Jeannée, Nicolas (2001) Caractérisation géostatistique de pollutions industrielles de sols: cas des hydrocarbures aromatiques polycycliques sur d'anciens sites de cokeries. PhD thesis Géostatistique, CG-Centre de Géostatistique, ENSMP p.193.

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Abstract

Estimating polycyclic aromatic hydrocarbons concentrations in soil at former industrial sites poses several

practical problems on account of the properties of the contaminants and the history of site :

– collection and preparation of samples from highly heterogeneous material,

– high short scale variability, particularly in presence of backfill,

– highly contrasted grades making the variogram inference complicated.

The sampling strategy generally adopted for contamined sites is based on the historical information. Systema-

tic sampling recommended for geostatistical estimation is often considered to be excessive and unnecessary.

Two former coking plants are used as test cases for comparing several geostatistical methods for esti-

mating (i) in situ concentrations and (ii) the probability that they are above a pollution threshold. Several

practical and methodological questions are considered :

– the properties of various estimators of the experimental variogram and the validity of the results ;

– the use of soft data, such as historical information, organoleptical observations and semi-quantitative

methods, with a view to improve the precision of the estimates ;

– the comparison of standard sampling strategies, taking into account vertical repartition of grades and

the history of the site.

Multiple analyses of the same sample give an approximation of the sampling error. Short scale sampling

shows the difficulty of selecting soils in the absence of a spatial structure. Sensitivity studies are carried out

to assess how densely sampled soft data can improve estimates.

By using mainly existing models, this work aims at giving practical recommendations for the characte-

rization of soil pollution.

Table of content

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 γR(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 γ*(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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