Localisation du site

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Localisation du site
GCH 6311 Conception et gestrion des centres de
traitement des sols

• Dominic DAmours
• Étudiant au doctorat
• Département génie chimique
• Hiver 2006

? DAmours 2006
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Plan

• Sol
• Définition
• Textures
• Propriétés
• Porosité
• Eau interstitielle
• Notion dhydrogéologie
• Nappes et aquifères
• Puits, puits dobservation et piézomètre
• Écoulement de leau souterraine
• Migration/transport des contaminants
• Devenir des contaminants
• Politique et règlements du MDDEP sur leau
  souterraine
• Caractérisation environnemental dun site

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Plan

• Méthode de protection du site
• Option de réhabilitation de leau souterraine
• Méthode de protection du site
• Positionnement des puits

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Définition dun sol

• Quest ce que du SOL?
• Génie civil  views soil as a geologic body
  possessing physical properties, suitable as
  construction material or as a body upon which
  structures and facilities can be built.
• Géologue views soil primarily in its natural
  state, created over long periods of time, which
  transport water at rates dependent upon its
  physical composition. 
• Hydrologue  views soil as a naturally occurring
  porous body that effects the rate direction of
  water flow, due to the size of its
  interconnecting pores. 
• Agronomes  views soil as a natural medium for
  the growth of land plant. 
• Pédologue (classificateur de sol)  views soil
  as a natural body comprised of soil layers
  (horizons) residing near the soil surface, each
  distinct, unique morphology. 
• Chimiste du sol views soil as a naturally
  occuring, unconsolidated material residing above
  bedrock which supports numerous physical,
  chemical, and microbial reactions.  

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Textures

• Colloïdes
• Argile - moins de 0.004 mm
• Silt (fin, moyen et gros) - 0.004 à 0.062 mm
• Sable (fin, moyen et gros) - 0.062 à 2 mm
• Gravier (fin, moyen et gros) 2 à 64 mm

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Textures
(Dragun, 1998)
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Triangle de texture
(Dragun, 1998)
8
Structure du sol
(Dragun, 1998)
9
Masse volumique
(Dragun, 1998)
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Courbe de granulométrie
(Dragun, 1998)
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Porosité et indice des vides

• Masse volumiques ?
• ?a Ma/Va ? 0
• ? w Mw/Vw
• s Ms/Vs
• d Ms/Vt (sol sec)

Va Volume de lair Vw Volume liquide Vs
Volume solide
Ma Masse de lair ? 0 Mw Masse de leau Ms
Masse du solide
Volume des vides Vv VaVw Volume total Vt
Vv Vs (Va Vw) Vs Porosité totale n
Vv/Vt Indice des vides e Vv/Vs Teneur en eau
massique w() (Mw/Ms)x100 Teneur en eau
volumique ? Vw/Vt Degré de saturation Sr()
(Vw/Vv)x100
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Porosité et indice des vides
(Todd, 1980)
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Type de porosité

• Porosité primaire elle correspond aux pores ou
  interstices contemporains de la formation de la
  roche ou du sol, comme les fractures de
  refroidissement des basaltes.
• Porosité secondaire elle correspond aux pores ou
  interstices postérieurs à la formation de la
  roche ou du sol, comme les fractures de
  décompression à la suite du dégel des glaciers.
• Porosité efficace elle correspond aux pores et
  interstices reliés qui permettent lécoulement
  gravitaire des liquides. Elle est reliée à la
  notion demmagasinement de leau dans un
  matériau.
• Porosité effective elle correspond aux pores et
  interstices reliés à létat saturé qui permettent
  lécoulement. Elle est généralement supérieur à
  la porosité efficace, parce quà létat saturé de
  leau pelliculaire peut circuler. Elle est
  calculée à partir de la vitesse moyenne de leau
  souterraine déterminée par un essai de traceur
  non réactif.

(Chapuis, 1999)
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Exemple de porosité

• Gravier 25-40
• Sable 25-50
• Silt 35-50
• Argile 40-70
• Basalte fracturé 5-50
• Calcaire karstifiés 25-50
• Grès 5-30
• Shale 0-10
• Roche cristalline saine 0-5

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Classification de leau interstitielle

• Eau gravitaire fraction de leau souterraine qui
  se draine sous laction des forces de gravité
  uniquement. Cest eau est mobilisable par
  drainage et pompage dans un aquifère a nappe
  libre.
• Eau de rétention fraction de leau maintenue
  dans les interstices à la surface des grains ou
  sur des microfissures par la force dattraction
  moléculaire. On distingue leau pelliculaire qui
  peut être libérée par centrifugation et leau
  adsorbée qui ne sera libérée que par évaporation
  en étuve.
• Eau capillaire fraction de leau soumise à la
  force de tension superficielle au-dessus de la
  surface de la nappe.

(Chapuis, 1999)
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Classification de leau interstitielle

• Capacité de rétention ( specific retention )
• Le rapport du volume deau retenue dans un
  matériau au volume total de ce matériau sec
  (teneur en eau volumique de rétention
  n(1-Sr)). Elle exclut donc leau gravitaire et
  inclut leau pelliculaire et leau adsorbée. Par
  abus de langage, on lappelle eau cappilaire.
• Capacité au champ ( field capacity )
• Le rapport de la masse deau retenue dans un
  matériau à la masse de ce matériau sec ( teneur
  en eau massique de rétention), suite au drainage
  gravitaire.

(Chapuis, 1999)
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Nappes et aquifère

• Nappe contenu eau souterraine
• Aquifère contenant dans lequel leau souterraine
  circule
• Nappe phréatique
• Du grec phrear-atos signifiant un puits ou nappe
  deau dénotant lextrémité supérieur de la zone
  de saturation en labsence dun horizon
  imperméable susjacent correspond au niveau
  auquel leau se stabilise dans un puits perforé
  dans un aquifère libre.

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Aquifère, aquitard aquiclude

• Aquifère une unité géologique totalement ou
  partiellement saturée en eau, doù lon peut
  extraire de leau par pompage de façon
  économique. (Ex non consolidés sable et
  gravier consolidés grès, calcaires, roches
  fracturées ou altérées)
• Aquitard une unité géologique totalement ou
  partiellement saturée en eau, doù on ne peut pas
  extraire deau par pompage de façon économique,
  mais qui est assez perméable pour laisser
  percoler des quantités deau appréciables quand
  on se place à léchelle du kilomètre carré ou
  plus. (Ex argiles, silts et shales)
• Aquiclude une unité géologique totalement ou
  partiellement saturée en eau, dans laquelle leau
  ne circule pas du tout. (Ex roche ignée et
  métamorphique non fracturées) Une exception - une
  vue desprit.

(Chapuis, 1999)
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Types daquifères

• Nappe captive unité géologique totalement
  saturée, située entre un plancher  imperméable 
  (aquitard inférieur) et un plafond ou toit
   imperméable  (aquitard supérieur). Leau est
  sous pression.
• Nappe libre unité géologique partiellement
  saturée, limitée par un plancher  imperméable 
  et où il existe une surface sur laquelle la
  pression de leau est égale à la pression
  atmosphérique. Niveau fluctue en fonction des
  infiltrations.
• Nappe perchée cas spécial daquifère à nappe
  libre au-dessous duquel il existe une 2e surface
  sur laquelle la pression de leau est égale à la
  pression atmosphérique.

(Chapuis, 1999)
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Types daquifères

• Nappe semi-captive unité géologique
  partiellement totalement saturée, située entre un
  plancher  semi-imperméable  et un plafond
   semi-imperméable .
• Nappe semi-libre unité géologique partiellement
  saturée, où il existe une surface sur laquelle la
  pression de leau est égale à la pression
  atmosphérique, et limitée par un plancher
   semi-imperméable .

(Chapuis, 1999)
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Types daquifères
(Todd, 1980)
22
Types daquifères
(Todd, 1980)
23
Types daquifères
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Puits deau

• Artésien
• Dérivé du mot français Artois, une province du
  nord de la France. Cest à cet endroit que le 1er
  puits profond fut foré dans un aquifère captif et
  étudié dans les années 1750. Ce terme fesait
  originalement référence quaux puits jaillissant
  mais maintenant, il sapplique à tout les types
  de puits foré dans un aquifère captif (Todd,
  1980).
• Jaillissant
• Puits, forage artésien débitant, ou capable de
  débiter, spontanément au niveau du sol puits
  exploitant une nappe captive - ou dans certaines
  conditions la partie inférieure d'une nappe libre
  - dont le niveau piézométrique est au-dessus du
  sol.

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Puits dobservation/ Piézomètre

• Puits dobservation
• Puits sans pompage servant à mesurer lélévation
  de la nappe phréatique ou de la surface
  piézométrique et à échantillonner les eaux
  souterraines. Un puits dobservation est
  généralement de plus grand diamètre et crépiné
  sur la totalité de sa lépaisseur de laquifère.
• Surface piézométrique
• Surface imaginaire coïncidant avec la pression
  hydrostatique de leau dans un aquifère donné.
• Piézomètre
• Un instrument utilisé pour mesurer la charge
  hydraulique à un point donné dans le sous-sol
• Un puit sans pompage généralement de petit
  diamètre, utilisé pour mesurer lélévation de la
  nappe phréatique ou de la surface piézométrique.
• Crépiné sur une plus courte section quun puit
  dobservation.
• Pas nécessairement conçu pour collecter des
  échantillons deau, mais les puits dobservation
  le sont.

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Puits dobservation
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Piézomètre
28
Nids de puits
29
Écoulement de leau souterraine
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Écoulement de leau souterraine

• Zone vadose
• Zone au-dessus de la nappe phréatique
• Les pores sont partiellement saturées en eau
  (zone radiculaire, vadose intermédiaire) et
  saturées en eau (zone capilaire)
• Leau est sous pression négative
• Zone capillaire
• De la nappe phréatique jusquà la limite de la
  remontée capilaire
• Pression négative
• Zone saturée
• Zone sous la nappe phréatique
• Les pores sont complètement saturés en eau
• Pression positive

(Todd, 1980)
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La loi de Darcy
(Chapuis, 1999)
Q - K A (dh/dl) -K A i Q débit (m3/s) A
aire de la section (m2) K constante de
proportionnalité (conductivité hydraulique) i
gradient hydraulique le long dune ligne
découlement
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Vitesse de Darcy vitesse moyenne découlement
Vitesse de Darcy (écoulement une dimension) q
vDarcy Q/A -Kdh/dl Ki q vitesse de Darcy
(litre/temps)
Vitesse moyenne découlement V Q/neA Ki/ne V
vitesse moyenne de leau (vitesse de Darcy
divisé par ne) ne porosité effective du
milieu A aire de la section découlement
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Écoulement de leau souterraine
34
Ligne découlement et équipotentiel
Équipotentiel (m)
(Todd, 1980)
35
Ligne découlement et équipotentiel
Équipotentiel (m)
(Todd, 1980)
36
Conductivité hydraulique

• Cest le paramètre mesurant dans une direction de
  lécoulement la perméabilité dun milieu poreux
  vis-à-vis de leau ( hydrau ), pour une densité
  et une viscosité cinématique constante.
• Symbole K (appelé également coefficient de
  perméabilité)
• Dimension longueur/temps (vitesse)
• Unités cm/jour, cm/an (hydrogéologie)

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Perméabilité

• Cest un paramètre caractérisant le milieu poreux
  dans une direction. On mesure dans cette
  direction la perméabilité du milieu vis-à-vis
  dun fluide homogène quelconque, indépendamment
  des caractéristiques du fluide.
• Symbole k
• Dimension surface
• Unités cm2, Darcy (1 Darcy 9,87 x10-9 cm2)

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Conductivité hydraulique
39
Conductivité hydraulique
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Conductivité hydraulique

• Détermination in-situ
• Theis (ideal)
• Hantush-Jacob (leaky)
• Neuman (libre)
• Puits image (avec frontière)

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Équation découlement saturé en régime permanent
Pour un milieu isotrope Kx Ky Kz
Équation de Laplace
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Sources de pollution

• Diffuse
• Fertilisants et pesticides agricoles
• Sels déglaçants
• Retombées atmosphériques
• Ponctuelle
• Sites industriels contaminés
• Réservoirs souterrains
• Déversements accidentels
• Parcs de résidus miniers
• Lieux de gestion des déchets dangereux
• Pipelines
• Lieux délimination des déchets, neiges usées
• Entreposage des fumiers
• Cimetières, etc.

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Devenir des contaminants

• LNAPL Light non-aqueous phase liquids moins
  dense que leau (ex essence, diesel huiles)
• DNAPL Dense non-aqueous phase liquids plus
  dense que leau (ex créosote et solvants
  chlorés)

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LNAPL / DNAPL
45
Devenir dun déversement de diesel - LNAPL
Volatilisation
DIESEL
Dissolution dans leau intersticielle
Diffusion
Lac
Zone vadose
Diesel résiduel
Dissolution dans leau souterraine
Écoulement de leau souterraine
Zone saturée
Panache de contamination dissoute
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Migration/transport des contaminants
Facteur de retard
R 10
R 1
R 2
R 5
Plus soluble Moins hydrophobes
Moins soluble Hydrophobes
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Migration/transport des contaminants

• Processus impliqués dans le transport des
  contminants
• Processus physiques
• Advection
• Dissolution
• Adsorption
• Volatilisation
• Processus de transformation
• Chimique
• Biologique

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Migration avec et sans biodégradation
Sans biodégradation
Avec biodégradation
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Politique/règlement du MDDEP

• Politique de protection des sols et de
  réhabilitation des terrains contaminés
• Annexe 2 Les critères génériques pour les sols
  et pour les eaux souterraines http//www.mddep.gou
  v.qc.ca/sol/terrains/politique/annexe_2_grille_eau
  x.htm
• Le Règlement sur le captage des eaux souterraines
  en bref http//www.mddep.gouv.qc.ca/eau/souterrain
  es/index.htm

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Politique/règlement du MDDEP

• Étude dimpact nécessaire pour des centres de
  capacité de traitement de 100 000 t.m.
• Caractérisation initiale (bruit de fond) et
  remettre le site dans le même état lors du
  démantèlement du centre.
• Utiliser des technologies respectueuses de
  lenvironnement
• Système accrus de protection
• Puits dapprovisionnement en eau potable
• Ressource deau souterraine irremplaçable
  (limplantation du centre peut même être refusée)

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Guide du MDDEP

• Guide de détermination daires dalimentation et
  de protection de captage deau souterraine
  http//www.mddep.gouv.qc.ca/eau/souterraines/alim-
  protec/index.htm
• Système d'information hydrogéologique (SIH)
• Le SIH est un outil de recherche qui vous permet
  d'obtenir de l'information sur plus de 125 000
  puits installés et forages effectués sur le
  territoire québécois depuis l'entrée en vigueur
  du Règlement sur les eaux souterraines, en 1968.
  On peut y trouver de linformation entre autres
  sur les niveaux d'eau statique et dynamique, les
  descriptions lithologiques, la profondeur des
  puits, les méthodes de forage et les matériaux de
  cuvelage. Le système comporte actuellement seize
  champs dinformation.
• Pour accéder au SIH http//132.203.71.97/index.ht
  ml

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Caractérisation environnemental dun site

• Étude environnemental de site Phase I
• Reconnu par lAssociation Canadienne de
  Normalisation (ACNOR), une phase 1 est une étude
  normalisée et reconnue qui permet d'évaluer
  l'état actuel et le passif environnemental d'une
  propriété résidentielle, commerciale ou
  industrielle. Cette étude comporte l'examen de
  l'historique du site, une inspection des lieux et
  la récupération des renseignements disponibles
  auprès des autorités gouvernementales,
  municipales et auprès d'anciens employés ou
  propriétaires. L'évaluation environnementale de
  site permet de quantifier les risques
  environnementaux affectant un site et devient
  donc un outil décisionnel nécessaire avant toute
  transaction.
• Étude environnemental de site Phase II
• Suite à la réalisation d'une phase I, dans le cas
  où des indices de contamination potentielle sont
  décelés sur un site ou si des contraintes
  environnementales sont connues sur le site
  (réservoirs souterrains, zones d'entreposage de
  matières résiduelles, etc.), la réalisation d'une
  étude de caractérisation permet de confirmer la
  présence ou l'absence de contaminants. Les
  résultats de caractérisation permettent de
  déterminer le type de polluant, de cibler les
  secteurs et les médiums contaminés et d'évaluer
  l'ampleur de la contamination. Ces études
  comportent la réalisation de sondages et le
  prélèvement d'échantillons par notre laboratoire
  accrédité et selon les normes environnementales
  reconnues.

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Caractérisation environnemental dun site

• Étude environnemental de site Phase III
• Une fois les contaminants identifiés, les volumes
  de contamination connus et les impacts sur
  l'environnement évalués, on est en mesure de
  définir les mesures d'intervention efficaces. Une
  solution de restauration est proposée au client
  après avoir évalué toutes les options possibles.

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Caractérisation environnemental dun site

• Caractérisation des sols
• Forages, tranchées à la pelle rétrocaveuse,
  échantillonnage des sols et détermination de la
  stratigraphie, analyse physico-chimiques
• Caractérisation des eaux souterraines
• Localisation et description des puits
  dobservation
• Recueil de données physiques (stratigraphie,
  granolométrie, porosité)
• Détermination du sens et la vitesse découlement
  des eaux
• Inventaire des puits dans un rayon de 1 km
• Détermination du bruit de fond
• Établissement dun plan de suivi des eaux
  souterraines et de surface (2 fois par ans pour
  les contaminants contenus dans la demande de
  C.A.)
• Aviser le MDDEP de tout dépassement ou incident

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Contamination dun centre de traitement des sols

• Soumis à la Politique de protection des sols et
  réhabilitation des terrains contaminés
• Il faut décontaminer!
• Toute contamination accidentel (déversement, un
  bris déquipement ou autre raison) devra être
  réhabilitée de façon à ce que le sol et les eaux
  souterraines retrouvent la qualité davant
  déversement
• Importance de la caractérisation initiale!

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Option de réhabilitation de leau souterraine

• Critères génériques dusage
• Politique de protection des sols et de
  réhabilitation des terrains contaminés
• Annexe 2 Les critères génériques pour les sols
  et pour les eaux souterraines http//www.mddep.gou
  v.qc.ca/sol/terrains/politique/annexe_2_grille_eau
  x.htm
• Comparaison avec les teneurs de fond
• Redonner au terrain la qualité quil avait avant
  limplantation (votre cas pour un centre de
  traitement de sol implanté après en vigueur de
  cette Politique)
• Évaluation dimpact des activités et des sols
  contaminés sur la qualité des eaux souterraines
• Limpact réel ou appréhendé est défini sur la
  base des critères de la qualité de leau au lieu
  dimpact
• Classification des eaux souterraines
• http//www.mddep.gouv.qc.ca/sol/terrains/politique
  /annexe_2_tableau1_seuils.htm
• Seuils dalertes http//www.mddep.gouv.qc.ca/sol/t
  errains/politique/annexe_2_tableau1_seuils.htm

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Procédure dintervention sur les eaux souterraines
http//www.mddep.gouv.qc.ca/sol/terrains/politique
/images/annexe_2_fig1.gif
58
Classification des eaux souterraines

• Classe I Hautement vulnérable et irremplaçable
  pour une population substantielle ou vitale
  écologiquement
• Classe IIA Source courante deau de consommation
• Classe IIB Source potentielle deau de
  consommation
• Classe IIIA Nest pas une source de
  consommation degré de liaison hydraulique
  intermédiaire à élevé de piètre qualité ne peut
  être purifiée ou ne présente pas un potentiel
  suffisant en quantité ou ne peut être considérée
  dun point de vue économique
• Classe IIIB Nest pas une source deau de
  consommation faible degré de liaison
  hydraulique, de piètre qualité et ne peut être
  purifié

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Méthode de protection du site

• Captage des lixiviats
• Recouvrement des piles de sol avec des
  géomembrane
• Captage des eaux de pluie
• Géomembranes sous les aires de traitement
• Instrumentation dun site
• La politique du MDDEP nest pas très spécifique à
  ce niveau.
• Puits dobservation
• Piézomètre
• Sonde de détection des fuites
• Foreuse
• Accessoires déchantillonnage de puits
• Enregistreur de niveau deau
• Sonde à interface huile/eau
• Pompe Waterra Hydrolift II

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Géomembranes
sol contaminé de la biopile
résine dépoxy
pavage bitumineux
couche de sable de 30 cm
géomembrane de bentonite
sol compacté du site
61
Géomembranes
Bentofix (http//www.bentofix.com/terrafixgeo/inde
x.html)
62
Puits dobservation
63
Piézomètre
64
Nids de puits
65
Puits dobservation vs piézomètre
66
Foreuse
(Todd, 1980)
67
Accessoires déchantillonnage de puits
Pompe Waterra Hydrolift II
http//www.waterra.com/
68
Accessoires déchantillonnage de puits
Enregistreur de niveau deau Waterra WS-1L
Sonde à interface huile/eau
http//www.waterra.com/
69
Positionnement des puits

• Plan horizontal
• Plan vertical
• Tenir compte des différents types daquifères
• NAPL/DNAPL

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Références

• Todd, David Keith. 1980. Groundwater Hydrology,
  Second Edition, John Wiley Sons, Inc.,
  Berkeley, Ca, USA.
• Chapuis, Robert P. 1999. Guide des essais de
  pompage et leurs interprétation, Les publication
  du Québec, Ste-Foy, Québec, Canada.
• Dragun, James. 1998. The Soil Chemistry of
  Hazardous Materials, Second Édition, Amherst
  Scientific Publishers, Amherst, Massachusetts,
  USA.