Les colloïdes naturels ou synthétiques peuvent être transportés dans les eaux souterraines et représenter ainsi une menace pour l'environnement. Pour mieux comprendre l'influence des propriétés des colloïdes, de l'écoulement et du milieu poreux sur les mécanismes de transport et de dépôt dans des aquifères, il est nécessaire de découpler les processus en contrôlant expérimentalement un maximum de facteurs. Ainsi, nous avons synthétisés des traceurs de colloïdes qui sont des nanoparticules de silice marquées, facilement détectables, dont les propriétés de surface et de taille sont contrôlées. Ils sont utilisés dans des expériences de transport en colonne pour déterminer l'influence de la taille, de la concentration en particules et de la force ionique de la solution sur le dépôt de colloïdes dans du sable d'Hostun. Les courbes de percée et les profils de dépôt sont mesurés et analysés. Les expériences menées avec des traceurs de différentes tailles en conditions défavorables au dépôt électrostatique ont mis en évidence un mécanisme de dépôt dépendant de la concentration et de la taille des particules. Les sites de dépôt sont supposés être la rugosité de surface des grains de sable et les pores de taille suffisamment petite. Les colloïdes sont retenus dans un volume fini de sites jusqu'à leur saturation. Lorsque la force ionique augmente, le mécanisme de dépôt identifié est lié aux interactions électrostatiques et est également sensible à la concentration en colloïdes. Un modèle avec un terme puits dépendant de la concentration en colloïdes et de la distance parcourue a permis de représenter les résultats expérimentaux sur toute la gamme de concentrations testée.

La région étudiée borde le Rhône, à l'amont immédiat de Lyon (à l'Est de cette ville) et couvre une superficie de 280 km2, dont 50 km2 d'alluvions modernes et 80 km2 d'alluvions fluvio-glaciaires et 100 km2 de collines glaciaires. A la suite d'un bilan des connaissances actuelles sur la pollution des eaux souterraines (bilan qui constitue la première des trois parties de ce mémoire) nous avons orienté nos recherches sur la pollution chronique de nature chimique. Cette pollution est en effet la moins étudiée. Elle est pourtant la plus communément répandue, la plus variée, la plus dispersée, et elle a une incidence notable sur l'ensemble des ions minéraux fondamentaux. La deuxième partie de notre mémoire a pour objet l'étude du milieu propagateur des polluants et la recherche de l'identification de la pollution de son origine à la nappe. La troisième partie est intitulée "Propagation et épuration naturelle de la pollution".

Le thème de cette étude est la modélisation du séchage d'un milieu poreux déformable partiellement saturé (solide, liquide et gaz). Cette modélisation tient compte de la nature du produit ainsi que des conditions initiales et de sa forme. En fait, au cours de leur séchage, les milieux poreux déformables subissent des contraintes liées au retrait volumique. L'objectif est de prévoir ces contraintes afin de contrôler la déformation du produit. La modélisation du séchage des milieux poreux saturés étant maîtrisée, de même pour les milieux non saturés et non déformables. La problématique se pose au niveau de la transition entre milieu saturé et milieu non saturé où il n'existe pas actuellement de modélisation physique continue. Dans ce travail, on propose un modèle décrivant les transferts de chaleur, de masse et de quantité de mouvement appliqué au séchage d'un milieu non saturé et déformable. Le gradient de pression est le terme moteur du transport de l'eau dans le milieu au travers de la loi de Darcy. La particularité du modèle est qu'il tient compte du fort couplage entre transport et comportement rhéologique du matériau en utilisant la notion de contraintes effectives. Les variables de couplage sont la vitesse de déformation du solide et la pression intrinsèque de la phase liquide. Le modèle est validé pour une argile à différentes conditions de séchage convectif. Les simulations montrent la faisabilité du modèle décrivant le séchage d'un milieu partiellement saturé et l'étude de sensibilité montre la forte influence de la perméabilité du matériau et de la pression capillaire d'une part, et des propriétés rhéologiques d'autre part.

La protection et la remédiation des ressources en eau sont un enjeu sociétal majeur, ainsi il est nécessaire de comprendre l’évolution de solutés, tels les polluants, au sein de la zone saturée et non saturée. Dans ce but, de nombreux travaux ont été consacrés à la modélisation du transport réactif en milieux poreux. Son déroulement à l’échelle de Darcy dépend des hétérogénéités microscopiques du milieu. Les modèles de réseau de pores qui simplifient la géométrie en un ensemble de pores reliés par des liens de sections constantes, permettent de se placer à une échelle mésoscopique, faisant le lien entre l’échelle porale et l’échelle de Darcy. Sur de telles formes géométriques, l’écoulement admet un traitement analytique. En ce qui concerne le transport réactif des solutés, nous proposons une solution analytique dans les liens qui permet de calculer le débit de masse entre pores. Le modèle de transport se formule alors comme un système d’équations de Volterra de secondes espèces dont les noyaux de convolution sont des séries d’exponentielles décroissantes (hormis le premier terme qui est constant). Leurs temps de relaxation sont pilotés essentiellement par le temps de dispersion td. Dans la limite où td tend vers 0 à Péclet constant, les termes transitoires des noyaux se réduisent à un Dirac, débouchant sur un premier modèle simplifié à réponse instantanée c'est-à-dire un modèle de transport quasi-statique. Dans le cas où les volumes des pores sont suffisamment grands, les noyaux se réduisent à leur premier terme. Ces formulations du transport généralisent celles de la littérature. En particulier pour des Péclet petit ou grand on retrouve respectivement les modèles usuels en régime dispersif et convectif. Numériquement, la décroissance exponentielle des noyaux permet d’optimiser le calcul des convolutions avec une précision arbitrairement fixée, réduisant drastiquement le temps de résolution. / Protection and remediation of ground water resources are a major societal challenge. It implies to understand the evolution of solutes as pollutant in the saturated and non-saturated zones. For that purpose numerous studies have been conducted for modeling the reactive transport in a porous media. At Darcy scale, the behavior of solutes depends on microscopic heterogeneity for the media. The Pore Network Models (PNM) simplifies drastically its geometry and considers pores linked by straight throats the section of which is constant. They give a description which is in between the macroscopic and the pore descriptions. With such geometry it is possible to use a Poiseuille flow modeling the flux. With respect to the reactiontransport equation, we seek the analytical solution of the CDE in throats, which in turn allows computing the mass flux in pores. The transport solution consists of a Volterra equation system. Its convolution kernels result in a summation of time function which is decreasing exponentially with time (except the first term which still constant). The time constant is driven by the diffusion time td. As td goes to zero, keeping the Peclet number fixed, each term of the summation reduces to a Dirac. The response of the system is then instantaneous. When the volume of the pore is large enough it is possible to neglect all the term of the kernel except the constant one. In the limit where the Peclet number goes to zero, usual models are recovered. Numerically, the exponential time decreasing of the kernel allow to optimize their computational time up to an arbitrary fixed precision.

Les propriétés des argilites du Callovo-Oxfordien les désignent comme une barrière naturelle sûre pour le stockage de déchets radioactifs. Afin d’optimiser la prédiction de leur comportement, leur réponse à diverses sollicitations à court et long termes est étudiée. Notamment, lors de la phase d’exploitation, l’air ventilé dans les galeries n’est pas à l’équilibre hydrique avec la roche et peut perturber ses propriétés hydromécaniques (HM). Il semble alors essentiel de caractériser la réponse HM de la roche à des sollicitations hydriques.La démarche adoptée consiste à proposer un modèle physique adéquat, sur la base d’essais au laboratoire. L’essai de séchage est retenu puisqu’il permet d’étudier la réponse des échantillons en conditions non-saturées. A partir des résultats HM, un modèle élastique 2D isotrope est proposé, puis est élevé à la 3D avec un module de Young isotrope transverse. Ensuite, les données expérimentales servent à estimer certains paramètres poroélastiques et de transfert du modèle. Cette étape est accomplie par procédure inverse (minimisation de l’erreur mesures-calculs). Enfin, une modélisation 2D du comportement in situ est proposée, et compare les prédictions de modèles plastique isotrope et élastique isotrope transverse.Les simulations d’essais au laboratoire reproduisent assez bien les données expérimentales. Pour la modélisation in situ, une bonne corrélation est obtenue entre les prédictions et les mesures, et ce sans ajustement préalable des paramètres. Toutefois, le modèle souligne une influence limitée de la plasticité à l’échelle du laboratoire, alors que les phénomènes dissipatifs sont marqués in situ. Les modélisations 3D au laboratoire ne donnent pas de résultats plus fins qu’en 2D, mais reproduisent plus de données expérimentales (variations de masse, déformations axiales et latérales). De plus, injecter plusieurs types de données dans la formulation inverse permet d’améliorer la précision de l’algorithme. Par ailleurs, une meilleure stabilité de l’algorithme est obtenue en adoptant une convergence en deux étapes (simplex, puis méthode de type gradient). Les estimations numériques des paramètres corroborent les mesures expérimentales obtenues par ailleurs. / The Callovo-Oxfordian claystones’ properties make them reliable as a geological barrier for the confinement of radioactive wastes. In order to optimally predict their behavior, how they respond to various short and long terms loadings has to be studied. Particularly during the exploitation phase, air is continuously ventilated throughout the galleries. The climatic properties of this air are not balanced with those of the rock, and may perturb its hydromechanical (HM) attributes. Thus, assessing the HM response of the rock under hydric loading seems to be a priority.This dissertation begins with laboratory tests to propose an appropriate physical model. Drying tests were studied as they focus on the HM response of samples undergoing hydric loadings. A first 2D isotropic model is proposed, and then enhanced to 3D by considering a transversely isotropic Young modulus. Secondly, experimental results provide relevant data to estimate poroelastic and transport parameters involved in the model. Estimation is achieved according to an inverse procedure, which minimizes the error between measurements and model predictions. Finally, a real-size test is simulated using 2D models: an isotropic plastic one and a transversely isotropic elastic one.Model predictions reproduce well the laboratory tests data. When simulating the in situ behavior, a rather good agreement is obtained between the numerical and experimental results (although using the parameters estimated at the laboratory scale). However, the model highlights a limited influence of plasticity in the laboratory tests, while dissipative phenomena obviously occur in situ. 3D laboratory simulations do not improve the precision of 2D results, but reproduce more experimental data (mass variations, axial and lateral strains). Moreover, the inversion process is more efficient when ran over various kinds of data. Furthermore, stability of the algorithm is improved when adopting a two-phase convergence (simplex, followed by a gradient-like method). Numerical estimates of the parameters are in agreement with the direct experimental measurements obtained through other tests.