaine” et “écotoxicité” des produits considérés. L’ACV d’une maison simplifiée a été réalisée en utilisant le logiciel ELODIE. La méthode d’évaluation à l’échelle bâtiment consiste à intégrer les nouvelles données construites sur la base de la méthodologie développée à l’échelle produit aux autres données d’ACV à l’échelle bâtiment. La méthodologie développée au cours de ces travaux permet donc l’intégration des données de lixiviation dans les outils ACV dédiés au bâtiment / Any construction product and building undergoing contact with water during its life cycle can release chemical compounds potentially hazardous for the human health and the environment. The release of dangerous substances is presently investigated especially by experimental approaches commonly by laboratory leaching tests while the environmental impacts of construction products and buildings are evaluated by a Life Cycle Assessment (LCA) approach. The dangerous substances release during use stage of construction products (leaching behaviour) is currently very poorly represented in the existing data bases and methods for environmental assessment of construction products and buildings.In this context, the main objectives of this study were: (i) to develop a methodology for the assessment of the leaching behaviour of various construction products and (ii) to integrate the leaching data in LCA approach at building scale. The methodology developed for the assessment of the leaching behaviour of construction products is based on: (1) characterisation leaching tests at lab scale, following the horizontal standardised assessment methods for harmonised approaches relating to dangerous substances under the Construction Products Regulation (CPR), (2) modelling and simulation of coupled chemical and transport phenomena at lab and field scale, and (3) utilisation of simulated leaching data for the construction products exposed in natural condition with the LCA method for the characterization of the hazardous effect during the use stage. The proposed methodology was applied and validated on three different classical construction products i.e. CBA (Copper-Boron-Azole) treated wood, fibre-cement sheets and bitumen membranes. The leaching behaviour of CBA treated wood and fibre-cement sheets was simulated over several years under natural exposure conditions, using the geochemical software PHREEQC. The chemical models consider both the mineral and the organic matrixes and their interaction with treatmentcompounds. Mass transfer and transport phenomena were modelled. The developed coupled chemical-transport models are able to represent the dynamic leaching behaviour of the respective products in various leaching conditions. For bitumen membranes only experimental characterisation was possible. The leaching data obtained by simulation over the whole use stage of the products were integrated in the life cycle inventory (LCI) and the relevant life cycle impact assessment (LCIA) methods were applied with the enriched inventory. A simplified single-family house was modelled using a software designed to evaluate the intrinsic environmental performances of a building over its entire life cycle. ELODIE software was used in this work. The building scale assessment methodology is based on coupling the methodology developed for the product scale with the Life Cycle Assessment (LCA) at building scale. This methodology allows a proper integration of leaching data in LCA tools and answers several technical questions raised in the field

Dans le cadre du concept de stockage de déchets radioactifs à vie longue en couche géologique profonde développé par l'Andra, l’IRSN mène une étude in situ sur la Station Expérimentale de Tournemire, en collaboration avec EDF afin de déterminer les interactions acier/argilite dans un contexte naturel. Au terme de 10 ans d’interaction, deux forages ont été sur-carottés afin de caractériser les transformations de l’argilite de Tournemire au contact d’aciers carbone et inoxydables et de comparer les phénomènes réactifs mis en évidence et ceux induits par des simulations numériques par des codes de calcul géochimique et couplant chimie-transport.Les échantillons argilite/acier carbone montrent une importante corrosion du disque d’acier. Le fer libéré sous la forme d’auréoles et dans les fissures de la roche perturbe l’argilite au contact entraînant des modifications minéralogiques et structurales. La précipitation d’oxydes de fer ainsi qu’une dissolution de la calcite et des feuillets smectitiques des interstratifiés I/S sont identifiés. Une zonation métal/métal corrodé/argilite perturbée/argilite saine est mise en évidence et des variations de porosité sont observées marquant les interfaces entre deux zones. Les simulations géochimiques montrent que l’essentiel des modifications est rapidement initié lors de la mise en place du système et que l’oxygène piégé à la fermeture du système est consommé par la corrosion des aciers mais surtout qu’il diffuse dans le matériau encaissant par gradient de concentration.Les échantillons argilite/acier inoxydable présentent une très faible corrosion par piqûration de l’acier. La minéralogie de l’argilite ne semble pas perturbée au cont / Within the framework of a long lived radioactive waste storage concept in deep geological layer developed by Andra, IRSN leads an in situ study on the Experimental Station of Tournemire, in association with EDF to determine the interactions steel/argillite in a natural context. After 10 years of interaction, two drillings overcoring performed to characterize the processings of the Tournemire argillite in contact with carbon and stainless steels and to compare reactive phenomena highlighted and those induced by simulations tools combining chemistry and transport.Argillite/carbon steel samples show a significant corrosion of steel disk. Iron released, in the form of rings and cracks in the rock, disrupts the argillite in contact resulting in mineralogical and structural changes. Iron oxides precipitation and a calcite and smectitic leaf of mixed-layers I/S dissolution are identified. A succession of areas: metal/metal corroded/argillite disturbed/argillite is highlighted and porosity variations are observed on the interfaces between two areas. Geochemical simulations show that major changes are initiated speedly during establishment of the system and the oxygen trapped in the closed system is consumed by the corrosion of steel but mostly it diffuses into the surrounding material through concentration gradient.Argillite/stainless steel samples have a very low pitting corrosion of steel disk. This does not seem to affect the mineralogy of the argillite in contact.