Approche multi-échelle pour évaluer la capacité du DSM-flux à protéger les milieux aquatiques : Quantification des flux d'eau rejetés par les déversoirs d’orage et interception des polluants particulaires

Multiscale approach to assess the DSM-flux capacity to mitigate impacts on the receiving waters : Quantification of overflow rates and interception of particulate pollutants from combined sewer overflows

• Auteur / Autrice : Ainhoa Mate Marin
• Direction : Gislain Lipeme Kouyi, Nicolas Rivière
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Genie civil
• Date : Soutenance le 12/02/2019
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique (Villeurbanne ; 2011-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Institut national des sciences appliquées (Lyon ; 1957-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : DEEP - Déchets Eaux Environnement Pollutions, EA 7429 (Lyon, INSA) - Déchets Eaux Environnement Pollutions / DEEP
• Jury : Président / Présidente : Sylvie Gillot
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Gislain Lipeme Kouyi, Nicolas Rivière, Sylvie Gillot, Gilles Belaud, Benjamin Dewals, Ronan Philippe
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Gilles Belaud, Benjamin Dewals

Mots clés

Mots clés contrôlés

Milieu aquatique

Matière particulaire

Mots clés libres

Eaux urbaines

Impact environnemental

Milieux aquatiques

Hydrodynamique

Ecoulements

Performance hydraulique

Polluants particulaires

Rban waters

Environemental impact

Aquatic environments

Hydrodynamic

Flows

Hydraulic performance

Particulate pollutants

Résumé

Au cours des dix dernières années, les gouvernements de l'Union Européenne ont été encouragés à collecter des données sur le volume et la qualité de tous les effluents d'eaux urbaines ayant un impact environnemental significatif sur les milieux aquatiques récepteurs. Les méthodes de surveillance de ces flux nécessitent des améliorations, en particulier pour les déversoirs d’orage, structures complexes responsables en grande partie de la dégradation de la qualité des milieux récepteurs. Le DSM-flux (Dispositif pour la surveillance et maîtrise des flux d'eaux et polluants des réseaux d'eaux pluviales et unitaires) est un nouveau dispositif préfabriqué et pré-étalonné qui garantit les conditions hydrauliques appropriées permettant de mesurer les débits et volumes déversés ainsi que les concentrations et masses de polluants qui y sont transportés. Dans cette thèse, une relation permettant de mesurer le débit au passage du DSM-flux a été construite grâce à une étude expérimentale sur modèle physique réduit, puis validée pour plusieurs configurations d'écoulement à l'amont du dispositif. Quelles que soient les conditions hydrauliques en amont, les incertitudes relatives sont inférieures à 15% et 2% pour les débits et les volumes étudiés, respectivement, ce qui reste équivalent, voire mieux, par rapport aux incertitudes des méthodes actuelles les plus fiables. La méthode de mesure a été validée in situ sur un dispositif à grande échelle construit sur le terrain et fonctionnant en conditions réelles, ce qui montre la robustesse de la méthode. De plus, grâce à sa conception originale, le DSM-flux favorise l'interception d'une fraction des polluants particulaires. L’hydrodynamique de ce dispositif de mesure a été analysée ainsi que les conditions qui engendrent la décantation des polluants particulaires. En fonction des conditions d'écoulement, ce dispositif peut retenir 50% de la masse totale des matières solides fines en suspension transitant par le dispositif, mais pour des écoulements à débits élevés, cette efficacité est significativement réduite. Sa capacité de rétention a été aussi observée sur le terrain et une méthodologie a été élaborée pour quantifier son efficacité de rétention lors d'études futures. Mise à part sa performance hydraulique, du point de vue opérationnel, le dispositif présente d’autres avantages par rapport à d’autres dispositifs existants : (i) il est pré-étalonné et peut être installé à l’aval de déversoirs d’orage déjà existants, (ii) il peut s’insérer directement au sein du canal de décharge (installation d’un regard de visite équipé d’un DSM), (iii) sa performance hydraulique est indépendante des conditions de l’écoulement à l’amont et (iv) il s’agit d’un dispositif intégré de mesure de débits et de leur qualité simultanément, en plus d’intercepter une partie de polluants particulaires.

Over the past decade, European Union governments have encouraged to collect data on the volume and quality of all urban water effluents with a significant environmental impact on receiving aquatic environments. Methods for monitoring these flows require improvements, particularly for combined sewer overflows, which are complex flows that contribute in significant proportion to the degradation of the quality of the receiving waters. The DSM-flux (Device for Stormwater and combined sewer flows Monitoring and the control of pollutant fluxes) is a new pre-calibrated and pre-designed device that guarantees the appropriate hydraulic conditions for measuring discharged flows and volumes as well as the concentrations and mass loads of pollutants carried in suspension by the flow. In this PhD work, a relationship allowing to measure the flow rates conveying through the DSM-flux was determined thanks to an experimental study on a small-scale physical model, and then validated for several flow configurations upstream of the device. Whatever the upstream hydraulic conditions are, the relative uncertainties are less than 15% and 2% for the flow rates and volumes studied, respectively, which is equivalent to the uncertainties of the most reliable current methods. The monitoring methodology was validated in situ in a large-scale device installed at the field and operating in real conditions, which shows the robustness of the method. Moreover, thanks to its original design, the DSM-flux allows the interception of a fraction of particulate pollutants. The hydrodynamics of this monitoring device were analysed as well as the conditions that cause the settling of particulate pollutants. Depending on the flow conditions, this device can retain 50% of the total mass of fine suspended solid matter transiting through the device, but for flows at high discharge rates, this efficiency is significantly reduced. Its retention capacity has also been observed in the field and a methodology has been developed to quantify its retention efficiency in future studies. Apart from its performance, from an operational point of view, the device has other advantages compared to other current devices: (i) it is pre-calibrated and can be installed downstream from existing combined sewer overflows, (ii) it can be directly installed through a manhole in the discharge channel, (iii) its hydraulic performance is independent from the flow conditions upstream, and (iv) it is an integrated monitoring device, measuring flow rates and their quality simultaneously, in addition to intercepting a part of the particulate pollutants.