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RÉSUMÉ
La compréhension, la quantification et la prédiction des milieux aquatiques (eaux naturelles ou découlant d’activités industrielles) sont complexes de par les réactions en présence. Ces études imposent une démarche de modélisation utilisant des données expérimentales et des méthodes numériques performantes. Cet article a pour objectif de présenter les concepts physico-chimiques et les lois mathématiques sur lesquels repose la modélisation géochimique des eaux. En illustration, des exemples concrets d’applications aux problèmes d’environnement et de gestion des ressources en eau sont exposés.
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Lire l’articleAuteur(s)
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Laurent De WINDT : Docteur en chimie, Enseignant-chercheur à l’École des Mines de Paris
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Jan van der LEE : Docteur en hydrogéologie-hydrochimie, Enseignant-chercheur à l’École des Mines de Paris
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Jean-Michel SCHMITT : Docteur ès sciences, Maître assistant à l’École des Mines de Paris - Centre d’Informatique Géologique à Fontainebleau
INTRODUCTION
La géochimie des eaux, naturelles ou découlant des activités industrielles, représente un ensemble complexe de réactions en solution, de réactions de dissolution et précipitation de minéraux et de réactions aux interfaces. Elle concerne des espèces aussi diverses que des acides, bases, complexants et couples oxydoréducteurs dissous, des phases solides constitutives des roches et des matériaux géosynthétiques, des colloïdes vecteurs de mobilité, des matières organiques. La compréhension, la quantification et la prédiction de tels milieux aquatiques requièrent une démarche de modélisation s’appuyant sur des bases de données expérimentales et des méthodes numériques sophistiquées. L’utilisation des logiciels hydro-géochimiques n’en demeure pas moins intuitive. Elle est de plus en plus fréquemment intégrée aux études appliquées aux expériences en laboratoire, à la gestion des ressources en eaux, des sites miniers et des stockages de déchets, aux études d’impact environnemental.
L’objectif de ce document est de fournir l’essentiel des concepts physico-chimiques et des lois mathématiques sur lesquels reposent la modélisation géochimique des eaux, tout en y associant des exemples concrets et typiques d’applications aux problèmes d’environnement et de gestion des ressources en eau. Un tableau est dédié aux sources de distribution des logiciels et des banques de données thermodynamiques.
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3. Résolution mathématique et bases de données
D’un point de vue mathématique, les logiciels hydro-géochimiques sont des outils spécialisés de calcul qui résolvent un (large) système d’équations couplées et fortement non linéaires afin de calculer l’état d’équilibre (plus d’éventuels contrôles cinétiques) d’un système aqueux en interaction avec son environnement, inorganique pour l’essentiel. Ils lisent et manipulent des bases très étendues de données thermodynamiques. Ils fournissent comme résultat un rapport final caractérisant le système étudié, exprimé en termes de paramètres hydro-géochimiques utiles au scientifique et à l’ingénieur. Les logiciels les plus sophistiqués comprennent une interface graphique conviviale de pré- et post-traitement optimisant l’introduction des données et des spécificités du système, puis l’interprétation des résultats (cf. figure 4). Ces logiciels sont écrits en Basic, C ou Fortan voire, pour les plus récents, en langages orientés objets comme le C++ et le Java. Ils ne nécessitent pas de ressources informatiques importantes et fonctionnent sur n’importe quel ordinateur personnel.
3.1 Méthodes mathématiques et organigramme
3.1.1 Méthode des composantes de bases
La plupart des codes hydro-géochimiques et des bases de données thermodynamiques utilisent l’approche des composantes de base.
Considérons un exemple simple pour illustrer cette méthode : soit une solution de 10 mmol/L de NaHCO3 (bicarbonate de soude) isolée de l’atmosphère et à température ambiante. Outre la molécule du solvant H2O, le système comprend six espèces dissoutes : H+, OH–, Na+,
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - CORRIOU (J.C.) - Thermodynamique chimique. Équilibres thermodynamiques - . Techniques de l’Ingénieur[J 1 028].
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(2) - SIGG (L.), STUMM (W.), BEHRA (P.) - Chimie des milieux aquatiques. Chimie des eaux naturelles et des interfaces dans l’environnement - . Masson, Paris (F), 1994.
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(3) - MICHARD (G.) - Équilibres chimiques dans les eaux naturelles - . Publisud, France, 1989.
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(4) - GRENTHE (I.), PUIGDOMENECH (I.) - Modeling in aquatic chemistry - . OECD Publishing, Paris (F), 1997.
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(5) - VAN der LEE (J.) - Thermodynamic and mathematical concepts of CHESS - . Tech. Rep. LHM/RD/98/39, École des Mines de Paris, Fontainebleau (France) (1998).
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(6) - HOUNSLOW (A.W.) - Water quality data. Analysis and interpretation - . CRC Press, New York (US), 1995.
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