Ingénierie de l'eau et des polluants dans les sols et nappes aquifères

Enseignants

Vanclooster Marnik;

Langue
d'enseignement

Français

Préalables

- Phénomènes de transfert
- Sciences du sol
- Hydrologie générale
- Physique du sol

Thèmes abordés

Le cours vise à initier les étudiants à la modélisation des écoulements (transport d'eau, transport des solutés, transport thermique) dans les sols partiellement saturés en eau et les nappes aquifères à l'échelle de la formation pédo-géologique, en régime stationnaire et transitoire. Les thèmes suivants sont abordés :
    - Concepts théoriques gouvernant le transfert de l'eau, des solutés et d'autres substances polluantes dans les sols partiellement saturés en eau et les nappes aquifères hétérogènes ;
    - Approches de modélisation mathématique des processus de transport dans les sols et nappes aquifères (approches analytiques, approches numériques, fonction de transfert) ;
    - Méthodes de caractérisation des propriétés hydrodynamiques des sols et des nappes aquifères ;
    - Intégration des aspects d'hydrodynamique des sols et des nappes dans l'ingénierie et la gestion des eaux et des sols.

Acquis
d'apprentissage

A la fin de cette unité d’enseignement, l’étudiant est capable de :
1	a. Contribution de l'activité au référentiel AA (AA du programme)     M1.1 ; M1.2 ; M1.3 ; M2.1 ; M2.2 ; M2.3 ; M5.1 ; M5.6 ; M5.8 ; M6.1 ; M6.2 ; M6.4 ; M6.9 ; M7.1 ; M7.2 ; M8.1 ; M8.2 ; M8.3 ; M8.4 ; b. Formulation spécifique pour cette activité des AA du programme Au terme du cours (2 ECTS), et des TP (2 ECTS), les étudiants seront en mesure :     - d'expliquer les principes d'écoulement de l'eau et des solutés (y compris des polluants) dans les sols et les nappes aquifères ;     - de concevoir et appliquer les équations de transfert au cas des écoulements en milieu non-saturé (sols) et saturé (nappes aquifères), en régime permanent et transitoire ;     - de discuter et comprendre le fonctionnement des différentes techniques de caractérisation hydrodynamique des sols et des nappes aquifères;     - d'estimer, par des méthodes traditionnelles et des méthodes avancées (modélisation inverse, assimilation de données), les propriétés hydrodynamiques des sols et des nappes aquifères ;     - d'appliquer la modélisation hydrodynamique pour solutionner des problèmes complexes d'ingénierie des eaux et du sol.

Contenu

Cours magistraux : Approches méthodologiques de modélisation quantitative, appliquées au transfert de l'eau dans le sol, au transfert des solutés (nutriments, polluants...) dans le sol, au transfert de l'eau dans les nappes aquifères

• Equations de transfert de l'eau dans le sol (équation de Richards, équation de Fokker-Planck), de transfert des solutés dans le sol (équation de convection dispersion, avec dégradation, adsorption, eau mobile-immobile), de diffusion de l'eau dans des nappes aquifères.
• Approches de résolution : solutions analytiques (transformation de Laplace et de Boltzman) ; solutions  numériques (différences finies, éléments finis) ; solutions intégrées (fonction de transfert).
• Méthodes de caractérisation des paramètres hydrodynamiques. Méthodes de laboratoire, méthodes in situ.  Modélisation inverse.
• Application : infiltration de l'eau dans le sol, transport des polluants dans le sol, essais de pompage dans une nappe aquifère.

Travaux pratiques : Les principaux concepts présentés lors des cours seront illustrés par des exercices en salle informatique en utilisant des notebooks en Python et des logiciels open source..

• Estimation des paramètres hydrodynamiques à partir des observations en laboratoire.
• Solutions analytiques de transport d'eau et solutés.
• Modélisation numérique dans les sols non-saturés en eau en utilisant HYDRUS 1-D.
• Modélisation de la diffusion dans les nappes souterraines par MODFLOW.

Méthodes d'enseignement

Cours magistraux: Classe inverse. À travers le site du cours (Moodle), l'étudiant a accès à un syllabus, des capsules vidéos qui expliquent les fondations théoriques et des notebooks Python permettant d'illustrer certains aspects. Les classes en présentiel permettent de répondre aux questions et approfondir la matière.
En raison de la capacité limitée d’accueil des auditoires  (crise COVID-19), certains cours peuvent se donner à distance
Travaux pratiques: Exercices en salles informatiques.

Modes d'évaluation
des acquis des étudiants

Examen oral avec une préparation écrite. L'examen comprend 3 volets: 

1. une étude de cas complexe permettant d'évaluer la capacité de l'étudiant à intégrer les différents éléments de la matière pour résoudre un problème complexe d'hydrodynamique du sol ;
2. des questions théoriques spécifiques.
3. résolution d'un problème concret  en salle informatique (Hydrus et/ou Modflow)

L'évaluation porte sur la cohérence de la réponse, l'exactitude des réponses, la qualité du document de préparation, la qualité de la défense orale.

Autres infos

Ce cours peut être donné en anglais.

Ressources
en ligne

Site Moodle du cours 

• Organisation du cours
• Syllabus du cours
• Capsules vidéos 
• Notebooks en Python 
• Enoncés des travaux dirigés

Bibliographie

M. Vanclooster, 2019. Modelling soil and subsoil hydrodynamic processes. Syllabus AGRO-UCLouvain. 120 pp. 

Faculté ou entité
en charge

AGRO