[pt] Esta dissertação tem por objetivo a implementação de uma ferramenta numérica para avaliação do fluxo transiente 3D saturado-não saturado em barragens de terra e enrocamento, baseado no método dos elementos finitos e no programa GEOFLUX implementado por Machado Jr. (2000) para análise de problemas 2D. Nesta nova versão, foram incluídos elementos triangulares de 3 nós para análises 2D e elementos tetraédricos de 4 nós para análises 3D. Implementam-se também subrotinas que oferecem a possibilidade de variação das condições de contorno com o tempo. A equação de Richards é solucionada considerando a formulação mista e o método iterativo de Picard Modificado para solução do sistema de equações não- lineares. Para a solução do sistema de equações utiliza-se um armazenamento especial para matrizes esparsas associado com o método do gradiente bi-conjugado, tornando o processo muito rápido, mesmo em sistemas de grande porte. Utilizam- se dois modelos para representar as curvas características: o modelo exponencial proposto por Srivastava e Yeh (1991) e o modelo proposto por van Genuchten (1980). O programa computacional desenvolvido (GEOFLUX3D) foi aplicado na análise de fluxo na barragem de enrocamento de Gouhou, China, e na barragem de terra Macusani, Peru. Os resultados numéricos indicam a necessidade de análises numéricas 3D em barragens situadas em vales estreitos, onde os efeitos de geometria nas condições de fluxo são significativos e não podem ser ignorados. / [en] The main objective of this thesis is to implement a numerical tool for the evaluation of 3D saturated / unsaturated transient flow through earth and rockfill dams with basis on the finite element method and a computer program written by Machado Jr. (2000) for analysis of similar 2D flow problems. In the 3D version, developed in this thesis, four-nodes tetrahedral elements were implement as well as special subroutines that make possible to vary in time the boundary conditions. The Richards` equation is solved through a mixed formulation, for the solution of the non-linear system of equations a Modified Picard`s method is employed. A special algorithm is used to store the sparse matrices which, in association with the bi-conjugated gradient method, rend the solver computationally very efficient, even for a large number of equations. Two different models were used to represent the characteristic curves: the exponential curve proposed by Srivastava and Yeh (1991) and the formulation suggested by van Genuchten (1980). The improved computer program, thereafter named GEOFLUX3D, was then applied for flow analysis of the Gouhou rockfill dam (China) and the Macusani earth dam (Peru). Numerical results point out that 3D numerical analyses are necessary for dams situated in narrow valleys, where the influence of the terrain geometry on the flow conditions are quite significant and cannot be just ignored.

A problemática associada à execução e interpretação de ensaios de campo (e.g. palheta e pizocone) em materiais siltosos motiva a presente pesquisa, onde são desenvolvidas modelagens analíticas em poroelasticidade para o estudo do efeito de fluxo transiente no solo. As modelagens desenvolvidas referem-se aos problemas de rotação e expansão de um cilindro inserido na massa de solo. A abordagem adotada para solução dos problemas baseia-se na equivalência entre a resposta local de um comportamento perfeitamente plástico, em processo de carregamento monotônico, e um comportamento fictício não-linear poroelástico apropriado. Soluções fechadas para o campo de tensões, deformações e poropressões foram obtidas para o problema simplificado de rotação. Para a solução do problema de expansão considerou-se que um módulo equivalente elástico condiciona o fluxo, o que possibilita a obtenção de uma solução fechada para as distribuições de poropressões, tensões e deformações foram calculadas numericamente. Os modelos desenvolvidos foram criticamente comparados a resultados de simulações numéricas em elementos finitos, demostrando capturar a mesma tendência de comportamento. As condições de drenagem foram interpretadas no espaço de velocidade normalizada V e grau de drenagem U, demostrando que o processo de dissipação é sensível à rigidez do material. Uma tentativa de aplicação dos modelos foi realizada para a interpretação de ensaios de palheta em resíduo de zinco, e piezocone em resíduo de ouro. Destaca-se que as aplicações propostas não são determinísticas, e foram utilizadas para identificação de padrões de comportamento e análise de sensibilidade de parâmetros. Neste contexto, verificou-se que os modelos podem ser utilizados para a estimativa das velocidades não drenadas de ensaio, porém a transição de comportamento parcialmente drenado para drenado é subestimada pelos modelos. Por fim observa-se que, de maneira geral, os modelos se demonstram úteis para o entendimento do comportamento de materiais siltosos em fluxo transiente. / The problems associated with the in situ tests interpretation in silty materials motivates the present research where analytical models were developed for the study of transient flow. The developed models refer to the rotation and expansion of a cylinder considered deeply embedded into an infinite nonlinear poroelastic medium. The approach is based on the local equivalence between the response of a perfectly plastic behavior to monotonic loading and an appropriate fictitious non-linear poroelastic response. Closed-form solutions for pore pressures, stresses and displacements were derived for the rotation problem within a simplified poroelastic framework. The expansion problem was solved considering a simplified framework for the diffusion equation to derive a closed-form expression for pore pressure distribution, while stresses and displacements were computed numerically. The results are discretised and critically compared to finite element solutions showing good agreement in terms of radial stresses and pore pressure distributions. Results are also displayed in the space of normalized velocity (V) versus degree of drainage (U), showing to be sensitive to the soil rigidity. An attempt to apply the models was made: a) for the interpretation of vane tests in zinc tailings; b) for the interpretation of piezocone tests in gold tailings. Applications are considered approximate, showing that the models can be used to estimate the onset of the undrained regime, wheres the transition from partially drained to drained is underestimated by the models. In general, the models prove to be useful in understanding rate effects in silty soils.

A problemática associada à execução e interpretação de ensaios de campo (e.g. palheta e pizocone) em materiais siltosos motiva a presente pesquisa, onde são desenvolvidas modelagens analíticas em poroelasticidade para o estudo do efeito de fluxo transiente no solo. As modelagens desenvolvidas referem-se aos problemas de rotação e expansão de um cilindro inserido na massa de solo. A abordagem adotada para solução dos problemas baseia-se na equivalência entre a resposta local de um comportamento perfeitamente plástico, em processo de carregamento monotônico, e um comportamento fictício não-linear poroelástico apropriado. Soluções fechadas para o campo de tensões, deformações e poropressões foram obtidas para o problema simplificado de rotação. Para a solução do problema de expansão considerou-se que um módulo equivalente elástico condiciona o fluxo, o que possibilita a obtenção de uma solução fechada para as distribuições de poropressões, tensões e deformações foram calculadas numericamente. Os modelos desenvolvidos foram criticamente comparados a resultados de simulações numéricas em elementos finitos, demostrando capturar a mesma tendência de comportamento. As condições de drenagem foram interpretadas no espaço de velocidade normalizada V e grau de drenagem U, demostrando que o processo de dissipação é sensível à rigidez do material. Uma tentativa de aplicação dos modelos foi realizada para a interpretação de ensaios de palheta em resíduo de zinco, e piezocone em resíduo de ouro. Destaca-se que as aplicações propostas não são determinísticas, e foram utilizadas para identificação de padrões de comportamento e análise de sensibilidade de parâmetros. Neste contexto, verificou-se que os modelos podem ser utilizados para a estimativa das velocidades não drenadas de ensaio, porém a transição de comportamento parcialmente drenado para drenado é subestimada pelos modelos. Por fim observa-se que, de maneira geral, os modelos se demonstram úteis para o entendimento do comportamento de materiais siltosos em fluxo transiente. / The problems associated with the in situ tests interpretation in silty materials motivates the present research where analytical models were developed for the study of transient flow. The developed models refer to the rotation and expansion of a cylinder considered deeply embedded into an infinite nonlinear poroelastic medium. The approach is based on the local equivalence between the response of a perfectly plastic behavior to monotonic loading and an appropriate fictitious non-linear poroelastic response. Closed-form solutions for pore pressures, stresses and displacements were derived for the rotation problem within a simplified poroelastic framework. The expansion problem was solved considering a simplified framework for the diffusion equation to derive a closed-form expression for pore pressure distribution, while stresses and displacements were computed numerically. The results are discretised and critically compared to finite element solutions showing good agreement in terms of radial stresses and pore pressure distributions. Results are also displayed in the space of normalized velocity (V) versus degree of drainage (U), showing to be sensitive to the soil rigidity. An attempt to apply the models was made: a) for the interpretation of vane tests in zinc tailings; b) for the interpretation of piezocone tests in gold tailings. Applications are considered approximate, showing that the models can be used to estimate the onset of the undrained regime, wheres the transition from partially drained to drained is underestimated by the models. In general, the models prove to be useful in understanding rate effects in silty soils.

A problemática associada à execução e interpretação de ensaios de campo (e.g. palheta e pizocone) em materiais siltosos motiva a presente pesquisa, onde são desenvolvidas modelagens analíticas em poroelasticidade para o estudo do efeito de fluxo transiente no solo. As modelagens desenvolvidas referem-se aos problemas de rotação e expansão de um cilindro inserido na massa de solo. A abordagem adotada para solução dos problemas baseia-se na equivalência entre a resposta local de um comportamento perfeitamente plástico, em processo de carregamento monotônico, e um comportamento fictício não-linear poroelástico apropriado. Soluções fechadas para o campo de tensões, deformações e poropressões foram obtidas para o problema simplificado de rotação. Para a solução do problema de expansão considerou-se que um módulo equivalente elástico condiciona o fluxo, o que possibilita a obtenção de uma solução fechada para as distribuições de poropressões, tensões e deformações foram calculadas numericamente. Os modelos desenvolvidos foram criticamente comparados a resultados de simulações numéricas em elementos finitos, demostrando capturar a mesma tendência de comportamento. As condições de drenagem foram interpretadas no espaço de velocidade normalizada V e grau de drenagem U, demostrando que o processo de dissipação é sensível à rigidez do material. Uma tentativa de aplicação dos modelos foi realizada para a interpretação de ensaios de palheta em resíduo de zinco, e piezocone em resíduo de ouro. Destaca-se que as aplicações propostas não são determinísticas, e foram utilizadas para identificação de padrões de comportamento e análise de sensibilidade de parâmetros. Neste contexto, verificou-se que os modelos podem ser utilizados para a estimativa das velocidades não drenadas de ensaio, porém a transição de comportamento parcialmente drenado para drenado é subestimada pelos modelos. Por fim observa-se que, de maneira geral, os modelos se demonstram úteis para o entendimento do comportamento de materiais siltosos em fluxo transiente. / The problems associated with the in situ tests interpretation in silty materials motivates the present research where analytical models were developed for the study of transient flow. The developed models refer to the rotation and expansion of a cylinder considered deeply embedded into an infinite nonlinear poroelastic medium. The approach is based on the local equivalence between the response of a perfectly plastic behavior to monotonic loading and an appropriate fictitious non-linear poroelastic response. Closed-form solutions for pore pressures, stresses and displacements were derived for the rotation problem within a simplified poroelastic framework. The expansion problem was solved considering a simplified framework for the diffusion equation to derive a closed-form expression for pore pressure distribution, while stresses and displacements were computed numerically. The results are discretised and critically compared to finite element solutions showing good agreement in terms of radial stresses and pore pressure distributions. Results are also displayed in the space of normalized velocity (V) versus degree of drainage (U), showing to be sensitive to the soil rigidity. An attempt to apply the models was made: a) for the interpretation of vane tests in zinc tailings; b) for the interpretation of piezocone tests in gold tailings. Applications are considered approximate, showing that the models can be used to estimate the onset of the undrained regime, wheres the transition from partially drained to drained is underestimated by the models. In general, the models prove to be useful in understanding rate effects in silty soils.

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Le diagnostic du SAGE Loire au niveau de la plaine du Forez (42) relate une dégradation du potentiel hydrogéologique et une pollution des nappes superficielles par les nitrates et les pesticides. Ces problèmes nécessitent une gestion durable et équilibrée de la ressource en eau. Une partie de la demande en eau est assurée par la ressource souterraine. Les eaux souterraines exploitées sont : les eaux des formations alluviales superficielles pour l’irrigation et l’AEP ; et les eaux minérales des niveaux aquifères profonds du bassin sédimentaire sous-jacents aux alluvions pour le thermalisme et de mise en bouteille.La synthèse des connaissances disponibles a révélé des insuffisances dans la description des aquifères superficiels. En effet, elles ne permettent pas d’appréhender comment fluctue la ressource dans le temps et ne prennent pas en compte l’origine de la recharge des aquifères superficiels. Ainsi, le travail de thèse se focalise sur ces deux points particuliers :- l’identification du fonctionnement transitoire des aquifères est abordée par caractérisation physique des écoulements s’appuyant sur l’analyse de 4 points de suivi piézométrique permanent et la modélisation numérique des écoulements permettant de reproduire les fluctuations piézométriques observées.- l’origine de la recharge des aquifères alluviaux est abordée par caractérisation géochimique des écoulements (analyses en ions majeurs et isotopes δ180, δ2H, δ13C et A14C). Cette approche a mis en évidence des apports d’eaux profondes alimentant localement les aquifères superficiels.La méthodologie proposée, couplée physique et géochimie, permet de mieux préciser la vulnérabilité des aquifères investigués, en vue d’une meilleure gestion future. / The Water Management Scheme in the Forez plain (France 42) has concluded to a degradation of the water resources and a serious pollution of the shallow aquifers by nitrogen and pesticides. These issues require a sustainable and balanced management of the water resources. A part of the water demand is met by groundwater. The exploited groundwater come from: shallow alluvial formations exploited for irrigation and drinking water and deep aquifers in sedimentary basin under the alluvium. Mineral waters from the deep aquifers are exploited for thermo-mineral activities and bottling.The analysis of the data available in the studied area revealed a lack of knowledge in the understanding of the groundwater flow in the shallow aquifers. Is not sufficient to explain how the water resource varies with time and the origin of the recharge of the shallow aquifers. As consequence, this thesis work will focus on these two main topics: - Identification of the transient functioning of the aquifers based on a physical characterization of groundwater flow. This method is based on piezometric head analysis carry out on 4 stations with continuous measurements and numerical modeling to compare with the observed piezometric fluctuations.- Identification of the origin of the recharge of the alluvial aquifers through a geochemical characterization of groundwater flow (major ions and isotopes δ180, δ2H, δ13C and A14C). This approach established the partial contribution of the deep aquifers to the groundwater flow in the shallow alluvium. This methodology based on a coupled geochemical and physical approach allows to assess the vulnerability of the studied aquifers and contributes to improve the future water resources management in this area.

O objetivo deste estudo é compreender a dinâmica das partículas no estuário do rio Araranguá (SC) em termos de transporte em suspensão, deposição e exportação, em diferentes condições físico-químicas da água, com pH baixo (<4,5) e normal (>=7), e sob condições de regime transiente da descarga fluvial. O estuário do rio Araranguá é classificado como altamente estratificado e dominado pela descarga fluvial. Um aspecto fundamental nos processos que controlam a dinâmica de materiais em suspensão no estuário é a atividade de lavra e beneficiamento do carvão, que gera uma drenagem ácida no rio Mãe Luzia. O seu pH baixo (&#732;3) indica que o processo de floculação é intensificado no interior do estuário. Com o objetivo de melhor entender a hidrodinâmica do estuário, um modelo tridimensional foi implementado para a região. O modelo foi calibrado e validado com dados observados. Simulações com diferentes picos de descarga fluvial (100, 400, 700 e 1000 m3.s-1) e baixa descarga (30 m3.s-1) foram realizadas. Para calcular o transporte do material particulado em suspensão foi desenvolvido um modelo Lagrangeano da trajetória da partícula. O modelo da trajetória utiliza os resultados do modelo hidrodinâmico e a velocidade de decantação das partículas. O estuário respondeu rapidamente às variações da descarga fluvial. A cunha salina foi transportada para fora do estuário durante os picos de 700 e 1000 m3.s-1. A descarga fluvial é o fator dominante no controle da intrusão da salinidade no estuário e, em condições de baixa descarga, o transporte advectivo de sal é dominado pelo termo dispersivo da circulação gravitacional. O tempo de residência médio das partículas no estuário foi menor em condições de pH baixo. A exportação das partículas aumentou com o aumento da descarga fluvial (pico de 1000 m3.s-1), sendo que 27% e 30% foram exportadas para a plataforma interna durante os experimentos com pH baixo e pH normal, respectivamente. A região de deposição das partículas indica que com a diminuição do pH, as partículas passam a depositar mais à jusante no estuário. O evento de descarga de 1000 m3.s-1 não foi capaz de remover a grande maioria das partículas do estuário, mas foi responsável por redistribuir as partículas ao longo do médio estuário, onde se depositaram em condições favoráveis com baixas velocidades e ausência de salinidade. O trabalho demonstra que apesar da alta estratificação do estuário, a acidez de suas águas, seu padrão de circulação, com baixas velocidades e a presença da cunha salina, possuem um papel fundamental no transporte das partículas, resultando em maior potencial de retenção do material em suspensão no estuário do rio Araranguá. / The present study assessed the dynamics of particles of the Araranguá (SC) river estuary in terns of suspended transport, deposition and exportation in different conditions of physical-chemical of water, with low (<4,5) and normal pH (>=7), and transient of river discharge conditions. The Araranguá river estuary is a highly stratified flash-flood dominated. The river basin of the Mãe Luzia river, one of the main tributaries of the Araranguá river, is performed the activity of mining and coal processing, wich generates an acidic drainage. Its low pH indicates that flocculation process is intensified in estuary inner. With the objective of better understanding the estuarine processes, a three-dimensional hydrodynamics model was implemented. The model was calibrated and verified using observational data. Simulations were conducted with freshet peak ranged over 100, 400, 700 and 1000 m3.s-1. Lagrangian particle tracking algorithms was developed to represent the suspended particle transport at estuary. The particle tracking used the montion resulting from hydrodynamics model and the particle settling velocity. The estuary responded quickly the river discharge variations. During the pulse event the velocities at water column were unidirectional down-estuary is shown the barotropic dominates over baroclinic component. During the highest flash flood event (700 and 1000 m3.s-1) the salt water was pushed out of the estuary. The river discharge is a dominating factor affecting the salinity intrusion in the estuarine system and under low discharge conditions the advective salt transport is dominated by dispersive term of gravitational circulation. The mean residence time of the particles was lowest in pH low conditions. The particles export is great as the river discharge is rising (1000 m3.s-1) with 27% and 30% exported to inner shelf during the experiments with low and normal pH, respectively. The particles deposition local indicates that with the pH decrease the particles become to be deposited further downstream. The discharge event of 1000 m3.s-1 was not able to remove all particles out, but was response to redistribute the particles along of the meddle estuary, where settling in favorable conditions at low velocities and absence of salinity. The study shows that although high stratification of estuary, the acidity of water, the pattern of circulation, at low velocities, and the salt wedge presence play a fundamental role in the transport of particle matter resulting in increased the potential retention of suspended matter in the Araranguá river estuary.

O conhecimento das propriedades hidráulicas do solo referentes ao movimento da água é essencial para a solução de problemas que envolvem a poluição de mananciais e aquíferos, a conservação da água e o controle da erosão. Neste contexto, as propriedades hidráulicas do solo de maior importância são a curva de retenção da água no solo, a condutividade hidráulica e a difusividade hidráulica em função do conteúdo de água no solo. O método do perfil instantâneo é um dos métodos mais utilizados na determinação da condutividade hidráulica do solo não saturado, no entanto, a suposição do gradiente de potencial total unitário, adotado nos modelos de simplificação do método do perfil instantâneo, é ainda muito questionada em perfis de solo que não sejam estritamente homogêneos e com conteúdo de água afastado da saturação. Nesse sentido, os objetivos do projeto são: (1) obter e comparar a função condutividade hidráulica do solo pelo modelo de Hillel et al. (1972) com o modelo propostos por Libardi et al. (1980) e por van Genuchten (1980); (2) verificar a influência da adoção do gradiente de potencial total unitário no modelo de Libardi et al. (1980). O método simplificado de Libardi et al. (1980) apresenta boa concordância com o método padrão de Hillel et al. (1972) em estimar a condutividade hidráulica do solo não saturado para tempos de observação superiores a 24 horas, mesmo quando o gradiente de potencial total fica relativamente distante da unidade. Para tempos de observação inferiores a 24 horas, onde o conteúdo de água é maior, o modelo de Libardi et al. (1980) superestima o valor de condutividade hidráulica. A aplicação do método de Libardi et al. (1980), também em tempos de redistribuição inferiores a 24 horas, permite obter valores mais precisos de condutividade hidráulica do solo, expressos assim por duas funções com relação ao tempo de redistribuição observado. A presença de horizontes pedológicos ocasionou o impedimento hidráulico ao movimento da água, ou seja, reduziram a condutividade hidráulica do solo não saturado. O impedimento foi proporcional à maior proximidade dos horizontes. O aumento do valor médio e da variação do gradiente de potencial total se correlacionou exponencialmente com a redução da concordância do modelo simplificado de Libardi et al. (1980) com o modelo padrão de determinação da condutividade hidráulica do solo não saturado (Hillel et al., 1972). / The knowledge of the soil hydraulic properties related to the water movement is essential for the solution of problems involving the pollution of water sources and aquifers, water conservation and erosion control. In this context, the most important hydraulic properties of the soil are the soil water retention curve, the hydraulic conductivity and the hydraulic diffusivity as a function of soil water content. The instantaneous profile method is one of the most used methods to determine the unsaturated soil hydraulic conductivity, however, the assumption of the total potential gradient, adopted in the simplification models of the instantaneous profile method, is still very questioned in soil profiles that are not strictly homogeneous and with water content far from saturation. In this sense, the objectives of the project are: (1) obtain and compare the hydraulic conductivity function of the soil by the model of Hillel et al. (1972) with the model proposed by Libardi et al. (1980) and van Genuchten (1980); (2) verify the influence of the adoption of the unit total potential gradient in the model of Libardi et al. (1980). The simplified method of Libardi et al. (1980) shows good agreement with the standard method of Hillel et al. (1972) to estimate the hydraulic conductivity of the unsaturated soil for observation times greater than 24 hours, even when the total potential gradient is relatively far from the unit. For observation times shorter than 24 hours, where the water content is higher, the method by Libardi et al. (1980) overestimates the value of hydraulic conductivity. The application of the method, also in redistribution times less than 24 hours, allows to obtain more precise values of hydraulic conductivity of the soil, thus expressed by two functions with respect to the redistribution time observed. The presence of pedological horizons caused the hydraulic impedance to the water movement, that is, has reduced the hydraulic conductivity. The impediment was proportional as greater proximity the horizons have from each other. The increase in the mean value and variation of the total potential gradient correlated exponentially with the reduction of the agreement index comparing the simplified model of Libardi et al. (1980) with the standard model for determining the hydraulic conductivity of the unsaturated soil (Hillel et al., 1972).

O conhecimento das propriedades hidráulicas do solo referentes ao movimento da água é essencial para a solução de problemas que envolvem a poluição de mananciais e aquíferos, a conservação da água e o controle da erosão. Neste contexto, as propriedades hidráulicas do solo de maior importância são a curva de retenção da água no solo, a condutividade hidráulica e a difusividade hidráulica em função do conteúdo de água no solo. O método do perfil instantâneo é um dos métodos mais utilizados na determinação da condutividade hidráulica do solo não saturado, no entanto, a suposição do gradiente de potencial total unitário, adotado nos modelos de simplificação do método do perfil instantâneo, é ainda muito questionada em perfis de solo que não sejam estritamente homogêneos e com conteúdo de água afastado da saturação. Nesse sentido, os objetivos do projeto são: (1) obter e comparar a função condutividade hidráulica do solo pelo modelo de Hillel et al. (1972) com o modelo propostos por Libardi et al. (1980) e por van Genuchten (1980); (2) verificar a influência da adoção do gradiente de potencial total unitário no modelo de Libardi et al. (1980). O método simplificado de Libardi et al. (1980) apresenta boa concordância com o método padrão de Hillel et al. (1972) em estimar a condutividade hidráulica do solo não saturado para tempos de observação superiores a 24 horas, mesmo quando o gradiente de potencial total fica relativamente distante da unidade. Para tempos de observação inferiores a 24 horas, onde o conteúdo de água é maior, o modelo de Libardi et al. (1980) superestima o valor de condutividade hidráulica. A aplicação do método de Libardi et al. (1980), também em tempos de redistribuição inferiores a 24 horas, permite obter valores mais precisos de condutividade hidráulica do solo, expressos assim por duas funções com relação ao tempo de redistribuição observado. A presença de horizontes pedológicos ocasionou o impedimento hidráulico ao movimento da água, ou seja, reduziram a condutividade hidráulica do solo não saturado. O impedimento foi proporcional à maior proximidade dos horizontes. O aumento do valor médio e da variação do gradiente de potencial total se correlacionou exponencialmente com a redução da concordância do modelo simplificado de Libardi et al. (1980) com o modelo padrão de determinação da condutividade hidráulica do solo não saturado (Hillel et al., 1972). / The knowledge of the soil hydraulic properties related to the water movement is essential for the solution of problems involving the pollution of water sources and aquifers, water conservation and erosion control. In this context, the most important hydraulic properties of the soil are the soil water retention curve, the hydraulic conductivity and the hydraulic diffusivity as a function of soil water content. The instantaneous profile method is one of the most used methods to determine the unsaturated soil hydraulic conductivity, however, the assumption of the total potential gradient, adopted in the simplification models of the instantaneous profile method, is still very questioned in soil profiles that are not strictly homogeneous and with water content far from saturation. In this sense, the objectives of the project are: (1) obtain and compare the hydraulic conductivity function of the soil by the model of Hillel et al. (1972) with the model proposed by Libardi et al. (1980) and van Genuchten (1980); (2) verify the influence of the adoption of the unit total potential gradient in the model of Libardi et al. (1980). The simplified method of Libardi et al. (1980) shows good agreement with the standard method of Hillel et al. (1972) to estimate the hydraulic conductivity of the unsaturated soil for observation times greater than 24 hours, even when the total potential gradient is relatively far from the unit. For observation times shorter than 24 hours, where the water content is higher, the method by Libardi et al. (1980) overestimates the value of hydraulic conductivity. The application of the method, also in redistribution times less than 24 hours, allows to obtain more precise values of hydraulic conductivity of the soil, thus expressed by two functions with respect to the redistribution time observed. The presence of pedological horizons caused the hydraulic impedance to the water movement, that is, has reduced the hydraulic conductivity. The impediment was proportional as greater proximity the horizons have from each other. The increase in the mean value and variation of the total potential gradient correlated exponentially with the reduction of the agreement index comparing the simplified model of Libardi et al. (1980) with the standard model for determining the hydraulic conductivity of the unsaturated soil (Hillel et al., 1972).

L’objectif de ce travail est d’étudier les phénomènes de transport des solutés hors équilibre physique dans la ZNS des Calcaires de Beauce. Cette étude a été réalisée en deux parties, une partie laboratoire qui a consisté en la réalisation d’expériences d’élution sur colonnes non perturbées en régime permanent pour trois intensités de précipitation (4, 8, 16 mm/h) et en régime transitoire avec ou sans drainage, en condition non saturées. Les colonnes ont été prélevées dans deux faciès de la ZNS des Calcaires de Beauce : un faciès homogène et un faciès hétérogène. La seconde partie de cette étude a été réalisé in situ, avec des expériences de traçage au bromure (Br-) et de Bleu Brillant (BB) réalisées sur une fosse du site du Lycée de Saussaye (Chartres). Les expériences en régime permanent ont montré que les deux faciès n’avaient pas le même comportement face au transport de soluté. Les courbes de percée pour le faciès homogène s’expliquent par un modèle de transport de type convectif dispersif classique (CDE), alors les CP pour le faciès hétérogène s’expliquent par un modèle de transport de type eau mobile – eau immobile (MIM). Les expériences en régime transitoire ont montré que la concentration augmentait pendant le drainage des colonnes. Ce phénomène peut s’expliquer par une distribution de la concentration en fonction de la taille des pores. L’analyse des colonnes au microtomographe a montré que la présence d’une matrice limoneuse dans le calcaire favorisait le transport. Les expériences de traçage au Br- et BB sur le terrain ont montré que les faciès de calcaire sont très variables à l’échelle de quelques mètres. Les points d’échantillonnage les plus bas restituent en premier le traceur (Br-). Ce transport préférentiel s’explique par l’agencement des faciès, qui a un impact important sur la forme du panache observé de BB. Des digitations apparaissent lorsqu’un contraste de perméabilité et l’agencement des faciès engendrent des écoulements localisés rapides. Les phénomènes hors équilibre existent dans la ZNS du calcaire de Beauce et ont pour origine différents facteurs : la variation des conditions à la limite supérieur, l’état hydrique, l’hétérogénéité du milieu, tel qu’observé à l’échelle de la colonne, et le contraste de perméabilité et la présence de structures lithologique qui engendrent du transport préférentiel à l’échelle du terrain. / The purpose of this work is to study solute transport processes under physical non-equilibrium in the unsaturated zone of the Beauce limestone. This study has been divided into two parts, a laboratory part which consisted in conducting elution experiments with a steady state flow with three rainfall (4,8,16 mm/h) and under transient flow with or without drainage, in unsaturated structured columns. The columns have been sampled into two facies of the unsaturated zone of the Beauce limestone: a homogenous facies and a heterogenous facies. The second part of this study has been realized in situ, with tracing experiments realized on a pit dug at the site of the Lycée de Saussaye (Chartres). The experiments in a steady state regime showed that the two facies do not have the same behaviour regarding solute transports. The breakthrough curve (BTC) for the homogeneous facies is explained with a classical convection dispersion solute transport model. The BTC for the heterogenous facies could be explained only with the mobile-immobile water model. The experiments under transient flow showed a rise of concentration during drainage. This phenomenon could be explained by a heterogeneous distribution of concentration as a function of pore size. The tracing experiments with bromide (Br -) and Brillant Blue (BB) show that the limestone facies are very variable at the field scale. The lowest sampling points returned first the Br - tracer. This preferential transport could be explained by the facies layout which has an important impact on the shape of the observed distribution of BB. Digitations appear when permeability contrast and facies layout produce localised fast flows. Non-equilibrium phenomena exist in the unsaturated zone of the Beauce limestone and have different factors as origins: condition at the upper boundary limit, moisture condition, heterogeneity of the medium, as observed on columns, and contrast of permeability and lithological structures as observed at the field scale.