Modeling and optimization of biological mitigation processes in porous matrices contaminated by pesticides : Towards a new functionality of stormwater basins

par Gabriela Tapia Padilla

Thèse de doctorat en Sciences de la Terre et de l'Environnement. Hydrologie. Environnement

Sous la direction de Caroline Grégoire Himler et de Robert Mose.

Soutenue en 2010

à Strasbourg .

  • Titre traduit

    Modélisation et optimisation des processus de dépollution biologique des matrices poreuses contaminées par des pesticides : Vers une nouvelle fonctionnalité des bassins d’orageers une nouvelle fonctionnalité des bassins d’orage


  • Résumé

    Le travail de cette thèse aborde le développement d’un modèle de simulation numérique afin de mieux appréhender le devenir des pesticides au sein d’un massif poreux constituant une zone humide artificielle. Il représente une contribution dans le champs des méthodes numériques employées pour la simulation des écoulements d’eaux et du transport réactif des polluants dans les milieux poreux à saturation variable. L’originalité est l’application des éléments finis mixtes hybrides tant pour simuler l’hydrodynamique que pour le transport. Différents modèles cinétiques de biodégradation des pesticides sont également implémentés. La classification ascendante hiérarchique d'un groupe de 15 paramètres indicateurs de temps et d'erreur est proposée pour la sélection du modèle hydrodynamique le plus approprié selon les conditions initiales et aux limites à simuler. Après vérification du modèle développé, l’application a eu pour cadre l’un des sites expérimentaux du projet européen ARTWET (LIFE06 ENV/F/000133), le bassin d’orage du Waldweg à Rouffach, France. L'optimisation de la conception du bassin d’orage est effectuée par la construction d’une zone humide artificielle à écoulement horizontal. Des expériences de traçage numérique permettent de simuler plusieurs scénarios de fonctionnement hydraulique. Les effets induits par une hétérogénéité d’adsorption dans le milieu sont analysés. Une équation empirique et la définition des choix opérationnels permettent l’évaluation et l’optimisation de la capacité de stockage ainsi que de la distribution des temps de séjour. Une gestion hydraulique est finalement suggérée en relation avec les temps de rétention et de dégradation des pesticides.


  • Résumé

    This thesis work addresses the development of a numerical simulation model for a better understanding of the processes governing the fate of pesticides within a porous medium that constitutes an artificial wetland. It represents a contribution to the numerical methods dedicated to the simulation of water flow and reactive transport of pollutants in variably saturated media. The originality here is to simulate both flow and transport with the application of the mixed hybrid finite element method. Different pesticide biodegradation kinetic models have been also implemented. The agglomerative hierarchical clustering of a group of 15 time and error indicator parameters is proposed for the selection of the most suitable hydrodynamic option-model, depending on the initial and boundary conditions to simulate. After verification, the developed model was applied to one of the experimental sites of the European project ARTWET (LIFE06 ENV/F/000133), the Waldweg stormwater basin, located in Rouffach, France. The optimization of the stormwater basin design is carried out by the construction of a horizontal-flow constructed wetland (HFCW). Numerical tracer experiments permit to simulate several hydraulic operating scenarios of the HFCW. The effects induced by adsorption heterogeneity in the medium are analyzed. An empirical equation and the definition of alternative operational options permit the evaluation and optimization of the capacity of storage, as well as the residence time distribution. A hydraulic management of the HFCW is finally suggested in relation to the retention capacity and the time for pesticide degradation.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (XII-219 p.)
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : Notes bibliogr.

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  • Bibliothèque : Université de Strasbourg. Service commun de la documentation. Bibliothèque Blaise Pascal.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : Th.Strbg.Sc.2010;0885
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