MODELISATION DE DEVENIR DES HYDROCARBURES

MODELISATION DE DEVENIR DES HYDROCARBURES DEVERSEES DANS LA MER
SAAD Sawsen1, HAMZI Rachida1,
1Laboratoire de Recherche en Prévention Industrielle (LRPI)
Institut d’hygiène et sécurité, université de Batna, AlgériePhone (213) 697091698 E-Mail :
[email protected]E-Mail : [email protected]
Résumé
Faire modéliser les déversements des hydrocarbures en mer c’est chercher à décrire leur processus physico-
chimique modifié et influencé par les paramètres du milieu et les facteurs météo-océaniques,
Dans cet article, on essayera présenter une revue des différents modèles numériques appliqués pour étudier
le comportement et le devenir des hydrocarbures déversés dans le milieu marin. Cette revue résume quelques
travaux antérieurs qu’ils utilisent un suivi de modèles numériques et qu’ils sont encore en usage.
IntroductionLes hydrocarbures déversés en mer subissent diverses modifications physiques et chimiques,
certaines entrainent leur élimination de la surface de l’eau tandis que favorisent leur persistance. Le devenir
de ces hydrocarbures est déterminé par différents facteurs, dont la quantité déversée, les caractéristiques
physiques et chimiques de l’hydrocarbure, les conditions climatiques qui prévalent et l’état de la mer. Le fait
que les hydrocarbures restent en mer ou viennent s’échouer sur la cote influence également son devenir [1]
Comportement des hydrocarbures dans l’environnement marin
Un produit pétrolier répandu dans le milieu aquatique peut être caractérisé par un certain nombre de
paramètres physiques décrivant son comportement et son état de vieillissement à un instant donné de son
évolution. Ces paramètres physiques sont principalement :
Densité : les hydrocarbures ont presque toujours une densité inférieure à 1, ce qui leur permet de
flotter. Cependant, une fois déversés, des phénomènes de vieillissement (évaporation et surtout
émulsification) augmentent progressivement leur densité jusqu'à des valeurs proches de celles de l'eau
saumâtre ou douce, ce qui rend leur flottabilité plus incertaine.
Viscosité : lors d'un déversement en mer, du fait de phénomènes de vieillissement, la viscosité
augmente progressivement, éventuellement jusqu'à des valeurs très élevées, ce qui modifie le comportement
du polluant dans l'eau.
Point d'écoulement : il est défini par la température à partir de laquelle le produit commence à
s'écouler dans les conditions de test en laboratoire. Lorsque la température ambiante est sous ce point,
l'hydrocarbure se comporte comme un solide.
Courbes de distillation : l'essai de distillation sert à calculer la volatilité du carburant sur toute la
plage d'ébullition (ou de distillation) de l'hydrocarbure. L'hydrocarbure se compose de diverses substances
qui s'évaporent à différentes températures. Les composants plus volatils s'évaporent à des températures plus
basses, tandis que ceux qui le sont moins s'évaporent à des températures plus élevées. Le tracé de ces
températures d'évaporation est désigné sous le nom de courbe de distillation.
Teneur en Hydrocarbures Aromatiques Polycycliques : les HAP sont une famille de composés
chimiques constitués d'atomes de carbone et d'hydrogène dont la structure des molécules comprend au moins
deux cycles aromatiques condensés. Certains de ces composés présentent une très forte toxicité et sont
dangereux pour l'homme et son environnement. [3]

Fig.1illustre le comportement et le devenir d’un produit flattant (exemple d’un hydrocarbure dans un
environnement marin [4]
Le comportement des produits en mer est le résultat d’effets à court terme et d’effets à long terme. Les effets
à court terme, observables dans les quelques heures qui suivent le déversement et les effets à plus long
terme.[5]
Devenir à court terme
Etalement / déplacement
Au cours des phases initiales d’une pollution, l’étalement constitue l’un des processus les plus significatifs. Il
est caractérisé par le taux d’étalement qui est d’autant plus faible que la viscosité du produit déversé est
élevée (Fay, 1971 ; Mackay et al., 1980). Il est important de souligner que les fluctuations de ce taux sont
fonction des variations des conditions hydrographiques du moment, comme les courants, l’amplitude des
marées et la vitesse des vents et que l’étalement ne sera jamais uniforme. La nappe finit toujours par se
fractionner en bandes étroites qui s’orientent parallèlement à la direction du vent.
Emulsification indirecte ou émulsion inverse
Les produits chimiques déversés en mer et soumis à l’hydrodynamisme marin vont rapidement former des
émulsions de type eau dans huile ou émulsion inverse ; ce phénomène sera d’autant plus important que les
produits déversés ont une viscosité élevée.
Lors de ces processus d’émulsification, les caractéristiques physico-chimiques du produit déversé évoluent.
Le produit liquide d’origine est ainsi transformé en un matériau semi-solide assez lourd. Le taux
d’évaporation s’en trouve diminué et les techniques de lutte doivent être adaptées à ces transformations
Dispersion naturelle :
Sous ce terme sont regroupés deux processus physico-chimiques très différents mais complémentaires, à
savoir l’émulsification directe qui est caractéristique des produits hydrophobes et la dissolution qui est
d’autant plus importante que le produit est soluble.
Emulsion directe :
Les émulsions de produit dans l’eau, ou émulsion directe, sont sous la forme de gouttelettes de produit en
suspension dans la colonne d’eau. Les vagues et, de façon générale, la turbulence qui règne à la surface de la
mer vont produire une énergie mécanique de mélange suffisante pour faire passer le produit sous la surface
de l’eau. La taille des gouttelettes formées sera fonction de l’énergie mécanique mise en jeu. Les gouttelettes
de petite taille (diamètre inférieur à quelques dizaines de microns) auront tendance à rester en suspension
dans la colonne d’eau, et de ce fait, à migrer sous l’influence des courants marins, ce qui aura pour
conséquence d’entraîner une dispersion importante de la pollution et de rendre les gouttelettes plus
accessibles aux microorganismes responsables des processus de biodégradation. Enfin, les gouttelettes plus
volumineuses, de diamètre de l’ordre de quelques centaines de microns, auront tendance à remonter en
surface pour former une nouvelle nappe - selon des processus de coalescence - qui à terme, finira par
s’échouer sur le littoral.
Dissolution
Le taux et l’importance de la dissolution d’un polluant sont fonction de son hydrosolubilité, de son taux
d’étalement, de l’hydrodynamisme marin ainsi que de la salinité et la température de l’eau de mer. Pour les

produits chimiques à pression de vapeur élevée, il est important de souligner que les processus d’évaporation
l’emportent sur les processus de dissolution : ils agissent de 10 à 1000 fois plus rapidement.
Evaporation :
L’importance du processus d’évaporation est conditionnée par la volatilité du produit déversé.
Mais le taux d’évaporation est également augmenté en présence de mers fortes, de vitesses de vents élevées
et de températures plus chaudes.
Le processus d’évaporation va entraîner la formation d’un nuage gazeux qui pourra être, soit de densité
inférieure à celle de l’air, et donc, en cas de produit toxique, présenter un danger important pour les
intervenants, soit de densité inférieure à celle de l’air et ainsi se diluer plus rapidement dans l’atmosphère.
Devenir à plus long terme
Le devenir à plus long terme caractérise des processus qui débutent immédiatement après le déversement et
qui s’inscrivent dans la durée, à l’image de l’ensemble des processus de dégradation (autoxydation,
photoréaction, hydrolyse, polymérisation, biodégradation…) et des phénomènes de sédimentation avec ou
non adsorption sur la matière en suspension.
Dégradation :
Un produit chimique déversé à la surface de la mer va immédiatement.
Sédimentation :
L’interaction du produit chimique avec les particules en suspension dans la colonne d’eau (minérales et
organiques) va engendrer la formation d’un floc qui aura tendance à sédimenter.
A plusieurs reprises, les effets positifs de la floculation sur la dégradation du produit déversé ont été mis en
évidence. Des expérimentations de laboratoire ont montré que la plupart des substances chimiques à l’origine
d’émulsions directes forment, sous réserve qu’il y ait suffisamment d’agitation, des flocs constitués d’une ou
plusieurs gouttes deproduit entourées de grains de minéraux fixés sur leur surface. Cette agrégation, en
empêchant la coalescence des gouttes de produit déversé, favorise les processus de biodégradation en
augmentant la surface accessible aux sels nutritifs, à l’oxygène et aux bactéries. Ainsi, les phénomènes de
floculation favorisent la sédimentation des produits déversés et leur biodégradation.
Quelques modèles mathématiques
L'équation de Fay (1971): Il a supposé que la forme initiale et finale de la nappe est circulaire et a
introduit trois grandes phases, y compris d'inertie-gravité, la gravité visqueuse et viscosité- tension
de phases de surface comme suit [6]:
Où Ri est le rayon nappe dans chacune des phases et Ki est leur coefficients; Δ = 1-(ρo/ρw); ρoet ρwsont la
densité de l'huile et de l'eau; Voil est renversé volume d'huile; ν est la viscosité de l'huile et σ est la tension
interfaciale l'huile, l'eau.
Mackay et al. (1980) pour calculer le taux de dispersion, (D) est exprimé par :
Oùμ est la viscosité dynamique de l'huile et Stest la tension interfaciale de l'eau-huile. [6]
Equation de Mackay (1981), le taux d'évaporation est donné par [7] :
Où: Mi = quantité de composant i perdu par évaporation (en moles); Ke = Coefficient de transfert de masse
de l'évaporation (m / s); Ao = surface de la nappe de pétrole (m2); t = temps (s); R = constante des gaz (J / K
kmol); T = la température de l'air au-dessus de la nappe (K); XipiS= pression de vapeur partielle du
composant i; Xi = fraction molaire composant défini comme Xi = Mi /Σ Mi;
Et la vitesse de dissolution est calculée comme suit:

Dans lequel MDI = quantité du composant i perdue par dissolution (en moles) et il peut être calculé avec :
Mdi = KdAoSitXi
Kd= coefficient de transfert de masse dissolution;Si= solubilité
La vitesse de dissolution totale est calculée comme une masse dissolution * coefficient de transfert de zone
de marré noire* la solubilité dans l'huile dans l'eau (Cohen et al, 1980).
L'équation de Mackay et al. (1984): Leur équation proposée est basée sur la formulation gravité
visqueuse [6]:
Où Asest la zone de la marée noire; K1 est constante avec la valeur par défaut de 150 s-1 et t est le temps.
Équations de Navier-Stokes (Warluzel et Benque, 1981) : La dynamique de pétrole dans
l'environnement aquatique pourrait être exprimée par l'équation suivante [8]:
Où hsest l’épaisseur de la nappe; Dsest la fonction d’étalement
ρoest la densité de l’huile, f est le frottement de l'interface huile-eau, Qsest l’huile dispersée en raison de
processus d'altération. L’effet de la vitesse du vent sur l'huile composante de vitesse vidérive est supposé
0,03 (Tkalich et al., 2003)
Conclusion
Modélisation des déversements de pétrole a de nombreux facteurs affectant le transport et le devenir des
déversements d'hydrocarbures dans le milieu marin. Ce sont le volume initial et les caractéristiques physico-
chimiques du pétrole déversé, les caractéristiques de la région de déversement, la composition de l'eau et de
la circulation dans et autour de la marée noire, le champ de vent au-dessus de la zone de déversement ainsi
que plusieurs processus physico-chimiques et biologiques, tels que: le déversement propagation, la diffusion
turbulente, la dispersion hydrodynamique et naturel, l'évaporation, la dissolution, l'émulsification, auto-et
photo-oxydation, biodégradation, naufrage / sédimentation, et le resurfaçage. Tous ces processus et les
facteurs sont interdépendants et doivent être considérés ensemble pour arriver à une estimation précise du
comportement probable de l'huile.
Et il faut qu’on mentionne que tous les modèles modernes s’appuient sur les travaux anciens du Fay,
Mackay, Navier stokes … etc. mais en modifiant certains paramètres [14]
Références
[1] ITOPF, Guide d’information technique, TIP2, « devenir des déversements des hydrocarbures en mer »,
2012[2] Cédric GOEURY, « Modélisation du transport des nappes d'hydrocarbures en zones continentales
et estuariennes », thèse doctorale, Université de Paris Est, 2012.[3] ITOPF, Guide d’information technique,
TIP17, « Intervention en cas d’accident chimique en mer », 2012.
[4]Ceder, « Lutte contre les pollutions portuaires de faible ampleur », guide opérationnel, Edition
2007.[5]Emina MAMACA, « Etude du comportement à court terme de produits chimiques flottants après
leur déversement en mer et recherche d’un indicateur d’exposition biologique », thèse doctorale, Université
de Bretagne occidentale, 2006 [6]Kameleh AGHAJANLOO « The Simulation of the
OilWeatheringProcesses in Marine Environment”, Article, IPCBEE vol.19 (2011) © (2011) IACSIT Press,
Singapore, University of Tehran,Iran.[7] Popescu Delia M, “Oil spill modeling on rivers - an efficient
forecast tool”, article, Univ. of Bucharest,Romania[8] Aghajanloo, K.*, Pirooz, M. D. and Namin, M. M
“Numerical Simulation of Oil Spill Behavior in the Persian Gulf”, Article, University of Tehran, Iran