EUCOR Sommeruniversität in den Umweltwissenschaften ...

Modèles mathématiques de transport comme outils dʼanalyse et de prédiction pour la
propagation de polluants dans la nappe dʼeau souterraine
Mathematische Transportmodelle als Werkzeuge zur Analyse und Voraussage der
Ausbreitung von Schadstoffen im Grundwasser
Prof. Dr. Gerhard Schäfer
Directeur de lʻIFARE à Strasbourg
Institut de Mécanique des Fluides et des
Solides
Université Louis Pasteur Strasbourg
Lʼeau souterraine est de plus en plus menacée par
des pollutions multiples. Des mesures curatives et
préventives sʼimposent pour reconquérir et sauvegarder
une ressource qui sʼavère vitale pour les générations à
venir. Que ce soit pour mettre en oeuvre les meilleures
stratégies de prévention ou pour proposer des solutions
de décontamination, il est indispensable dʼavoir une
bonne connaissance des aquifères, de leur hydrodynamique
et des mécanismes qui contribuent au transfert
des polluants vers les eaux souterraines depuis la surface
du sol.
Les modèles physiques de laboratoire ne permettent
pas dʼétudier et de comprendre des phénomènes à grande
échelle. Par ailleurs, les expériences sur le terrain sont
difficiles à contrôler et donnent le plus souvent seulement
des tendances et nʼexplicitent pas les mécanismes qui
régissent les phénomènes observés. De ce fait, lʼoutil le
mieux adapté pour appréhender les mécanismes complexes
observés au sein du milieu naturel est la modélisation
mathématique.
Lʼhydrodynamique dʼun aquifère ainsi que le transport
de polluant sont régis par des lois physiques qui
peuvent être écrites sous forme dʼéquations mathématiques.
La modélisation consiste à résoudre ces équations
en tenant compte des données disponibles concernant
lʼaquifère, pour simuler son comportement. La modélisation
mathématique du transfert de polluant en milieux
poreux est devenue un outil indispensable à la gestion
des ressources en eaux souterraines, par le fait quʼelle
améliore lʼidentification de la source de pollution (localisation,
extension, flux), la compréhension des mécanismes,
et le suivi de la propagation dʼun polluant dans une
nappe.
Par leurs possibilités dʼextrapolation et donc de prévision,
les modèles mathématiques de simulation guident
les décideurs (administration, syndicats des eaux, etc.)
confrontés à des problèmes de protection de la ressource
en eau contre les pollutions. Par lʼapproche globale de
lʼhydrosystème, ils améliorent la compréhension des
échanges entre les différents compartiments qui le composent
(eaux de surface, eaux souterraines, écosystèmes
aquatiques et terrestres associés, interfaces).
Dans le cadre de lʼexposé, nous donnerons un aperçu
des éléments de base essentiels relatifs à une modélisation
mathématique du transport de polluants en nappe dʼeau
souterraine. Les aspects suivants seront analysés de façon
plus approfondie :
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Das Grundwasser ist im zunehmenden Maße durch
multiple Verunreinigungen gefährdet. Heilende
und vorbeugende Maßnahmen sind unumgänglich, um
diese für kommende Generationen lebenswichtige
Ressource zurückzugewinnen und zu schützen. Wenn
es um die Anwendung besserer Vorbeugungsstrategien
oder um die Ausarbeitung effizienterer
Sanierungsmethoden geht, so ist eine gute Kenntnis
der Struktur der Grundwasserleiter, ihrer Hydraulik
und der Mechanismen des Schadstofftransfers von der
Bodenoberfläche bis hin ins Grundwasser erforderlich.
Physikalische Labormodelle erlauben es nicht, die
im Großmaßstab vorkommenden Phänomene zu
untersuchen und zu verstehen. Feldexperimente geben
meistens nur eine Tendenz an, und können nicht die
Mechanismen der beobachteten Phänomene erklären, da
sie kaum kontrollierbar sind. Das geeignetste Werkzeug
zur Studie der im natürlichen Milieu beobachteten
komplexen Mechanismen ist daher die mathematische
Modellierung.
Die Hydraulik eines Grundwasserleiters und der
Schadstofftransport werden durch physikalische Gesetze
bestimmt, die dann durch mathematische Gleichungen
beschrieben werden können. Die Modellierung besteht
darin, diese Gleichungen zu lösen, indem die verfügbaren
Daten des Grundwasserleiters zur Beschreibung
seiner Funktionsweise zugrundegelegt werden. Die
mathematische Modellierung des Schadstofftransfers
in porösen Medien ist ein unentbehrliches Werkzeug
zur Bewirtschaftung der Grundwasserressourcen, da sie
dazu beiträgt, den Schadensherd (Ortung, Abmessung,
Quellstärke) zu lokalisieren, die Mechanismen
einer Verunreinigung zu verstehen und die
Schadstoffausbreitung im Grundwasser zu überwachen.
Durch Extrapolation der Simulationsergebnisse
und der damit verbundenen Voraussagen, helfen
mathematische Modelle maßgebend den mit dem Schutz
der Wasserressource gegen Verunreinigungen betrauten
Entscheidungsträgern (Verwaltung, Wasserverbände,
usw.). Durch die globale Betrachtung des Hydrosystems
verbessert die Modellierung darüber hinaus die Kenntnis
der Austauschvorgänge zwischen den verschiedenen
Kompartimenten des Systems (Oberflächenwasser,
Grundwasser, assoziierte aquatische und terrestrische
Ökosysteme, Grenzflächen).
Im Rahmen des Vortrags soll ein Überblick über
die wesentlichen Grundelemente einer mathematischen
Modellierung des Stofftransports im Grundwasser
gegeben werden. Folgende Aspekte werden hierzu näher
ausgeführt:
- Dynamik des unterirdischen Hydrosystems;
- hydrodynamische Klassifizierung der Schadstoffe
(mischbare/nicht mischbare Fluide);
- maßgebende Transportmechanismen,
Strömungs– und Transportgleichung;