Thèse
Auteur :
Jeannée Nicolas

Date de soutenance :
03 mai 2001

Directeur(s) de thèse :
De Fouquet Chantal



École :

MINES ParisTech
Intitulé de la thèse : Caractérisation géostatistique de pollutions industrielles de sols: cas des hydrocarbures aromatiques polycycliques sur d'anciens sites de cokeries


Résumé : L'estimation des concentrations en hydrocarbures aromatiques polycycliques dans les sols de friches indus-
trielles présente de nombreuses difficultés pratiques, liées aux propriétés des polluants et à la formation de
ces sites :
"“ prélèvement et préparation des échantillons dans des sols fortement hétérogènes,
"“ forte variabilité à petite distance, notamment pour des terrains remaniés,
"“ fort contraste des teneurs, compliquant l'inférence du variogramme.
Actuellement, la reconnaissance est souvent guidée par l'historique du site, et la recommandation d'une
reconnaissance systématique préconisée pour les estimations géostatistiques apparaît souvent excessive.
En s'appuyant sur l'étude détaillée de deux anciens sites de cokeries, différentes méthodes d'estimation
géostatistiques sont comparées pour l'estimation (i) des concentrations en place et (ii) de la probabilité de
dépassement d'une valeur guide. De nombreuses questions pratiques ou méthodologiques sont examinées :
"“ propriétés de différents modes de calcul du variogramme expérimental et validité des résultats ;
"“ utilisation d'informations auxiliaires telles que l'historique de site, des relevés organoleptiques, des
mesures semi-quantitatives, en vue d'améliorer la précision des estimations ;
"“ discussion des plans d' ?echantillonnage usuels, au vu de la répartition verticale des teneurs ou de
l'historique du site.
La mise à disposition de mesures multiples à partir d'un même prélèvement permet d'approcher l'ordre de
grandeur de l'erreur d'échantillonnage - au sens large. Des reconnaissances à petite distance montrent les
difficultés d'un tri sélectif des terres en l'absence de structure spatiale. Plusieurs études de sensibilité sont
menées en vue de quantifier l'apport d'une information auxiliaire dense pour l'estimation des teneurs.
En se basant principalement sur des modélisations existantes, ce travail vise à fournir au praticien des
recommandations pratiques pour la caractérisation de pollutions de sols.

I Introduction - 1
II Positions du problème et éléments méthodologiques - 7
1 Position du problème - 9
1.1 Etat des lieux des friches industrielles en France - 9
1.2 Problèmes rencontrés - 10
1.2.1 Sols pollués - 10
1.2.2 Approche de l'échantillonnage - 11
1.2.3 Sélection de zones à dépolluer - 11
1.3 Contexte de la thèse - 13
1.3.1 Sites de cokeries - 13
1.3.2 Pollutions par des HAP - 13
1.3.3 Cadre scientifique - 15
1.4 Objectifs - 16
1.4.1 Caractérisation des HAP et examen de variables qualitatives - 16
1.4.2 Estimation des concentrations en place - 16
1.4.3 Probabilité de dépassement de seuils de pollution - 17
1.4.4 Inférence de la structure spatiale - 18
2 Inférence d'une structure spatiale - 21
2.1 Inférence structurale - 21
2.1.1 Estimateurs robustes de la variable brute - 22
2.1.2 Transformées de la variable brute - 22
2.2 Variogramme déduit de la covariance non centrée - 24
2.1.1 Définition - 24
2.2.2 Comparaison de ?R(h) et CR(0) - CR(h) - 24
2.2.3 Modèles de fonctions aléatoires - 25
2.2.4 Simulations - 26
2.2.5 Nuées variographiques - 27
2.2.6 Variances d'estimation de ?*(h) et C*(0) - C*(h) - 29
2.2.7 Conclusions - 33
2.3 Variogrammes pondérés - 33
2.3.1 Variogramme pondéré par échantillon - 34
2.3.2 Variogramme moyen par échantillon - 34
III Site Y - 43
3 Echantillonnage et analyse exploratoire - 45
3.1 Site et stratégie d'échantillonnage - 45
3.1.1 Description et historique - 45
3.1.2 Campagne d'échantillonnage - 46
3.2 Analyse exploratoire - 48
3.2.1 Fosses et sondages - 48
3.2.2 Corrélations entre fosses et sondages - 53
3.2.3 Analyse et composantes principales des concentrations - 54
3.2.4 Fraction granulométrique - 55
3.2.5 Indices organoleptiques - 57
3.2.6 Liens avec l'historique - 68
3.3 Synthèse - 69
4 Analyse variographique - 71
4.1 Différents modes de calcul du variogramme - 71
4.1.1 Variogramme classique - 71
4.1.2 Variogramme déduit de la covariance non centrée - 76
4.1.3 Variogrammes pondérés - 76
4.1.4 Synthèse - 78
4.2 Application - 79
4.3 Modèles multivariables - 82
4.3.1 Corrélations entre HAP - 82
4.3.2 Utilisation des informations qualitatives - 83
4.3.3 Synthèse - 84
5 Estimation des concentrations en place - 91
5.1 Estimation globale - 91
5.1.1 Hypothèse transitive - 91
5.1.2 Hypothèse intrinsèque - 93
5.2 Estimation locale monovariable des concentrations - 93
5.3 Estimation multivariable des concentrations - 95
5.3.1 Cokrigeage Fosse-Sondage - 95
5.3.2 Utilisation des autres HAP - 96
5.3.3 Sommes de HAP et application - 99
5.4 Utilisation des informations qualitatives - 100
5.4.1 Krigeage du facteur auxiliaire - 100
5.4.2 Cokrigeage en configuration isotopique - 101
5.4.3 Informations qualitatives plus denses - 102
5.5 Synthèse - 104
6 Zones de dépassement de seuils de pollution - 105
6.1 Principe - 105
6.1.1 Existence d'effets de bord - 105
6.1.2 Modèle gaussien anamorphosé - 107
6.1.3 Krigeage disjonctif - 109
6.1.4 Traitement des données égales au seuil de détection - 110
6.1.5 Espérance conditionnelle - 112
6.1.6 Comparaison - 113
6.2 Changement de support en modèle gaussien discret - 114
6.3 Application - 116
IV Site X - 121
7 Echantillonnage, analyse exploratoire et variographique, estimations - 123
7.1 Site et stratégie d'échantillonnage - 123
7.1.1 Description et historique - 123
7.1.2 Campagne d'échantillonnage - 125
7.2 Analyse exploratoire - 126
7.2.1 Fosses et Sondages - 126
7.2.2 Indices qualitatifs - 129
7.2.3 Mesures de gaz - 130
7.2.4 Kits chimiques - 132
7.3 Comparaison avec les campagnes précédentes - 133
7.4 Analyse variographique - 134
7.5 Modèles - 135
7.6 Estimations - 136
7.6.1 Estimation globale - 136
7.6.2 Estimation locale et niveau d'incertitude - 136
7.7 Synthèse - 138
8 Représentativité des échantillons - 139
8.1 Fraction granulométriques - 140
8.2 Préparation des échantillons - 141
8.2.1 Statistiques élémentaires - 141
8.2.2 Histogrammes - 142
8.2.3 Erreur d'échantillonnage et effet de pépite - 143
8.2.4 Calcul théorique de l'erreur fondamentale d'échantillonnage - 144
8.3 Variabilité à petite distance - 144
8.3.1 Stations - 145
8.3.2 Croix - 148
8.4 Synthèse - 150
V Conclusion - 151
Bibliographie - 159
VI Annexes - 165
A Audit de sites - 167
A.1 Enquête documentaire - 167
A.2 Campagnes d'investigation - 168
A.2.1 Hétérogénéités et représentativité d'un échantillonnage - 168
A.2.2 Plans d'échantillonnage - 170
A.2.3 Techniques de prélèvement - 171
B Compléments sur les cookeries et l'analyse des HAP - 173
B.1 Cokeries - 173
B.1.1 Cokéfaction - 173
B.1.2 Impact environnemental - 174
B.2 Préparation et analyse des HAP - 175
C Rappels de géostatistique - 177
C.1 Notions statistiques - 177
C.2 Variables régionalisées - 179
C.3 Fonctions aléatoires - 180
C.4 Propriétés fondamentales - 181
C.4.1 Stationnarité - 181
C.4.2 Ergodicité - 182
C.5 Variogramme - 183
C.5.1 Variogramme expérimental, régional, théorique - 183
C.5.2 Modèles de variogrammes - 184
C.5.3 Cas stationnaire - 185
C.5.4 Pratique de l'analyse structurale - 185
C.5.5 Interprétation physique - 186
C.5.6 Validation d'un modèle structural - 187
C.6 Estimation locale - 188
C.6.1 Etapes du krigeage - 188
C.6.2 Quelques propriétés - 189
C.7 Aspects multivariables - 189
C.8 Méthodes non linéaires - 190
C.8.1 Anamorphoses - 192
C.8.2 Modèle gaussien anamorphosé - 193
C.8.3 Krigeage disjonctif - 193
C.8.4 Espérance conditionnelle - 193
C.8.5 Modèle gaussien discret - 194
D Données du pôle de compétences - 197
D.1 Analyses de gaz - 198
D.2 Données géophysiques - 199
D.3 Sondages ISA - 200
D.4 Synthèse - 201

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