Modélisation hydrologique de l'infiltration des eaux pluviales dans les sols urbains en prenant en compte les chemins préférentiels PDF Download
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L'infiltration joue un rôle crucial dans le cycle urbain de l'eau en servant comme limite entre le ruissellement et l'absorption. Cette étude vise à relever le défi de modéliser de manière pratique et fiable l'infiltration pour les Systèmes de Gestion Durable des Eaux Pluviales (SUDS), en mettant l'accent sur une approche facilement ajustable basée sur des principes physiques, cherchant à équilibrer entre complexité et parcimonie. Cela implique la nécessité de réduire au maximum le nombre de paramètres, l'utilisation de paramètres physiques collectés sur le terrain et l'examen de l'impact des macropores sur les taux d'infiltration à travers les SUDS. Diverses méthodes ont été introduites et évaluées pour répondre à ces questions. Dans un premier temps, cette thèse propose le développement d'un nouveau module appelé INFILTRON-Mod, un modèle d'infiltration basé sur des principes physiques et pouvant être calibré facilement, démontrant ainsi son potentiel d'intégration dans des modèles hydrologiques. Un ensemble important de données expérimentales ainsi que des résultats synthétique (Hydrus) sont utilisés pour la validation. Ensuite, la thèse étend le modèle proposé en incorporant un concept de perméabilité duale pour prendre en compte les écoulements préférentiels dans les SUDS. Finalement, cette étude conduit à une analyse de l'incertitude et de la sensibilité des modèles proposés. Pour conclure, cette thèse a produit des informations cruciales pour l'optimisation de la modélisation des outils de gestion des eaux urbaines en couplant un volet « science du sol » et un volet « modélisation hydrologique des SUDS ». Il est recommandé de poursuivre les recherches pour améliorer et élargir la portée des modèles proposés, contribuant ainsi à une représentation plus précise des phénomènes hydrologiques dans leur complexité au sein des SUDS.
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L'infiltration joue un rôle crucial dans le cycle urbain de l'eau en servant comme limite entre le ruissellement et l'absorption. Cette étude vise à relever le défi de modéliser de manière pratique et fiable l'infiltration pour les Systèmes de Gestion Durable des Eaux Pluviales (SUDS), en mettant l'accent sur une approche facilement ajustable basée sur des principes physiques, cherchant à équilibrer entre complexité et parcimonie. Cela implique la nécessité de réduire au maximum le nombre de paramètres, l'utilisation de paramètres physiques collectés sur le terrain et l'examen de l'impact des macropores sur les taux d'infiltration à travers les SUDS. Diverses méthodes ont été introduites et évaluées pour répondre à ces questions. Dans un premier temps, cette thèse propose le développement d'un nouveau module appelé INFILTRON-Mod, un modèle d'infiltration basé sur des principes physiques et pouvant être calibré facilement, démontrant ainsi son potentiel d'intégration dans des modèles hydrologiques. Un ensemble important de données expérimentales ainsi que des résultats synthétique (Hydrus) sont utilisés pour la validation. Ensuite, la thèse étend le modèle proposé en incorporant un concept de perméabilité duale pour prendre en compte les écoulements préférentiels dans les SUDS. Finalement, cette étude conduit à une analyse de l'incertitude et de la sensibilité des modèles proposés. Pour conclure, cette thèse a produit des informations cruciales pour l'optimisation de la modélisation des outils de gestion des eaux urbaines en couplant un volet « science du sol » et un volet « modélisation hydrologique des SUDS ». Il est recommandé de poursuivre les recherches pour améliorer et élargir la portée des modèles proposés, contribuant ainsi à une représentation plus précise des phénomènes hydrologiques dans leur complexité au sein des SUDS.
Author: Nicolas Neveu Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 0
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Avec le développement de l'urbanisation, les eaux pluviales ont de plus en plus de difficultés à s'infiltrer dans les sols. L'infiltration des eaux pluviales (EP) s'inscrit dans le cycle naturel de l'eau. Cette recherche s'attache à décrire les différentes techniques infiltration des eaux pluviales dans le sol et à déterminer les interactions et limites de celles-ci pour la gestion de l'eau. Plus précisément, l'étude du cycle court des eaux pluviales dans les interactions de sub-surface (infiltration/ruissellement). Face à ce constat, l'étude recherche l'optimisation de la gestion des eaux pluviales en milieu urbain pour intégrer ce paramètre dans les projets d'urbanisme. Une meilleure connaissance des mécanismes de rétention, de transfert et d'infiltration en milieu urbain permettra d'évaluer les effets des constructions existantes et d'orienter les décisions futures d'aménagement vers la non détérioration du patrimoine anthropique et naturel. L'étude tente de cerner les différents cheminements de l'eau selon l'intensité et la durée de la pluie : stagnation des eaux, axes de drainage par infiltration ou ruissellement. L'infiltration peut se décomposer en 3 phénomènes : évolution du gradient d'humidité du sol, l'écoulement horizontal de sub-surface (avec des axes de drainage) et la percolation verticale (en profondeur) vers la nappe. A Argenteuil, l'infiltration horizontale a été identifiée comme le principal mécanisme (axe de drainage). Les sitesexpérimentaux sont des sites représentatifs en ville avec des sols hétérogènes caractéristiques de zone urbaine. En fait, cette étude met en évidence les difficultés de l'évaluation de l'infiltration en milieu urbain. Ceci peut s'expliquer par la complexité des mécanismes en jeu. La seule corrélation observée concerne les interactions entre le niveau de la Seine et les nappes des surfaces environnantes (sur une frange de 200 mètres pour ces investigations). Une première approche a permis de définir les zones propices à l'infiltration en tenant compte des chemins préférentiels supposés et des contraintes de sol. Cette suggestion nécessite d'être vérifiée et corrélée par des analyses complémentaires. Ces données permettront d'appréhender et comprendre les mécanismes en jeu pour prévoir et adapter les dispositions constructives si nécessaire. Mots clés : eaux pluviales, infiltration, piézomètres, sol, nappe, ruissellement, hydrogéologie, urbanisation.
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Ce travail de thèse consiste à développer un modèle hydrologique spécifique aux bassins versants urbains capable de représenter de manière distribuée les processus physiques importants en milieu urbain et pourtant souvent négligés dans les modèles classiques, tels que l'évapotranspiration, l'infiltration directe d'eau du sol dans les réseaux ou l'évolution temporelle du niveau de saturation dans le sol. Le modèle URBS (Urban Runoff Branching Structure) est basé sur les informations disponibles dans les Banques de Données Urbaines, à l'échelle de l'Elément Hydrologique basé sur la parcelle cadastrale. L'étude de sensibilité du modèle aux paramètres d'entrée montre l'influence d'un paramètre d'infiltration directe dans les réseaux et de la conductivité hydraulique à saturation du sol. Le modèle est appliqué à plusieurs bassins urbains afin de tester la pertinence des résultats. Les bassins versants de Rezé (4.6 ha) et des Gohards (178 ha) permettent d'évaluer les débits simulés à l'exutoire ainsi que les niveaux de saturation simulés par comparaison aux mesures correspondantes. Les possibilités d'application du modèle URBS sont nombreuses, notamment pour contribuer au développement d'un outil d'aide à l'aménagement des bassins urbains, par exemple en représentant l'influence des techniques alternatives en assainissement pluvial à l'échelle des bassins versants. Le modèle URBS permettant de prendre en considération la distribution spatiale des précipitations, des images radar à résolution spatiale très fine (250 m) sont exploitées pour illustrer l'influence de la variabilité spatiale des précipitations sur la réponse hydrologique de bassins versants urbains réels et fictifs. Une approche théorique permet de quantifier la variabilité des hydrogrammes en fonction d'une caractérisation statistique de la variabilité des précipitations.
Author: Erij Ben Slimene Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 200
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Les bassins d'infiltration font partie intégrante des techniques alternatives de gestion des eaux pluviales en milieu urbain. Néanmoins, la potentialité de transfert de polluants vers la nappe est accrue en cas d'écoulements préférentiels dans les sols sous-jacents. Une bonne compréhension du couplage entre processus d'écoulements préférentiels en zone vadose et mécanismes géochimiques est requise. Cette thèse s'inscrit dans le cadre du suivi d'un bassin d'infiltration depuis plusieurs dizaines d'années de fonctionnement. Le site d'étude est situé sur le dépôt fluvioglaciaire hétérogène couvrant une grande partie de la région lyonnaise. Des auscultations sur une fosse sous le bassin (section 13.5m*2.5m) ont mis en évidence une régionalisation particulière de la pollution dans le sol. Cette étude s'appuie sur une étude numérique visant à identifier l'origine de la régionalisation des polluants et à la relier aux écoulements préférentiels résultant des hétérogénéités lithologiques. En amont de l'étude numérique, les lithofaciès sont complètement caractérisés aux regards de leurs propriétés hydrodynamiques, hydrodispersives et géochimiques. La modélisation numérique permet de souligner l'établissement de cheminements préférentiels en lien avec le contraste de propriétés hydrodynamiques, notamment lorsque de faibles débits sont appliqués en surface. Le rôle de chaque lithofaciès et de l'architecture du dépôt (stratification et inclusions) est clairement identifié. Les répercussions de tels écoulements sur les transferts non réactifs sont ensuite investiguées en combinant l'influence des écoulements préférentiels et le fractionnement de l'eau en fractions mobile et immobile résultant de l'hétérogénéité intrinsèque au sein de chaque lithofaciès. Enfin, ces processus physiques sont couplés à la réactivité géochimique pour le cas d'un polluant modèle (le cuivre) en prenant en compte la réactivité différentielle des lithofaciès. Ces résultats permettent de générer un modèle conceptuel d'écoulements préférentiels et de transfert de masse en milieu fortement hétérogène.
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L’infiltration directe des eaux pluviales urbaines dans les formations superficielles des pays en développement constitue un risque de contamination à la fois pour ces formations et/ou pour les eaux souterraines sous-jacentes. Cette thèse s’est focalisée sur cette problématique environnementale dans laquelle nous avons étudié le transfert réactif de trois métaux lourds (Pb, Cu et Cd) dans une formation géologique représentative : alluvions fluviatiles de la plaine du Cul-de-sac à Port-au-Prince (Haïti). Un « sol modèle » provenant du site d’étude, fraction granulométrique ≤ 2 mm considérée comme la plus réactive, a été utilisé et soumis à des solutions chargées en ions métalliques suivant deux conditions expérimentales distinctes : essais en conditions statiques (batch) et en conditions dynamiques (colonne). Les résultats obtenus à partir de ces dispositifs expérimentaux ont mis en évidence les mécanismes de rétention ou de relargage des ions métalliques dans les formations géologiques de Port-au-Prince. Les résultats en batch ont montré que la compétition entre deux ou plusieurs cations pour les mêmes sites actifs du sol peut inhiber leur sorption individuellement. Les résultats en colonne ont prouvé le caractère réactif du sol vis-à-vis des trois métaux, dont environ 99, 94 et 92 % respectivement de cadmium, de plomb et de cuivre ont été retenus dans la matrice solide. L’étude des interactions entre les métaux et l’échantillon de sol à l’aide du code PHREEQC ont montré qu’une partie des métaux a été précipitée sous la forme de carbonates (cérusite et otavite) et d’hydroxydes, et que le comportement physico-chimique des trois métaux dans le sol a été également influencé par l’échange ionique. Toutefois, les métaux retenus sont susceptibles d’être relargués et remobilisés sous l’effet d’un changement brusque des conditions acido-basiques du milieu poreux, représentant ainsi un risque de pollution pour les eaux souterraines.
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PREDIRE LA VITESSE D'ECOULEMENT DES EAUX POLLUEES PROVENANT DES DECHETS STOCKES DANS LES DECHARGES EST NECESSAIRE POUR EVALUER LES RISQUES DE CONTAMINATION DE LA NAPPE PHREATIQUE. PAR AILLEURS, L'ETUDE DES RISQUES D'INONDATION APRES UNE PERIODE PLUVIALE NECESSITE LA QUANTIFICATION DES FLUX D'EAU INFILTRES DANS LES SOLS NATURELS. CECI EXIGE LA CONNAISSANCE DES PROPRIETES HYDRODYNAMIQUES DU SOL A L'ETAT PARTIELLEMENT SATURE. CE TRAVAIL S'INTERESSE A L'INFILTRATION DANS LES SOLS FINS NON SATURES, INTACTS ET COMPACTES, AU LABORATOIRE ET IN SITU. UN DISPOSITIF DE MESURE EN REGIME TRANSITOIRE DE LA CONDUCTIVITE HYDRAULIQUE EST MIS AU POINT ET DEVELOPPE AU LABORATOIRE. IL PERMET D'UTILISER LA METHODE DES PROFILS INSTANTANES PAR DES MINI-TENSIOMETRES. LES RESULTATS ONT MONTRE QUE SUR LES ECHANTILLONS COMPACTES, L'AUGMENTATION DE LA TENEUR EN EAU INITIALE DU SOL N'INFLUENCE PAS DE FACON SIGNIFICATIVE LA RELATION ENTRE SA CONDUCTIVITE HYDRAULIQUE ET SA SUCCION. TOUTEFOIS, ELLE REDUIT LA VITESSE D'INFILTRATION AINSI QUE L'AVANCEMENT DU FRONT D'HUMIDIFICATION. PAR AILLEURS, L'AUGMENTATION DE LA DENSITE DU SOL REDUIT SA CONDUCTIVITE HYDRAULIQUE POUR DES FAIBLES VALEURS DE SUCCION. LES CHEMINS D'ECOULEMENT PREFERENTIELS, CREES DANS LES EPROUVETTES COMPACTEES DYNAMIQUEMENT, ONT ETE ANALYSES A L'AIDE D'UN TRACEUR. UN SYSTEME DE TRAITEMENT D'IMAGES A PERMIS DE QUANTIFIER LES PARAMETRES INFLUENCANT CE TYPE D'ECOULEMENT. LE PERMEAMETRE DE GUELPH A ETE UTILISE DANS DES CAMPAGNES D'ETUDE IN SITU ET AU LABORATOIRE. IL A ETE MODIFIE ET ADAPTE AUX SOLS FINS TRES PEU PERMEABLES. LES VALEURS DE COEFFICIENT DE CONDUCTIVITE HYDRAULIQUE SONT PLUS PETITES AU LABORATOIRE QUE IN SITU. EN PARALLELE, LES RESULTATS OBTENUS EXPERIMENTALEMENT ONT ETE COMPARES A CEUX PREDITS PAR DIFFERENTS MODELES ANALYTIQUES ; LA COURBE DE RETENTION EST TRES BIEN AJUSTEE PAR LE MODELE DE FREDLUND ET XING, PAR CONTRE LA CONDUCTIVITE OBTENUE PAR CE MODELE SOUS-ESTIME LES VALEURS EXPERIMENTALES
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LA RECHERCHE PRESENTEE S'ATTACHE A ANALYSER LA FAISABILITE D'UN OUTIL DE SIMULATION PERMETTANT D'EVALUER LES IMPACTS SUR LES EAUX SOUTERRAINES DE L'INFILTRATION DES EAUX PLUVIALES EN MILIEU URBANISE. LE CONTEXTE CONSIDERE EST CELUI DE L'AIDE A LA GESTION A MOYEN ET A LONG TERME DE LA RESSOURCE EN EAU, A L'ECHELLE DE L'AQUIFERE. LA RECHERCHE SE DECLINE SELON DEUX AXES. LE PREMIER CONSISTE EN UNE ANALYSE BIBLIOGRAPHIQUE ET EN UNE CRITIQUE DES CONNAISSANCES ACTUELLEMENT DISPONIBLES POUR L'ELABORATION DE L'OUTIL DE SIMULATION. CETTE APPROCHE PERMET D'IDENTIFIER LES DIFFERENTES PROBLEMATIQUES QUI LUI SONT ASSOCIEES ET DE PRECONISER DES PRINCIPES DE MODELISATION. LA SECONDE ETAPE DE LA RECHERCHE S'ATTACHE A PROPOSER UN TEL OUTIL POUR L'AQUIFERE DE L'EST LYONNAIS. LA CHAINE DE SIMULATION ENVISAGEE PRIVILEGIE UNE REPRESENTATION SIMPLIFIEE DES PHENOMENES. ELLE EST COMPOSEE DE TROIS GROUPES DE MODELES CORRESPONDANT AUX PRINCIPALES ETAPES DE L'INFILTRATION DES EAUX PLUVIALES VERS LES EAUX SOUTERRAINES : - APPORTS PLUVIEUX A LA SURFACE DES SOLS, - REPARTITION SPATIALE DE L'INFILTRATION DE L'EAU ET DES POLLUANTS A LA SURFACE DES SOLS ET DANS LES DISPOSITIFS D'INFILTRATION DES EAUX PLUVIALES (BASSINS, PUITS), - TRANSFERT DE L'EAU ET DES POLLUANTS DANS LES OUVRAGES D'INFILTRATION ET DANS LES ZONES NON SATUREE ET SATUREE DE L'AQUIFERE. L'OUTIL DE SIMULATION PROPOSE EST MIS EN OEUVRE SUR L'UN DES COULOIRS HYDROGEOLOGIQUES DE L'AQUIFERE DE L'EST LYONNAIS (COULOIR DE DECINES). CETTE APPLICATION CONCRETE PERMET DE TESTER CERTAINS ELEMENTS DE MODELISATION, D'IDENTIFIER LES INFORMATIONS A ACQUERIR OU A PRECISER SUR LE COULOIR DE DECINES ET D'ILLUSTRER LES POTENTIALITES DE L'OUTIL DE SIMULATION DANS UN CONTEXTE D'AIDE A LA GESTION DE LA RESSOURCE EN EAU.
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La recherche présentée s'attache à analyser la faisabilité d'un outil de simulation permettant d' évaluer les impacts sur les eaux souterraines de l'infiltration des eaux pluviales en milieu urbanisé. Le contexte considéré est celui de l'aide à la gestion à moyen et à long terme de la ressource en eau, à l'échelle de l'aquifère. La recherche se décline selon deux axes. Le premier consiste en une analyse bibliographique et en une critique des connaissances actuellement disponibles pour l'élaboration de l'outil de simulation. Cette approche permet d 'identifier les différentes problématiques qui lui sont associées et de préconiser des principes de modélisation. La seconde étape de la recherche s'attache à proposer un tel outil pour l'aquifère de l'Est Lyonnais. La chaîne de simulation envisagée privilégie une représentation simplifiée des phénomènes. Elle est composée de trois groupes de modèles correspondant aux principales étapes de l'infiltration des –L eaux pluviales vers les eaux souterraines : - apports pluvieux à la surface des sols, - répartition spatiale de l'infiltration de l'eau et des polluants à la surface des sols et dans les dispositifs d'infiltration des eaux pluviales (bassins, puits), -transfert de l'eau et des polluants dans les ouvrages d'infiltration et dans les zones non saturée et saturée de l'aquifère. L'outil de simulation proposé est mis en œuvre sur l'un des couloirs hydrogéologiques de l'aquifère de l'Est Lyonnais (couloir de Décines). Cette application concrète permet de tester certains éléments de modélisation, d'identifier les informations à acquérir ou à préciser sur le couloir de Décines et d'illustrer les potentialités de l'outil de simulation dans un contexte d'aide à la gestion de la ressource en eau.
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L'essor que connaît aujourd'hui la gestion intégrée des eaux pluviales s'accompagne d'un recours croissant à des techniques favorisant l'infiltration de l'eau “à la source”, disséminées sur des bassins versants urbains. Néanmoins, de telles pratiques suscitent des interrogations sur la capacité du sol à jouer le rôle de “filtre” vis-à-vis des polluants présents dans le ruissellement. Ces travaux de thèse s'intéressent à la contamination du sol par les métaux et les hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP) dans ces dispositifs, avec trois objectifs : (i) évaluer les niveaux et l'étendue spatiale de la contamination, (ii) mieux comprendre les mécanismes qui gouvernent le devenir de ces contaminants dans le sol des ouvrages, et (iii) proposer des recommandations sur la conception et la maintenance de ces installations, afin de leur assurer un fonctionnement épuratoire durable.La première partie du travail consiste en une série d'investigations expérimentales sur dix sites d'étude aux caractéristiques contrastées, en service depuis plus de dix ans. Cette phase donne lieu à des cartographies de la contamination superficielle en éléments traces métalliques, puis à des profils verticaux de métaux et HAP, accompagnés de différentes variables explicatives. La distribution spatiale des métaux en surface, qui est toujours structurée autour de la zone d'arrivée de l'eau, porte la signature du fonctionnement hydraulique réel des dispositifs, et révèle le caractère non-uniforme de l'infiltration lors des événements pluvieux courants, qui représentent la plus grande partie du flux polluant à l'échelle annuelle. Dans la zone la plus contaminée des ouvrages, métaux et HAP présentent un enrichissement significatif sur 10 à 40 centimètres de profondeur. La rétention des contaminants résulte de la combinaison de processus physico-chimiques (adsorption) et mécaniques (sédimentation et filtration) ; leur importance relative peut être quantifiée grâce au déficit de zirconium dans le sédiment urbain par rapport au bruit de fond géochimique local. La variabilité inter-sites des niveaux de contamination s'explique à la fois par les capacités de rétention du sol et par les flux de polluants issus du bassin versant d'apport. Bien que les teneurs de surface excèdent, sur certains sites, les seuils internationaux de remédiation du sol pour des espaces “multifonctionnels”, la zone concernée représente -- latéralement et verticalement -- une région assez limitée dans les ouvrages.La seconde partie de la thèse consiste en une approche de modélisation, dont la finalité est de décrire l'évolution à long terme de la contamination du sol, et d'évaluer l'incidence de différentes pratiques de conception ou de gestion. Une analyse de sensibilité est d'abord mise en œuvre afin d'identifier les “éléments-clés” dans la description du système, et d'orienter le choix du modèle. Les résultats montrent qu'une mauvaise estimation de la dispersivité ou de l'isotherme d'adsorption du sol est susceptible de biaiser significativement la prévision des profils de contamination. Dans la suite du travail, on propose une méthode visant à décrire l'infiltration non-uniforme et la filtration des polluants particulaires. Le modèle ainsi construit est validé via une comparaison entre mesures et simulations sur l'un des sites d'étude faisant l'objet d'une nouvelle caractérisation approfondie. Enfin, une analyse de scénarios illustre les bénéfices d'un amendement de l'horizon superficiel par un matériau adsorbant, ainsi que d'une répartition homogène des flux d'eau en surface, en matière de durée de vie des installations et de fréquence d'intervention.
Author: Asra Asry
Author: Asra Asry
Author: Nicolas Neveu
Author: Floriane Morena
Author: Erij Ben Slimene
Author: Urbain Fifi
Author: Nadia Amraoui
Author: Nadège Bernard-Valette
Author: Nadège Bernard-Valette
Author: Damien Tedoldi
Author: Gilles Rivard