Faculté des sciences

Virus transport and attenuation in Perialpine Gravel Aquifers

Flynn, Raymond Matthew ; Zwahlen, François (Dir.) ; Hunkeler, Daniel (Codir.)

Thèse de doctorat : Université de Neuchâtel : 2003 ; 1720.

La pollution de l'eau souterraine par les contaminants microbiologiques (bactéries, virus, protozoaires) est un problème largement répandu en Europe de l'ouest et aux Etats-Unis. Les aquifères graveleux, qui constituent une importante ressource en eau potable pour de vastes régions d'Europe, sont susceptibles d'être très vulnérables à ce type de contaminants. Les études sur la migration... Plus

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    Résumé
    La pollution de l'eau souterraine par les contaminants microbiologiques (bactéries, virus, protozoaires) est un problème largement répandu en Europe de l'ouest et aux Etats-Unis. Les aquifères graveleux, qui constituent une importante ressource en eau potable pour de vastes régions d'Europe, sont susceptibles d'être très vulnérables à ce type de contaminants. Les études sur la migration des contaminants microbiologiques se sont essentiellement concentrées sur les virus car ils sont de plus petite taille et de fait a priori plus mobiles. Cependant, le comportement des virus en milieu poreux reste un domaine mal compris, particulièrement dans les aquifères. Cette thèse se concentre sur l'étude du transport et de l'atténuation des virus essentiellement dans les aquifères graveleux périalpins en allant de l'échelle centimétrique (expériences en laboratoire) à l'échelle décamétrique (expériences de terrain). Des tests en colonnes ont permis d'investiguer le rôle des différentes surfaces de grain sur l'atténuation des virus. Les résultats ont montré que les sables fluvio-glaciaires de Kappelen (canton de Berne, Suisse) ont une capacité d'atténuation significative. Des analyses en microscopie électronique et rayons-X ont montré que les sables ont une fine pellicule de recouvrement ayant la même minéralogie que les grains. La suppression de cette pellicule réduit fortement la capacité d'atténuation, illustrant le rôle de ces micro-textures pelliculaires dans l'atténuation des virus. La désorption de virus adsorbés pendant trois heures a montré que ceux-ci restent virulents, l'inactivation est donc un phénomène non significatif sur la durée des expériences. A contrario, des expériences de désorption menées après 36 heures ont montré que les virus adsorbés se désactivaient plus vite que les virus en suspension. Les expériences de terrain ont résulté en des taux d'inactivation comparables à ceux obtenus au laboratoire ; la variabilité des conditions redox à Kappelen n'a montré aucune influence sur l'inactivation des virus adsorbés. Malgré ces similitudes, les courbes de restitution (CR) obtenues au laboratoire et sur le terrain différent significativement. Il est proposé que ces différences sont au moins en partie dues à l'effet des structures sédimentaires. Des études en colonne utilisant des couches de matériel poreux progressivement plus grossier a permis d'investiguer le transport de virus dans une séquence sédimentaire (fining upward). La CR obtenue est très ressemblante à celle observée sur le terrain. Une simulation du transport des virus dans une telle séquence sédimentaire a démontré l'importance de la taille des grains et de l'efficacité des collisions. Des simulations additionnelles ont illustré les erreurs potentielles sur les vitesses de transit obtenues par la conductivité hydraulique et la taille des grains. Ces résultats ont souligné l'importance d'une investigation de terrain détaillée afin de détecter les zones d'écoulement préférentiel. Un fluorimètre de forage a été utilisé pour déterminer les zones d'arrivée du traceur dans un puits d'observation sur le site de Dornach (Bavière, Allemagne). Cette expérience permit de détailler le rôle primordial des zones d'écoulement préférentiel pour le transport de masse. Le fluorimètre a montré que le traceur pouvait arriver par des zones de 0.5 m d'épaisseur, même si le puits était crépiné sur 12 m de graviers. La simulation numérique des réponses du traceur suggère que l'eau souterraine pénètre également dans le puits à d'autres niveaux avec des débits comparables. Cependant, comme aucun traceur n'est observé, il faut que le vecteur d'écoulement varie avec la profondeur. D'autres expériences de traçage sur le site de Dornach avec deux puits d'observation appuient les conclusions tirées des tests réalisés avec le fluorimètre. Les taux de restitution pour les traceurs viraux et bactériens sont élevés ; de fait les horizons parcourus par les traceurs ont une faible capacité à atténuer les microbes. Les CR ont montré que les bactéries et les virus sont transportés plus rapidement que les solutés à cause de l'effet d'exclusion par la taille. Conformément à la théorie de filtration, les traceurs bactériens sont moins atténués que les virus bien qu'étant 50 à 100 fois plus larges. Les résultats de cette étude soulignent l'importance des zones d'écoulement préférentiel pour le transport de contaminants microbiologiques dans les aquifères graveleux périalpins. L'existence de ces zones peut expliquer la non linéarité de l'atténuation des bactéries et des virus qui est souvent observée. Les contaminants microbiologiques pénétrant dans des sédiments fins sont plus rapidement atténués que ceux arrivant dans des niveaux grossiers étant donné des vitesses d'écoulement plus faibles et un plus grand nombre de collisions avec la surface des grains. Au contraire, les contaminants transportés dans des horizons plus grossiers se déplacent plus vite et subissent de moins nombreuses collisions. Ce mécanisme peut expliquer le taux élevé d'atténuation des virus dans les piézomètres proches du puits d'injection, puis un taux qui diminue significativement avec la distance de transport. L'hétérogénéité de la composition des sédiments peut jouer un effet positif ou négatif sur l'atténuation selon la nature des minéraux à l'interface solide - liquide
    Summary
    Pollution of groundwater by microbiological contaminants (bacteria, viruses and protozoa) is a widespread problem in the United States and Europe. Gravel aquifers, which form an important drinking water resource in many parts of Central Europe, may be highly vulnerable to this type of contamination. Due to the smaller size and perceived greater mobility, studies of microbiological contaminant migration have focused on viruses. However, virus behaviour in porous media remains poorly understood, particularly in aquifers. This thesis investigates virus transport and attenuation with particular emphasis on perialpine gravel aquifers, at the centimetre (lab-based) to Decametre (field-based) scale. Column tests investigating the role of different grain surfaces on virus attenuation showed that natural fluvioglacial sands from the Kappelen, BE had a significant attenuation capacity. SEM imagery and associated XRF analysis revealed that the sands had fine-grained coatings of minerals with a composition similar to the bulk mineralogy of the sands. Removal of this coating reduced attenuation capacity demonstrating the potential importance of microtextural phenomena in attenuating viruses. Desorption of adsorbed viruses after three hour experiments showed that all adsorbed viruses remained virulent, demonstrating that inactivation was not an important process over the duration of the experiments. In contrast, desorption experiments carried out after 36 hours demonstrated that adsorbed viruses were inactivated faster than those in suspension. Field-based studies had similar rates to those in the lab, but indicated that the variable redox conditions observed at Kappelen did not influence inactivation of adsorbed viruses. Despite these similarities, breakthrough curves (BTCs) observed in the field and the lab differed significantly from one another. This is believed, in part to be due to the effect of features such as sedimentary structures. Column studies using concentric layers of progressively coarser porous media investigated the effect of virus transport through a fining-upward sequence. The resulting BTCs bore a strong resemblance to those generated in the field. Simulations of transport though a fining-upward sequence demonstrated the sensitivity of viruses to both grain size and collision efficiency. Additional simulations demonstrated the potential errors in travel time encountered using average hydraulic conductivities and grain sizes. These results highlighted the importance of good site investigation data in permitting preferential flow zone detection. A mobile downhole fluorometer used to detect zones of tracer arrival in an observation well at the Dornach Field Site further illustrated the importance of preferential flow zones in mass transport. The meter showed that tracers reached the well via zone that may be no thicker than 0.5m, even though the well was screened against 12 metres of gravel. Numerical modelling of tracer responses suggested that groundwater entered the well at other levels at comparable flow rates but no tracer was observed, indicating that the groundwater flow vector varied with depth. Further tracer testing at Dornach using two observation wells corroborated the conclusions of the downhole fluorometer tests. High recoveries of both viral and bacterial tracers demonstrated the horizons supplying tracer to the observation wells had a low capacity to attenuate the microbiological tracers used. BTCs showed that both bacteria and viruses were transported faster than solutes due to size exclusion effects. In accordance with filtration theory, bacterial tracers were less attenuated than viral tracers despite being 50 to 100 times larger. The results of this study highlight the importance of preferential flow zones in transporting microbiological contaminants through perialpine gravel aquifers. The presence of such zones may explain the non-linear manner in which bacteria and viruses are often attenuated. Microbiological contaminants entering fine-grained deposits can be more rapidly attenuated than those in coarse-grained units due to lower groundwater velocities and a greater number of collisions with grain surfaces. In contrast contaminants in coarse-grained horizons can flow more rapidly and collide less frequently with grain surfaces. This mechanism can explain initial high rates of viral attenuation observed close to injection points, which may decline rapidly with distance. Compositional heterogeneity may result in positive or negative feedback effects depending on the nature of the minerals at the solid-water interface