This study was carried out to evaluate the performance of Soil Aquifer Treatment (SAT) under different loading regimes, using wastewater of much higher strength than usually encountered in SAT systems, and also to investigate the removal of the endocrine disruptors triclocarban (TCC), estrone (E1), 17β-estradiol (E2) and 17α-ethinylestradiol (EE2). SAT was simulated in the laboratory using a series of soil columns under saturated and unsaturated conditions. Investigation of the removal of Chemical Oxygen Demand (COD), Biochemical Oxygen Demand (BOD), Dissolved Organic Carbon (DOC), nitrogen and phosphate in a 2 meter long saturated soil column under a combination of constant hydraulic loading rates (HLRs) and variable COD concentrations as well as variable HLR under constant COD showed that at fixed HLR, a decrease in the influent concentrations of DOC, BOD, total nitrogen and phosphate improved their removal efficiencies. It was found that COD mass loading applied as low COD wastewater infiltrated over short residence times would provide better effluent quality than the same mass applied as a COD with higher concentration at long residence times. On the other hand relatively high concentrations coupled with long residence time gave better removal efficiency for organic nitrogen. Phosphate removal though poor under all experimental conditions, was better at low HLRs. In 1 meter saturated and unsaturated soil columns, E2 was the most easily removed estrogen, while EE2 was the least removed. Reducing the thickness of the unsaturated zone had a negative impact on removal efficiencies of the estrogens whereas increased DOC improved the removal in the saturated columns. Better removal efficiencies were also obtained at lower HLRs and in the presence of silt and clay. Sorption and biodegradation were found to be responsible for TCC removal in a 300 mm long saturated soil column, the latter mechanism however being unsustainable. TCC removal efficiency was dependent on the applied concentration and decreased over time and increased with column depth. Within the duration of the experimental run, TCC negatively impacted on treatment performance, possibly due to its antibacterial property, as evidenced by a reduction in COD removals in the column. COD in the 2 meter column under saturated conditions was modelled successfully with the advection dispersion equation with coupled Monod kinetics. Empirical models were also developed for the removal of TCC and EE2 under saturated and unsaturated conditions respectively. The empirical models predicted the TCC and EE2 removal profiles well. There is however the need for validation of the models developed

L'hétérogénéité spatiale est un trait caractéristique des aquifères calcaires. Conditionnée par le karst et ses morphologies, cette hétérogénéité explique la fréquente sous-exploitation des réserves de ces hydrosystèmes mais également le degré lacunaire de connaissance de leurs fonctionnements. Nous avons voulu, dans cette recherche, approfondir cette connaissance en scrutant le fonctionnement des aquifères calcaires qui arment les bas plateaux du Nord-Est de la France. Trois de ces bas plateaux ont été retenus, ceux du Dogger et de l'Oxfordien (Jurassique) et celui du Muschelkalk (Trias). Afin de comprendre comment s'organisent les écoulements sur et dans ces trois systèmes, notre démarche s'articule autour de deux principaux axes ; le premier concerne l'identification des modalités de l'écoulement et le second est consacré à leur quantification. En pratique, la connaissance des modalités de circulation a été recherchée à travers l'étude des différents paramètres structurels (géologique, tectonique, karstique) et conjoncturels (précipitation, évapotranspiration) qui interagissent dans le cycle de l'eau. Nous montrons que la variété de fonctionnements hydrologiques observés, à l'échelle du domaine d'étude, est conditionnée principalement par les paramètres structurels ; l'hétérogénéité lithologique, notamment, apparaît comme une clef fonctionnelle déterminante, d'une part, par l'existence d'une multiplicité de nappes d'eau et d'autre part, par son rôle dans la karstogenèse. Les morphologies du karst s'observent principalement sur les secteurs de contact lithostratigraphique et nous avons pu établir, à travers une répartition spatiale des phénomènes du karst (en surface et en souterrain), que ces trois plateaux sont majoritairement déconnectés du karst et dominés par des processus de circulation lents, de l'infiltration à la vidange aquifère. Afin d'apporter des éléments de quantification sur les circulations, une analyse hydroclimatique et géochimique d'exutoires de petites dimensions a été ensuite menée. C'est ainsi qu'une petite dizaine de sources et de bassins versants, localisés dans des contextes physiographiques variés, ont fait l'objet de suivis sur plusieurs cycles hydrologiques. L'analyse nous a permis de préciser les caractères hydrodynamiques de deux grands types de comportement observés au sein des bas plateaux étudiés : le comportement fissural et le comportement karstique. Le comportement fissural se manifeste, à l'échelle annuelle, par un filtrage important des précipitations par les systèmes (forte inertie des valeurs de débits et de conductivités électriques) et également par de lents processus de mise en charge à l'échelle des évènements de crue. Le comportement karstique, quant à lui, est attesté, à l'échelle annuelle, par des pluies moyennement filtrées par les systèmes mais aussi par des variations hydrogéochimiques accusées lors des sollicitations pluviométriques majeures, en lien avec la transmissivité importante de ces milieux / The spatial heterogeneity is a feature of limestone aquifers. Conditioned by the karst and its morphologies, this heterogeneity explains the frequent under-exploitation of these hydrosystem reserves but it also explains the incomplete degree of knowledge of their functionings. In this research we wanted to deepen this knowledge by scrutinizing the functioning of the limestone aquifers which arm the low plateaus of the North-East of France. Three of these low plateaus held our attention, those of Dogger and Oxfordian (Jurassic) and the one of Muschelkalk (Triassic). In order to understand how the flows on and into these three systems are organized, our approach focuses on two main axes ; the first one concerns the identification of the modes of flow and the second one is devoted to quantification. In practice, the knowledge of the flow modes was investigated through the study of various structural parameters (geology, tectonics, karst) and conjunctural parameters (precipitation, evapotranspiration) interacting the water cycle. We show that the variety of hydrological functionings which are observed, on the scale of the study area, is mainly dependent on the structural parameters ; the lithological heterogeneity, in particular, appears as a determining functional key, on the one hand, by the existence of a multiplicity of groundwater and on the other hand, by its role in the karstogenesis. The morphologies of the karst are primarily obvious on the areas of lithostratigraphic contact and we were able to establish, through a spatial distribution of karst phenomena (on and underground), that these three plateaus are mainly disconnected from the karst and run by slow-flow processes, from infiltration to ground water discharge. In order to provide some quantifications of the circulations, a hydroclimatic and geochemical analysis of small outlets was then conducted. Thus a dozen springs and catchments, located in various physiographic settings have been surveyed for several water years. The analysis allowed us to specify the hydrodynamic characteristics of two types of behavior observed in the low plateaus we studied: the fissural behavior and the karstic behavior. The fissural behavior appears, on an annual scale, through a significant rainfall filtering of the systems (high inertia of the values of discharges and electrical conductivities) and also by slow charging processes when flood events occur. The karst behavior, meanwhile, is evidenced on an annual scale, by a moderately rainy filtering of the systems but also by hydrogeochemical variations accused during major rainfall solicitations in connection with the important transmissivity of these environments

Flow and mean residence time in epikarst and unsaturated zone was studied above the Ochoz cave in the Moravian Karst. I studied various flow components with different residence time in unsaturated zone and the influence of soil and epikarst on seepage composition and residence time by means of several methods (longterm monitoring of conductivity, flowrate of seepage and soil water, use of environmental tracers - 18 O, 3 H, CFC and SF6, flow into the soil and detailed sampling during intesive rain events). Seepage sites Kašna in the Rudické propadání cave system and Mapa Republiky in Býčí skála were reference localities in unsaturated zone. For comparison I modeled residence time in saturated zone: at Kaprálka outlet close to the Ochoz cave, at Stará řeka (Rudické propadání) and Konstantní přítok (Amatérská cave). Mean residence time in unsaturated zone above the Ochoz cave reaches 7 - 20 years, while it is only few months in the soil (1 - 8 months, depending on the depth). At Kašna seepage site, the reasidence time is similar to the Ochoz cave - about 18 - 20 years, at Mapa republiky seepage site, it reaches 150s year due to unusual geological settings. Mean residence time in order of 10 - 20 years corresponds to storativity values (0.6 % in average) calculated from parallel water level recession...

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.

Η ρύπανση του εδάφους από βιομηχανικά και αστικά απόβλητα αποτελεί παγκοσμίως ένα από τα σημαντικότερα περιβαλλοντικά προβλήματα. Ανάμεσα στους πιο επικίνδυνους ρύπους συγκαταλέγονται και οι υδρογονάνθρακες πετρελαιοειδών. Αναπόφευκτη συνέπεια της διαφυγής των υγρών ρύπων στο έδαφος είναι η μεταφορά τους προς στην ακόρεστη ζώνη του εδάφους μέσω μιας σειράς διεργασιών (ροή, διαλυτοποίηση, εξάτμιση, διασπορά, ρόφηση, κτλ) και η ρύπανση των υποκείμενων ταμιευτήρων υπογείων υδάτων. Οι πλέον κλασσικές μέθοδοι απομακρυσμένης (ex situ) απορρύπανσης εδαφών περιλαμβάνουν εκσκαφή και μεταφορά του εδάφους σε κατάλληλους χώρους (π.χ. αποτεφρωτήρες, βιο-σωροί, κλπ). Τα τελευταία χρόνια έχει αναπτυχθεί έντονο ενδιαφέρον για την ανάπτυξη και εφαρμογή τεχνολογιών επιτόπιας απορρύπανσης των εδαφών (in situ soil remediation) με χαμηλό κόστος και ελάχιστο περιβαλλοντικό αποτύπωμα. Στην παρούσα εργασία μελετώνται δύο σχετικά νέες μέθοδοι επιτόπιας απορρύπανσης: α) ο βιοαερισμός και, β) η έγχυση ατμού. Και στις δύο περιπτώσεις, για να αυξηθεί η ακτίνα δράσης της απορρύπανσης, το έδαφος διεγέρθηκε με την δημιουργία οριζόντιων υδραυλικών ρωγμών που λειτουργούν ως οριζόντια φρεάτια διαβίβασης και εξαγωγής ρευστών. Το πεδίο μελέτης είναι ένα πρώην στρατιωτικό αεροδρόμιο της Βόρειο-Δυτικής Πολωνίας, το Kluczewo, το οποίο έχει ρυπανθεί εκτεταμένα με κηροζίνη για μεγάλο χρονικό διάστημα (1935-1992). Το έδαφος της περιοχής αυτής παρουσιάζει ρωγμές ενώ η πορώδης μήτρα έχει σχετικά χαμηλή διαπερατότητα. Οι ίδιες γεωλογικές συνθήκες επικρατούν σε μεγάλο μέρος του υπεδάφους της Βόρειας Ευρώπης. Λόγω της ισχυρά ετερογενούς φύσης αυτών των εδαφών από την κλίμακα των πόρων στην κλίμακα του πεδίου και της δημιουργίας προτιμητέων μονοπατιών ροής, είναι αρκετά δύσκολο να σχεδιαστούν αποδοτικές μέθοδοι απορρύπανσης. Κύριος στόχος της εργασίας είναι η αξιολόγηση της απόδοσης των δύο μεθόδων απορρύπανσης μετά την εφαρμογή τους στην ακόρεστη ζώνη ετερογενούς εδάφους που έχει ρυπανθεί εκτενώς με υδρογονάνθρακες πετρελαιοειδών (κηροζίνη). Για να προσδιοριστεί η απόδοση κάθε μεθόδου, συλλέχθηκαν δείγματα εδάφους από ένα μεγάλο αριθμό σημείων και πραγματοποιήθηκαν χημικές αναλύσεις μέτρησης της συγκέντρωσης και της σύστασης των υδρογονανθράκων με GC-MS και GC-FID. Προκειμένου να διευκρινιστoύν καλύτερα οι κύριοι μηχανισμοί απομάκρυνσης του ρύπου και να εκτιμηθεί η αποδοτικότητα της έγχυσης ατμού και του βιοαερισμού, διεξήχθησαν πειράματα έγχυσης ατμού και βιοαερισμού και σε εργαστηριακή κλίμακα (oρθογώνιο κελί από PMMA με διαστάσεις 55 cm x 50 cm x 12 cm και υπό ακόρεστες συνθήκες). Λόγω των ετερογενειών της πορώδους δομής, στον βιοαερισμό ο κύριος μηχανισμός απομάκρυνσης ρύπου ήταν η εξάτμιση των υδρογονανθράκων και η σχετικά γρήγορη μεταφορά των ατμών μέσω διάχυσης και λόγω της μεγάλης βαθμίδας συγκέντρωσης από την μικροπορώδη μήτρα προς μονοπάτια προτιμητέας ροής (preferential flow paths) αέρα (αερισμός). Αντιστοίχως, λόγω της χαμηλής διαπερατότητας του εδάφους, στην περίπτωση της έγχυσης ατμού ο κύριος μηχανισμός απομάκρυνσης των ημι-πτητικών και μη πτητικών συστατικών ήταν η απόσταξη ατμού (δηλαδή η μείωση του σημείου ζέσεως των υδρογονανθράκων λόγω της παρουσίας μη αναμίξιμης υδατικής φάσης). Η σύγκριση των δύο μεθόδων απορρύπανσης με διάνοιξη οριζόντιων υδραυλικών ρωγμών έδειξε ότι και οι δύο μέθοδοι είναι αρκετά αποδοτικές όσον αφορά στη μείωση της μάζας του ρύπου (~72%) σε ισχυρά ετερογενή εδάφη με ρωγμές. Η έγχυση ατμού όμως είναι πολύ πιο γρήγορη (3 μήνες) από το βιοαερισμό (12 μήνες) αλλά ταυτόχρονα και αρκετά πιο ακριβή από αυτόν (14-25%). Όσον αφορά το ποσοστό μείωσης επικινδυνότητας του υπολειπόμενου ρύπου, ο βιοαερισμός δίνει με μεγάλη διαφορά καλύτερα αποτελέσματα (93%) από ότι η έγχυση ατμού (8-68%) όπου παρατηρείται και μεγάλη διακύμανση τιμών. / Soil contamination by industrial and urban wastes is nowadays one of the most important pollution problems worldwide. The petroleum hydrocarbons are included in the list of toxic pollutants that have contaminated extensive areas all over the world. An inevitable consequence of liquid pollutants release on the ground is their transport by a variety of mechanisms (e.g. gravity flow, dissolution, volatilization, dispersion, sorption, etc) in the unsaturated zone of soil, and subsequent pollution of the underlying aquifers. Conventional methods of ex-situ soil remediation are the soil excavation and its transportation in appropriate places (e.g. incinerator, bio-piles, etc). During the last years, there is a growing interest for the development and application of low-cost and sustainable (low environmental impact) in-situ soil remediation technologies. In the present work, two relatively new in-situ remediation technologies, bioventing and steam injection, were tested on the vadose zone of a low permeability and fractured glacial till sediment that was contaminated by jet fuel. The experimental site is situated in an abandoned military airport (Kluczewo) in North-Western Poland. The area was polluted extensively by jet fuel over a long period (1935-1992). The geological characterization revealed the existence of vertical desiccation fractures at the upper layers and horizontal/sub-horizontal tectonic fractures at the deeper ones, and a relatively low permeability and heterogeneous micro-porous matrix. The same geologic conditions dominate in a major part of the subsurface in Northern and Central Europe. Due to the multi-scale heterogeneities, ranging from the pore-scale to the field-scale, and the creation of preferential flow paths in such soils, it is very difficult to design successful remediation strategies based on vertical wells. For this reason, in both field experiments (bioventing and steam injection), the soil was stimulated by opening hydraulic fractures which acted as horizontal wells of fluid injection/extraction, and enhanced the influence radius of remediation. The main goal of the work is to evaluate, under field conditions, steam injection and bioventing as sustainable and efficient technologies for the removal of petroleum hydrocarbons from highly heterogeneous soils. In order to determine the efficiency of each remediation method, soil samples were collected from twelve wells and seven depths, and placed inside specific flasks pre-filled with dichloromethane (DCM). After the accelerated extraction of non-aqueous phase liquid (NAPL) from the soil and its dissolution in DCM, the composition and concentration of hydrocarbons (NAPL) was performed by using GC-MS and GC-FID. In order to clarify the main NAPL removal mechanisms and evaluate the effectiveness of steam injection and bioventing, lab-scale experiments were also conducted in soil tanks by using synthetic NAPL (PMMA cell with 55 cm x 50 cm x 12 cm dimensions) and keep the conditions comparable to the field ones. Due to pore structure heterogeneities, the main NAPL removal mechanism in bioventing was the volatilization of hydrocarbons and the fast vapour transfer through diffusion (due to the high concentration gradient) from the porous matrix to the high hydraulic conductivity preferential flow paths of injected air (ventilation). Respectively, due to the low soil permeability, in steam injection the main removal mechanism of semi- and non-volatile substances was steam distillation (namely the reduction of NAPL compounds bubble point because of the coexistence of immiscible water). The comparison of the two remediation technologies, steam injection and bioventing, indicate that both methods are efficient with respect to the reduction of the pollutant mass (~72%) in highly heterogeneous and fractured soils. With respect to cost issues, steam injection albeit faster, is 14-25% more expensive than bioventing. Finally, concerning the risks associated with the reduction of residual NAPL in groundwater, bioventing was more effective (~93%) than steam injection (8-68%).

Deux expériences ont été menées sur la plate-forme expérimentale "SCERES" afin d'évaluer les concentrations et les flux de vapeurs de TCE dans SCERES en présence de deux dalles de béton fissurées installées, l'une après l'autre, à la surface de SCERES. Cet aquifère poreux est un milieu hétérogène de grande échelle (25 x 12 x 3 m3). Les résultats ont montré que le panache de vapeur de TCE couvre la plupart du bassin au bout de 3 semaines depuis la création de la zone source de TCE dans le sous sol. L'hétérogénéité du site SCERES a engendrée une distribution verticale non uniforme de la concentration de vapeurs de TCE. La simulation du panache de vapeur dans SCERES a été effectuée au moyen du code de calcul multiphasique "SIMUSCOPP". La présence sur SCERES de la dalle de béton, un milieu peu perméable et peu diffusif, a constitué une "barrière" en vue du transfert de vapeurs de TCE vers l'interface dalle/atmosphère. Afin de mieux quantifier le flux de vapeurs à travers la dalle de béton, une étude de coefficient de diffusion et de perméabilité des deux dalles a été réalisée. Un mouvement vertical ascendant du toit de la nappe a généré un fort gradient de pression motrice de l'air du sol. Ceci a engendré une forte augmentation des flux de vapeurs à l'interface sol/atmosphère. La quantification de ces flux de vapeurs a été effectuée à l'aide d'une solution semi analytique basée sur la loi de Fick et la loi de Darcy en tenant compte à la fois de l'effet de gradient de pression motrice et l'effet de densité de vapeurs sur le transfert de vapeurs vers la surface du sol. L'intrusion de vapeurs de TCE dans le bâtiment modèle, installé sur la dalle de béton, a été générée par une mise en dépression dans ce dernier. Ce qui a fait augmenter la concentration de vapeurs de TCE sous la dalle ainsi dans le bâtiment. La simulation de l'intrusion de vapeurs dans l'air intérieur de bâtiment a été réalisée par l'intermédiaire du code de calcul multiphysics "COMSOL", avec lequel nous avons démontré l'évolution de la concentration de vapeurs obtenues expérimentalement dans le bâtiment et qui dépend directement de la variation spatio-temporelle du flux massique à travers la dalle. / Two experiments were conducted on the experimental platform "SCERES" to assess the TCE vapour concentrations and fluxes in SCERES with two concrete slabs installed, one after the other, on the ground surface. This artificial aquifer is a large scale (25 x 12 x 3 m3) heterogeneous porous medium. The results showed that the TCE vapour plume covers most of the basin 3 weeks after the creation of the TCE source area in unsaturated zone. The heterogeneity of SCERES has generated a non uniform vertical distribution of the TCE vapour concentration. Simulation of vapour plume in SCERES was carried out by the multiphase code "SIMUSCOPP".The presence in SCERES of a low permeability and low diffusive medium compared to the sand in the basin,as a concrete slab, constituted a "barrier" for the transfer of TCE vapour to the interface concrete slab / atmosphere. To better quantify the TOE fluxes through the concrete slab, a study of diffusion coefficient and permeability of both concrete slabs was done. An upward vertical movement of the water table has generated a strong soil air pressure driving gradient, which led to a strong increase in the TCE vapour concentrations near the surface which has increased the vapour fluxes at the interface soil / atmosphere. Quantification of vapour fluxes at the interfaces soil / atmosphere and concrete slab / atmosphere was performed using a semi analytical approach based onFick's and Darcy's laws by taking into account both the effect of the driving pressure gradient and the effect of density vapour on the vapour transfer towards the soil surface.The intrusion of TCE vapours into the model building installed on the concrete slab was generated by creating a vacuum. The results showed that, during the TCE vapour suction from the model building, the concentration of TCE vapours under the concrete slab and in the building increases. Simulation of vapour intrusion into indoor air was done by the computational Multiphysics code "COMSOL", allowing simulation of the evolution of the vapour concentration obtained experimentally in the building. Il was shown that they depend directly on the spatial-temporal variation of the mass flux through the slab.

Les aquifères karstiques représentent des ressources en eau essentielles dans de nombreuses régions du monde comme le bassin Méditerranéen. Cependant, de par les processus complexes de karstification, ces aquifères sont hétérogènes à de nombreuses échelles et vulnérables. Dans cette thèse, nous étudions le potentiel de la gravimétrie et du bruit sismique ambiant pour la modélisation hydrologique en milieu karstique.Le site dolomitique de l’observatoire « GEK », sur le bassin du Durzon dans le Larzac, est le site d’étude privilégié de ces travaux. Dans l’observatoire, un gravimètre supraconducteur dédié à l’hydrologie mesure depuis 2011 les variations de gravité en continu et à une très haute précision, pour la première fois sur un karst. Des modèles hydrologiques conceptuels ont été réalisés à partir de cette surveillance gravimétrique et ont permis de poser les bases de modèles physiques d’écoulements 1-D. En effet la gravimétrie, intégratrice, permet 1) de considérer l’épikarst localement hétérogène comme un milieu tabulaire équivalent et 2) de définir les types de transfert à l’œuvre sur le site. En particulier, l’absence de transfert rapide dans l’épikarst a été quantifiée avec précision pour la première fois à l’échelle du terrain (~100m). A l’aide de données météorologiques locales, un bilan de masse précis a permis de définir le flux en limite inférieure du modèle à 1 mm.jour-1. Ce flux s’est montré représentatif du débit de basses-eaux de la source drainant l’ensemble du bassin. Ce résultat suppose une homogénéité de l’épikarst dolomitique quasiment à l’échelle du bassin. Les paramètres des modèles physiques ont ensuite pu être calibrés à l’aide d’un an d’intercorrélation du bruit sismique ambiant entre deux stations. Les variations de vitesses de phase obtenues entre 6 et 8Hz nous ont servi de « chronomètre » pour suivre l’infiltration entre 30 et 60m de profondeur. La surveillance passive des variations de vitesses sismiques par intercorrélation du bruit sismique ambiant montre ainsi un fort potentiel pour l’étude des zones critiques profondes et complexes à l’échelle du terrain et peut combler la lacune instrumentale qui existe actuellement en hydrologie.Des campagnes répétées de mesures avec un gravimètre portable à ressort ont également mis en évidence le fonctionnement différent de deux épikarsts et leur variabilité à l’échelle de la centaine de mètres. Des mesures mensuelles autour de l’observatoire ont mis en évidence l’homogénéité spatiale de cet épikarst dolomitique : toutes les stations ont les mêmes variations temporelles de stock d’eau. Au contraire, des mesures saisonnières en surface et en profondeur le long de la galerie souterraine calcaire de l’abîme de Saint-Ferréol ont montré une variabilité spatiale forte du stockage ainsi que du transfert rapide. La lithologie de l’épikarst est donc suspectée de jouer un rôle dans sa capacité de stockage. Lors de ces campagnes, la faiblesse du signal recherché a nécessité une méthodologie précautionneuse et un effet de température sur les mesures des gravimètres relatifs à ressort a été observé sur le terrain et quantifié en laboratoire. / Karstic aquifers represent the most important fresh water reservoirs in many regions of the world like the Mediterranean Basin. However, because of complex processes of karstification, those aquifers are highly heterogeneous at all spatial scales and vulnerable to contamination. In this dissertation, we studied the potential of gravimetry and ambient seismic noise for hydrological modeling in karstic areas.The dolomitic area surrounding the “GEK” observatory in the Durzon catchment on the Larzac plateau, in France, is the preferred site for these studies. Inside the observatory, a superconducting gravimeter dedicated to hydrology has continuously measured gravity changes since 2011 with high precision, undertaken for the first time on a karst. From this gravity monitoring, we made conceptual hydrological models which laid the foundation of 1-D flow physical models. Indeed, gravimetry is an integrative hydro-geophysical method which allows 1) to consider the epikarst, locally heterogeneous as an equivalent tabular medium and 2) to define the types of transfer (fast & slow) occurring at the site. Especially, the lack of fast transfer through the GEK epikarst was precisely quantified for the first time at the field scale (~100m). Gravity-driven water mass balance with local meteorological data (evapotranspiration from a flux tower and precipitation) allowed setting the bottom outlet of the model to 1 mm.day-1. This flow has proved to be representative of the low-flow discharge at the only spring which represents all groundwater outflows from the catchment. This result supposes the homogeneity of the dolomitic epikarst almost at the basin scale. Model parameters were next calibrated using one year of ambient seismic noise monitored at two stations. Phase velocity changes obtained by cross-correlating the noise between 6 and 8 Hz were used as a ”timer” to follow the water infiltration between a depth of 30 and 60 meters. Thus, monitoring seismic velocity changes using ambient seismic noise demonstrates great potential for the study of deep and complex critical zones and could fill the instrumental gap currently existing in hydrology.Time-lapse gravity measurements with a spring-based portable gravimeter have also demonstrated the different behavior of two epikarsts and their variability at the scale of a few hundred meters. Monthly measurements around the observatory revealed the spatial homogeneity of this dolomitic epikarst: all the stations showed the same water storage changes. On the contrary, seasonal surface to depth gravity measurements along the underground passage of the Saint-Ferréol sinkhole, in limestone, have shown fast transfer and strong spatial variability of water storage. Lithology is then expected to play a part in the epikarst capacity to retain water. The precision needed to measure the weak hydrological induced signals during those surveys required robust methodology and an ambient temperature effect on measurements with spring-based gravimeter was observed in the field and quantified in the laboratory.

MESHWR / Department of Hydrology and Water Resources

This study was carried out to evaluate the performance of Soil Aquifer Treatment (SAT) under different loading regimes, using wastewater of much higher strength than usually encountered in SAT systems, and also to investigate the removal of the endocrine disruptors triclocarban (TCC), estrone (E1), 17¿-estradiol (E2) and 17¿- ethinylestradiol (EE2). SAT was simulated in the laboratory using a series of soil columns under saturated and unsaturated conditions. Investigation of the removal of Chemical Oxygen Demand (COD), Biochemical Oxygen Demand (BOD), Dissolved Organic Carbon (DOC), nitrogen and phosphate in a 2 meter long saturated soil column under a combination of constant hydraulic loading rates (HLRs) and variable COD concentrations as well as variable HLR under constant COD showed that at fixed HLR, a decrease in the influent concentrations of DOC, BOD, total nitrogen and phosphate improved their removal efficiencies. It was found that COD mass loading applied as low COD wastewater infiltrated over short residence times would provide better effluent quality than the same mass applied as a COD with higher concentration at long residence times. On the other hand relatively high concentrations coupled with long residence time gave better removal efficiency for organic nitrogen. Phosphate removal though poor under all experimental conditions, was better at low HLRs. In 1 meter saturated and unsaturated soil columns, E2 was the most easily removed estrogen, while EE2 was the least removed. Reducing the thickness of the unsaturated zone had a negative impact on removal efficiencies of the estrogens whereas increased DOC improved the removal in the saturated columns. Better removal efficiencies were also obtained at lower HLRs and in the presence of silt and clay. Sorption and biodegradation were found to be responsible for TCC removal in a 300 mm long saturated soil column, the latter mechanism however being unsustainable. TCC removal efficiency was dependent on the applied concentration and decreased over time and increased with column depth. Within the duration of the experimental run, TCC negatively impacted on treatment performance, possibly due to its antibacterial property, as evidenced by a reduction in COD removals in the column. COD in the 2 meter column under saturated conditions was modelled successfully with the advection dispersion equation with coupled Monod kinetics. Empirical models were also developed for the removal of TCC and EE2 under saturated and unsaturated conditions respectively. The empirical models predicted the TCC and EE2 removal profiles well. There is however the need for validation of the models developed / Netherlands Organisation for International Cooperation in Higher Education (Nuffic) / The Appendix files for this thesis are unavailable online via Bradford Scholars.

Managed aquifer recharge (MAR) is the purposeful recharge of an aquifer for later recovery or environmental benefits and represents a valuable method for sustainable water resources management. Models can be helpful tools for the assessment of MAR systems. This review encompasses a survey and an analysis of case studies which apply flow and transport models to evaluate MAR. The observed modeling objectives include the planning or optimization of MAR schemes as well as the identification and quantification of geochemical processes during injection, storage and recovery. The water recovery efficiency and the impact of the injected water on the ambient groundwater are further objectives investigated in the reviewed studies. These objectives are mainly solved by using groundwater flow models. Unsaturated flow models, solute transport models, reactive geochemical models as well as water balance models are also frequently applied and often coupled. As each planning step to setup a new MAR facility requires cost and time investment, modeling is used to minimize hazard risks and assess possible constraints of the system such as low recovery efficiency, clogging and geochemical processes.