Développement d'un système de caractérisation des agrégats et des flocs en suspension

Development of a suspended aggregates and flocs carracterisation system

• Auteur / Autrice : Valentin Wendling
• Direction : Nicolas Gratiot, Cédric Legout
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Océan, atmosphère, hydrologie
• Date : Soutenance le 06/02/2015
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la terre, de l’environnement et des planètes (Grenoble, Isère, France ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Laboratoire d'étude des transferts en hydrologie et environnement (Grenoble, Isère, France ; 1992-2016)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'étude des transferts en hydrologie et environnement
• Jury : Président / Présidente : Jean Braun
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Eric Barthélemy, Jerôme Le Coz, Ian G. Droppo
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Olivier Ribolzi, Erik A. Toorman

Mots clés

Mots clés libres

Sédiments cohésifs

Vitesse de chute

Développement instrumental

Floculation

Transport en suspension

Mesure optique

Cohesive sediment

Sellting velocity

Instrumental development

Flocculation

Suspended sediment transport

Optical measurement

Résumé

L'évolution des caractéristiques des particules en suspension au cours de leur transfert au sein des bassins versants est encore mal connue. Ceci limite actuellement notre aptitude à prédire correctement l'érosion ou les flux de matières en suspension (MES) et rend difficile la proposition de pratiques de gestion adaptées aux réglementations en vigueur. A partir d'expériences en milieu contrôlé, nous avons montré que les particules de sols ont tendance à se désagréger en milieu turbulent. Il semble de plus qu'une augmentation de la concentration en suspension accélère cette désagrégation et conduise à des particules plus fines. Même si l'évolution des particules à l'échelle horaire semble rester de second ordre derrière les caractéristiques des sols sources, il est indispensable de pouvoir vérifier si les particules en suspension se comportent de la même manière en conditions naturelles où des interactions complexes entre processus peuvent avoir lieu. Cependant l'absence de méthode de mesure permettant le suivi des propriétés de transport des sédiments en écoulements très concentrés (de 1 plusieurs centaines de grammes par litre) dans les bassins élémentaires limite notre capacité à hiérarchiser les processus à considérer pour modéliser le transfert sédimentaire ou améliorer la gestion opérationnelle des sédiments. Afin de répondre à ce besoin instrumental, nous avons développé un Système de Caractérisation des Agrégats et des Flocs (SCAF). Cet instrument est conçu pour être incorporé dans les stations de suivi hydro-sédimentaire. La mesure est réalisée immédiatement après prélèvement d'un échantillon de la suspension à caractériser par une série de capteurs optiques qui suivent l'évolution de l'absorbance optique durant la sédimentation de l'échantillon. Nous proposons une méthode de traitement des données optiques donnant accès à la distribution des vitesses de chute de la suspension ainsi qu'à un indice de floculation qui renseigne sur la capacité des MES à floculer durant leur sédimentation. Les distributions de vitesses de chute mesurées sont validées sur une large gamme de matériaux et de régimes de sédimentation, afin de couvrir la variabilité des types de matériaux et des concentrations observées en milieu naturel. Pour des sédiments non cohésifs ou floculant peu durant leur sédimentation les mesures du SCAF s'ajustent sur celles issues des autres méthodes. Pour les suspensions qui floculent durant leur sédimentation, la plupart des méthodes de mesure classiques conduisent à des vitesses de chute non représentatives de la suspension. Nous avons montré que les variations des propriétés optiques des matières en suspension lors de leur floculation impactent nos mesures. La méthode proposée permet cependant de quantifier l'augmentation des vitesses de chute avec la floculation, et d'encadrer l'incertitude des mesures. Pour les mesures à forte concentration (>10 g/l), un front d'entravement peut se former durant la sédimentation, le SCAF mesurant alors précisément les vitesses de chute du front. La mesure des distributions des vitesses de chute et de la cohésion des particules en suspension peut permettre d'identifier différentes populations de particules formant une suspension (grains de sables, flocs, matières fines...). Le suivi de telles informations au sein de bassins versants ouvre de nouvelles perspectives pour aborder la connectivité sédimentaire et s'orienter vers une gestion optimale des flux de MES.

Little is known about the processes that govern the evolution of suspended particle characteristics during their transport through a river basin. This is a main limitation for modelling erosion severity or suspended solids (SS) fluxes. It also leads to difficulties to propose management policies adapted to environmental legislation. Based on experiments in controlled environments, we have shown that soil particles tend to disaggregate in turbulent flows. The increase in SS concentration was associated to an increase of the disaggregation of SS particles, leading to smaller final particle sizes. Laboratory experiments also showed that the variability of the particle sizes due to their evolution over one hour was smaller than the variability due to the soil type from which the particles originated. However it is important to ensure that the suspended particles behave in the same way in natural conditions, where complex interactions between hydraulic, chemical and biological processes can influence their evolution. Up to now no measurement method allows measuring continuously the suspended sediment properties in highly concentrated fluids (from one to hundreds grams per liter), such as those observed in headwater catchments during runoff events. This severely limits the possibility to identify the processes that are important to consider in numerical models. The Aggregate and Floc Characterization System (SCAF) has been developed in order to measure SS properties for a wide range of SS concentrations. It was designed to be easily incorporated into sequential samplers. Immediately after the collection of a sample from the river, the sedimentation of the suspension is recorded by continuous measurements of the absorbance by a series of optical sensors. A method was proposed to processes the raw optical data in order to obtain the settling velocity distribution of the suspension. It also provides a flocculation index representing the tendency of the particles to flocculate during their sedimentation. The calculated settling velocity distributions were validated on a large range of materials and settling regimes in order to cover the natural variability of suspended sediments. For sediments that hardly flocculate during their sedimentation or are non-cohesive, the measurements of the SCAF were similar to those from other methods. In the case of suspensions that strongly flocculate during sedimentation, most of the classical methods give non-representative falling velocities. In this case, the optical property of the particles may vary during settling, affecting the optical measurement. The proposed method allowed quantifying the increase of settling velocity induced by flocculation, and provided confidence intervals for the settling velocities. For high SS concentrations ( > 10 g/l), a settling front can be formed during the sedimentation, which is well characterized by the SCAF. The measurement of the settling velocity distributions and of the flocculation index can be used to identify different particle populations (sand grains, flocs, individual particles) forming a suspension. Monitoring these properties in watersheds offers new insights to explore sediment connectivity within river basins and to optimize water management strategies.