Project

Environment: contaminated soils and sites

Goal: Quantification of local (spatial) and global uncertainties about contaminated soils and sites.
Characterization and modeling of groundwater contaminations.
Assessment of environmental and health risks resulting from contaminated sites.
Optimal sampling design.
Uncertainty analysis and decision making on contaminated soil remediation.
Characterization and assessment of biogas emissions.

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Florine Garcia
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A 3D software solution (SoilRemediation®) dedicated to contaminated sites and soils has been developed to meet the needs of project owners who are confronted with the follow-up and sequencing of studies and site works in redevelopment projects of brownfields or other potentially contaminated sites. This solution enables import, management, visualization (1D, 2D and 3D), analysis (exploratory or statistical), sharing and perpetuation of all possible types of data and study results. The latter include geological and site contamination interpretations and models as well as site or construction work information to keep track of them. It is associated with a mobile application (SRMobile) that makes it easy to collect data during investigation surveys and import them into the 3D software solution. The use of SoilRemediation is presented and illustrated as part of the strategy of the French Agency for Ecological Transition (ADEME) to manage the data and results of 30 years of investigations and studies of a former industrial site before resuming studies in order to consolidate a management plan including remediation.
The management of excavated soils is addressed as an optimization problem in order to minimize the costs of excavated soil management solutions and optional selective sorting, based on geostatistically quantified spatial uncertainties about soil contaminations. Selective sorting reduces uncertainties, but it is only proposed when its cost is offset by savings that can be achieved by confidently redirecting enough excavated soils to less expensive management solutions than those that would be chosen without it. This approach is integrated into the SRModeling software solution (Garcia et al., 2021; Mathieu et al., 2019), as a post-processing of geostatistical soil contamination models. The approach is presented and illustrated on a case study to optimize the management of excavated soils, by available management solutions (treatment, reuse, disposal, containment…) and optional selective sorting, using geostatistical soil contamination models to quantify spatial uncertainties.
The management of excavated soils is addressed as an optimization problem in order to minimize the costs of excavated soil management solutions and optional selective sorting, based on geostatistically quantified spatial uncertainties about soil contaminations. Selective sorting reduces uncertainties, but it is only proposed when its cost is offset by savings that can be achieved by confidently redirecting enough excavated soils to less expensive management solutions than those that would be chosen without it. This approach is integrated into the SRModeling software solution (Garcia et al., 2021; Mathieu et al., 2019), as a post-processing of geostatistical soil contamination models. The approach is presented and illustrated on a case study to optimize the management of excavated soils, by available management solutions (treatment, reuse, disposal, containment…) and optional selective sorting, using geostatistical soil contamination models to quantify spatial uncertainties.
Michel Garcia
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Parmi les méthodes de caractérisation des pollutions de sols, la détection d'une phase organique (NAPL) et la géostatistique sont des méthodes utilisées de manière récurrente dans le cas de pollution organique. Une approche qui combine ces deux méthodes est proposée ici à travers un nouveau logiciel appelé SROreos. L'un des avantages de cette combinaison de méthodes est de pouvoir mener une analyse de sensibilité pour traduire des incertitudes spatiales, issues de modèles géostatistiques de la pollution des sols, associées à des incertitudes sur les propriétés des milieux, en des incertitudes sur les bilans de masse dont l'estimation est ainsi rendue plus robuste. La mise en oeuvre de l'outil SROreos sur un site industriel a montré son intérêt pour orienter les travaux de dépollution en cours.
Florine Garcia
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Dans la continuité des travaux de recherche OUTRAGE et REPERAGE sur le couplage entre mesures de terrain et traitement géostatistique des données, des travaux ont été menés dans le cadre du projet MATRICE pour améliorer et compléter l’approche proposée et la rendre opérationnelle à l’aide d’outils logiciels adaptés. L’approche vise à lever convenablement l’incertitude sur l’état de pollution de sols établie à partir d’un modèle géostatistique de teneurs en polluants dans les sols en prenant en compte des objectifs de reconnaissance ou de dépollution et des contraintes à respecter. La démarche proposée est itérative. A chaque étape, un plan de sondages ou d’échantillonnage complémentaire est calculé et transmis à l’équipe de terrain, de nouvelles données sont collectées aux endroits proposés et les modèles géostatistique et d’incertitude sont mis à jour. La façon de définir le modèle d’incertitude (classification des sols) et le nombre de sondages par étape constituent des éléments clés de la démarche qui ont fait l’objet d’analyses de sensibilité. Cet article présente la démarche, son application à un cas d’étude semi synthétique et les premiers résultats d’analyses de sensibilité pour en déduire des recommandations.
Le projet de recherche MATRICE intègre une démarche géostatistique dans l’analyse des données collectées et leur traitement pour conduire au mieux une campagne de reconnaissance selon un objectif souhaité. Pour répondre à cette problématique, une démarche a été définie à partir des résultats du projet REPERAGE et des outils logiciels ont été développés en complément d’outils existants pour la rendre opérationnelle. Une application mobile, SRMobile, a ainsi été développée pour collecter au mieux les données sur le terrain et faciliter leur transfert entre terrain et bureau d’étude. Cette application intègre une liaison avec les bases de données et les services gérés par le BRGM pour permettre une meilleure connaissance des milieux au voisinage du site et faciliter le contrôle-qualité des données. Les données récoltées sont ensuite intégrées pour établir ou mettre à jour un modèle de pollution des sols et l’incertitude associée grâce à des logiciels existants. Pour lever ces incertitudes, un logiciel SRSampling a été développé pour calculer des plans d’échantillonnage complémentaires qui sont ensuite transférés au terrain via SRMobile. L’ensemble de ces étapes est répété plusieurs fois, dans des délais compatibles avec ceux de la campagne de reconnaissance.
Dans la continuité des travaux de recherche OUTRAGE et REPERAGE sur le couplage entre mesures de terrain et traitement géostatistique des données, des travaux ont été menés dans le cadre du projet MATRICE pour améliorer et compléter l’approche proposée et la rendre opérationnelle à l’aide d’outils logiciels adaptés. L’approche vise à lever convenablement l’incertitude sur l’état de pollution de sols établie à partir d’un modèle géostatistique de teneurs en polluants dans les sols en prenant en compte des objectifs de reconnaissance ou de dépollution et des contraintes à respecter. La démarche proposée est itérative. A chaque étape, un plan de sondages ou d’échantillonnage complémentaire est calculé et transmis à l’équipe de terrain, de nouvelles données sont collectées aux endroits proposés et les modèles géostatistique et d’incertitude sont mis à jour. La façon de définir le modèle d’incertitude (classification des sols) et le nombre de sondages par étape constituent des éléments clés de la démarche qui ont fait l’objet d’analyses de sensibilité. Cet article présente la démarche, son application à un cas d’étude semi synthétique et les premiers résultats d’analyses de sensibilité pour en déduire des recommandations.
Michel Garcia
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Le groupe de travail GeoSiPol a été mis en place fin 2003 afin de promouvoir l’application de la géostatistique lors de l’évaluation et de la réhabilitation des sites et sols pollués. Outre les membres fondateurs (membres experts) à l’origine du projet (FSS, Géovariances, Mines de Paris), le groupe de travail rassemble aujourd’hui plus de 20 membres adhérents : institutionnels (ADEME, INERIS), bureaux d’études et industriels. La vocation du groupe est triple. 1. Faire connaître et reconnaître l’intérêt pratique et la pertinence de la géostatistique pour le diagnostic et la dépollution de sites contaminés. 2. Donner accès à la géostatistique à un plus grand nombre de praticiens, auprès de bureaux d’étude et de sociétés de dépollution, en allant vers l’établissement et la validation « d’approches standards » définies par rapport à des objectifs d’étude simples et précis (par ex. schéma d’investigation, cartographie, calcul de volumes de sols contaminés, tri sélectif de sols pour dépollution, évaluation de risques sanitaires). 3. Fournir aux Autorités environnementales les éléments d’information et les conditions pour une intégration possible de la géostatistique dans la méthodologie nationale. L’évolution récente des guides méthodologiques, en redonnant une place centrale à la mesure, renforce d’autant plus la pertinence de l’approche géostatistique, qui base l’ensemble de ses modèles prédictifs sur l’observation terrain et l’intégration de données expérimentales. Afin de permettre aux organismes publics et aux professionnels des sites pollués de mieux se positionner par rapport à ce type de démarche et de la proposer, un première phase de travail a consisté à faire la revue, à partir de l’expérience acquise par les membres fondateurs, des applications possibles de la démarche géostatistique aux sites pollués. Cette phase, rendue en partie possible grâce à des subventions de l’ADEME et de l’INERIS, a donné lieu en 2006 à la rédaction d’un manuel méthodologique qui aborde quatre thèmes d’étude jugés prioritaires par les membres du groupe. - Comment passer des analyses chimiques à la cartographie des teneurs en polluant ? - Comment délimiter et quantifier les zones à dépolluer ? - Comment intégrer toute l’information, de l’historique aux analyses sur site ? - Quel est l’apport de la géostatistique à l’échantillonnage des sites pollués ? Pour chacun de ces thèmes d’étude, un état des lieux est fait des pratiques habituelles, une approche géostatistique dite standard est proposée et décrite, comme moyen de répondre aux objectifs d’étude considérés, et son application est illustrée sur un cas d’étude réel. Au travers de séminaires de vulgarisation basés sur une présentation de ces travaux, GeoSiPol a permis de clarifier les apports de la géostatistique pour les sites et sols pollués et les attentes des acteurs impliqués dans la gestion des sites et sols pollués à ce sujet. Suite à ces travaux, une seconde phase de démonstration de l’applicabilité et de la pertinence de la géostatistique a été lancée. Elle consiste en des études de démonstration sur des sites réels fournis par des membres du groupe de travail (industriels et bureaux d’étude). La contribution proposée revient tout d’abord sur le contexte original de développement de l’association GeoSiPol et sur son mode de fonctionnement. Les principaux apports de la géostatistique sont ensuite illustrés au travers d’exemples réels issus du manuel méthodologique GeoSiPol : optimisation de campagnes d’échantillonnage, cartographie des teneurs en polluants intégrant la nature physique du phénomène et les informations historiques, estimation des quantités de terres à dépolluer, évaluation des coûts de dépollution et des incertitudes associées. A travers ces exemples, il est montré comment la géostatistique peut fournir une aide à la décision dans les projets de réhabilitation de sites tant sur les aspects financiers, techniques qu’environnementaux. Finalement, un aperçu des études de démonstration en cours est donné, afin d’en préciser les objectifs et l'organisation et d’illustrer la variété des sites réels traités.
This paper addresses the issue of assessing, in a probabilistic manner, the extent of a potential contamination plume in an aquifer when scant water table and concentration data are available. This initial assessment serves as a basis for locating additional piezometer that may be required to confirm the contamination diagnostic. A novel approach is proposed, whereby an analytical model of transport is used first to generate a series of contaminant concentration maps, each map resulting from a different, yet equiprobable, set of parameters. This suite of concentration images is then summarized into an a priori contamination probability map, describing the probability that, at any location, the contamination concentration exceeds a critical threshold. Finally, this prior probability map is conditioned to available piezometer information using the geostatistical technique of simple indicator kriging with local prior means. This new approach is illustrated by a case study of an aquifer contamination by polycyclic aromatic hydrocarbon (PAH), resulting from former coal-processing activities.
Michel Garcia
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L’étude des sites potentiellement pollués comprend généralement deux grandes étapes : 1) l’analyse de l’état de pollution des sols pour juger de son impact sur les milieux et décider de la nécessité ou non d’intervenir selon l’usage prévu du site, 2) si nécessaire, la délimitation et la quantification de la pollution des sols pour cibler et dimensionner au mieux le traitement et donc optimiser les coûts de réhabilitation [1][2]. Cet article présente et compare, pour chacun de ces objectifs, les résultats d’une approche dite « usuelle » et d’une approche « géostatistique » sur un ancien site de stockage de produits chimiques. Il dresse un bilan coût/avantage chiffré de l’approche géostatistique selon les données disponibles, l’objectif et le temps con-sacré à l’étude. Ce travail s’appuie sur une des études de démonstration [3] de l’application de la géostatistiques aux sites et sols pollués (SSP), réalisées, dans le cadre du groupe de travail GeoSiPol avec un financement de l’ADEME, et en complète les résultats. L’étude porte sur les données du site 1bis du projet de recherche « ATTENA » [4] financé également par l’ADEME.
Michel Garcia
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Presentation of the MATRICE research project: Méthodes Analytiques de Terrain alteRnatives de gestIon des sols ContaminEs
Michel Garcia
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This study focuses on the estimation of masses of contaminants in place inside a production site and the quantification of the spatial uncertainty related to the location of these masses. The aim is to provide an assessment of the current soil contamination (current status) before the transfer of the site to another industrial company. The proposed methodological approach relies on geostatistical modeling of the soil contamination by using a simulation method that generates a large number of realistic and equiprobable 3D images of grades for soil contaminants of interest. The images are realistic because they reproduce the grade data and their observed spatial variability. They are equiprobable in that they all have the same probability to represent the actual soil contamination. To assess the soil contamination before the site transfer, the masses of contaminants in place and the associated uncertainty can be estimated from the simulations, for the whole site or by zone. Using the simulations, it can be identified the locations where potential soil contamination sources are likely to be or not found with high enough confidence, and those where the soil contamination is uncertain. The sources of contamination are defined as corresponding to the areas where the vertical accumulation of contaminant mass exceeds some critical threshold above the saturated zone. KEYWORDS: contaminated soils, masses in place, contamination source, geostatistics, uncertainty
Michel Garcia
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Showing how an easy-to-implement geostatistical approach can be used to trace the potential pathways of a soil contamination by organic components, back to the source(s), in order to address environmental accountability issues.
Michel Garcia
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This study focuses on the estimation of masses of contaminants in place inside a production site and the quantification of the spatial uncertainty related to the location of these masses. The aim is to provide an assessment of the current soil contamination (current status) before the transfer of the site to another industrial company. The proposed methodological approach relies on geostatistical modeling of the soil contamination by using a simulation method that generates a large number of realistic and equiprobable 3D images of grades for soil contaminants of interest. The images are realistic because they reproduce the grade data and their observed spatial variability. They are equiprobable in that they all have the same probability to represent the actual soil contamination. To assess the soil contamination before the site transfer, the masses of contaminants in place and the associated uncertainty can be estimated from the simulations, for the whole site or by zone. Using the simulations, it can be identified the locations where potential soil contamination sources are likely to be or not found with high enough confidence, and those where the soil contamination is uncertain. The sources of contamination are defined as corresponding to the areas where the vertical accumulation of contaminant mass exceeds some critical threshold above the saturated zone.
A case study is presented of building a map showing the probability that the concentration in polycyclic aromatic hydrocarbon (PAH) exceeds a critical threshold. This assessment is based on existing PAH sample data (direct information) and on an electrical resistivity survey (indirect information). Simulated annealing is used to build a model of the range of possible values for PAH concentrations and of the bivariate relationship between PAH concentrations and electrical resistivity. The geostatistical technique of simple indicator kriging is then used, together with the probabilistic model, to infer, at each node of a grid, the range of possible values which the PAH concentration can take. The risk map is then extracted for this characterization of the local uncertainty. The difference between this risk map and a traditional iso-concentration map is then discussed in terms of decision-making.
This paper presents, through an actual case study, a general approach for the application of geostatistics to the diagnosis of polluted sites. Diagnoses are preliminary work prior to deciding about remediation plans. The main objectives are to delineate the soil pollution for some concentration thresholds, to derive contaminated soil volumes, and to assess the uncertainty attached to them. Volumes can then be converted into treatment costs which provide support for decision making regarding remediation or complementary investigations. For such a diagnosis task, geostatistics provide many tools that allow better integrating different types of information and give direct access to all kind of uncertainty measurements. In this study, the geostatistical approach relies on the following three-step procedure: 1) model the geometry of the site which here consists of infill materials delimited by a topographic surface and underlying alluvium; 2) fill in, through conditional simulation, the whole site domain with the different soil types which have been identified, each soil type being associated to a specific contamination degree (discrimination of concentration populations); 3) generate, from the simulated soil type images, probability maps that provide the local probability of exceeding given concentration thresholds. In this case study, the available information consist of contaminant concentrations measured on soil samples, soil descriptions recorded on several drill-holes, and resistivity measurements along several profiles over the site. Resistivity measurements are not directly related to soil contamination. It is proven, however, that they are correlated to some specific soil types and allow detecting their presence or absence.
Michel Garcia
added a project goal
Quantification of local (spatial) and global uncertainties about contaminated soils and sites.
Characterization and modeling of groundwater contaminations.
Assessment of environmental and health risks resulting from contaminated sites.
Optimal sampling design.
Uncertainty analysis and decision making on contaminated soil remediation.
Characterization and assessment of biogas emissions.