Influence of hydrodynamics and correlation of metal contents with settling velocities on contamination distribution in a stormwater detention basin

par Xiaoxiao Zhu

Thèse de doctorat en Génie civil

Sous la direction de Gislain Lipeme Kouyi.

Soutenue le 26-06-2019

à Lyon , dans le cadre de Ecole Doctorale Mecanique, Energetique, Genie Civil, Acoustique (MEGA) (Villeurbanne) , en partenariat avec Institut national des sciences appliquées de Lyon (Lyon) (établissement opérateur d'inscription) , DEEP - Déchets Eaux Environnement Pollutions, EA 7429 (Lyon, INSA) (laboratoire) et de Déchets Eaux Environnement Pollutions / DEEP (laboratoire) .

Le président du jury était Benjamin Dewals.

Le jury était composé de Gislain Lipeme Kouyi, Benjamin Dewals, Véronique Ruban, Philippe Sechet, Jean-Luc Bertrand-Krajewski, Denise Blanc-Biscarat, François Clemens, Jérôme Le Coz.

Les rapporteurs étaient Véronique Ruban, Philippe Sechet.

  • Titre traduit

    Influence de l'hydrodynamique et de la corrélation entre les teneurs en métaux et les vitesses de chute sur la distribution de la contamination dans un bassin de rétention des eaux pluviales


  • Résumé

    Les bassins de retenue-décantation ont trois fonctions principales : stocker les eaux pluviales pour éviter les inondations, favoriser la décantation des polluants particulaires, éviter la remise en suspension et la remobilisation des polluants décantés vers l’aval. La conception et la gestion de telles installations nécessitent de connaître les caractéristiques hydrodynamiques, celles des sédiments et de pouvoir prédire les zones où les dépôts sont fortement contaminés. L’objectif principal de la thèse est d’identifier les zones où les teneurs en polluants sont élevées au niveau des sédiments des bassins de retenue-décantation. Le site d’étude est le bassin de rétention des eaux pluviales de Django Reinhardt (BDR), qui est un bassin sec à l’exutoire d’un bassin versant industriel. Ce bassin a fait l’objet de plusieurs études dans le cadre de de l'Observatoire de Terrain en Hydrologie Urbaine (OTHU).Dans un premier temps, les mesures de vitesses de surface par LSPIV (Large-Scale Particle Image Velocimetry) ont permis de mieux comprendre l’hydrodynamique au sein de l’ouvrage. Ces mesures ont été exploitées pour évaluer les modèles CFD (Computational Fluid Dynamics). C’est la première fois que cette technique de mesure est appliquée au cas des ouvrages de gestion des eaux pluviales. Les résultats montrent que les modèles CFD identifient la principale zone de recirculation qui favorise la décantation. Ces modèles évalués ont ensuite été employés pour simuler le transport de polluants particulaires, leur sédimentation et leur remise en suspension. L’exploitation des résultats de ces simulations a permis d’indiquer les points où les sédiments sont remis en suspension et transférés vers le bassin d’infiltration à l’aval et de prédire les zones d’accumulation en métaux. Les résultats obtenus montrent également que les teneurs en fer dans les sédiments sont fortement corrélées aux vitesses de chute. Le fer pourrait être un bon indicateur du niveau de contamination des sédiments en certains métaux lourds. Les résultats de cette thèse contribuent à améliorer les règles de conception des bassins de retenue-décantation des eaux pluviales et les stratégies de gestion des sédiments associés.


  • Résumé

    Stormwater detention basins have three main functions: storing rainwater to prevent flooding, promoting settling of particulate pollutants, avoiding resuspension and remobilization of settled pollutants to the downstream. The design and the management of such facilities requires the knowledge of hydrodynamic and sediment characteristics, as well as the ability to predict areas where deposits are highly contaminated.The main objective of this PhD work is to identify the areas where pollutant levels in sediments are high in detention and settling basin. The studied site is the stormwater detention basin (Django Reinhardt basin or DRB), which is an extended and dry basin at the outlet of an industrial watershed. This basin has been the subject of numerous investigations within the framework of the Field Observatory for Urban Water Management (or observatoire de terrain en hydrologie urbaine - OTHU in French).First of all, the measurements of surface velocities by Large-Scale Particle Image Velocimetry (LSPIV) permits to better understand the hydrodynamic behaviour in the basin. These measurements were used to evaluate CFD (Computational Fluid Dynamics) models. This is the first time this measurement technique has been applied in the case of stormwater management facilities. The results show that CFD models identify the main recirculation zone that promotes settling. These evaluated models were then used to simulate the transport of particulate pollutants, including sedimentation and resuspension. The exploitation of these simulations results enables to (i) identify the preferential areas where resuspended contaminated sediments may be conveyed to the downstream infiltration basin and (ii) predict the accumulation zones of some metals. Results also demonstrate that iron contents in sediments are strongly correlated to settling velocities and can be considered as a good indicator of the level of heavy metals contamination of sediments. The results obtained in this thesis contribute to improve the design of stormwater detention and settling basins and the management of contaminated sediments.


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