Développement d’approches infiltrométriques et modélisatrices pour la quantification des fonctions infiltration et filtration des sols urbains

Infiltrometry approaches of methods and models for quantifying urban soil infiltration and filtration functions

• Auteur / Autrice : Gersende Fernandes
• Direction : Laurent Lassabatère, Gislain Lipeme Kouyi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Environnement
• Date : Soutenance le 27/11/2023
• Etablissement(s) : Vaulx-en-Velin, École nationale des travaux publics de l’État
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de Chimie (Lyon ; 2004-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Écologie, des Hydrosystèmes Naturels et Anthropisés
• Jury : Président / Présidente : Céline Duwig
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Mathieu Gautier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Marie-Christine Gromaire, Mathieu Javaux

Mots clés

Mots clés contrôlés

Hydrodynamique

Pollution de l'eau -- Mesure

Eaux pluviales -- Infiltration

Mots clés libres

Infiltration

Nano-traceurs

Filtration

Infiltromètre

Sols urbains

Radar géologique

SPIONs

Bassin d’infiltration

Paramètres hydrodynamiques

Infiltration

Nano-tracers

Filtration

Infiltrometer

Urban soils

Ground Penetrating Radar (GPR)

SPIONs

Infiltration basin

Hydrodynamic parameters

Résumé

La gestion des eaux pluviales à l’aide des ouvrages d’infiltration à la source et centralisés se généralise. Ces systèmes sont soumis à de fortes charges de polluants, incluant des pollutions nanoparticulaires et colloïdales. Ces systèmes nécessitent ainsi un suivi hydrodynamique pour mieux connaître l’évolution de leurs capacités d’infiltration, adapter leur maintenance et prévenir le colmatage. Ils nécessitent aussi un suivi du transfert des polluants pour prévenir les risques de contamination de la nappe phréatique sous-jacente. En outre, les écoulements préférentiels, fréquents dans ces ouvrages et déterminants quant à l’infiltration des eaux pluviales et au risque de propagation des polluants vers la nappe phréatique, doivent absolument être considérés. Cependant, les outils de quantification de l’infiltration et de filtration des polluants sur le terrain, notamment les outils infiltrométriques, restent à améliorer. En effet, la représentativité de l’hétérogénéité du sol et la prise en compte de l’activation des macropores n’est pas toujours garantie avec les outils d’infiltration usuels, notamment du fait d’une taille trop petite et mal adaptée à la géométrie des réseaux de macropores. De plus, les méthodes actuelles ne permettent pas de suivre facilement les processus dans le temps de tels systèmes, de manière non-intrusive, avec finesse, et aux bonnes échelles (échelle du système). Dans le cadre de ce travail de thèse, un nouveau dispositif d’infiltration de grande taille, permettant de suivre à la fois l’infiltration de l’eau et le transfert de nanoparticules, a été étudié et déployé sur un large panel de sols urbains. Ce dispositif a permis obtenir divers paramètres hydrodynamiques comme la conductivité hydraulique à saturation, et des indicateurs de leur capacité d’infiltration. L’efficacité de ce dispositif pour la représentativité à grande échelle des paramètres hydrodynamiques, en comparaison des dispositifs usuels de plus petite taille, a été clairement démontrée. A ces essais infiltrométriques sont ajoutés les injections de nano-traceurs, détectables par radar géologique, pour simuler la mobilité des polluants colloïdaux lors de l’infiltration des eaux pluviales. Le traitement des données radars avec les nano-traceurs a été étudié en incluant plusieurs méthodes au regard de l’objectif de séparer l’effet de l’eau seule de celui de l’eau chargée en nano-traceurs. L’objectif final est non seulement de déterminer les paramètres hydrodynamiques des sols urbains et des indicateurs de la fonction infiltration, mais aussi d’évaluer la fonction filtration (taux de rétention des nano-traceurs dans le sol) de ces ouvrages.

Stormwater management with sustainable urban drainage systems is becoming widespread. These systems are subjected to high load charges, including nanoparticles and colloids pollutions. Thus, these systems require an hydrodynamic monitoring to better understand their infiltration capacities evolution, to adapt their management, and to prevent clogging. They also require to monitor the transfer of pollutants, to prevent the risk of contamination of the underlying groundwater. In addition, preferential flows are frequent in these structures and must be considered. They are crucial for the infiltration of stormwater and increase the risk of spreading pollutants to the water table. However, tools for quantifying infiltration and filtration of pollutants in the field, including infiltrometry tools, remain to be improved. Indeed, the representativeness of soil heterogeneity and the macropore activation is not always guaranteed with the usual (small) infiltration tools. Moreover, current methods do not allow to follow easily the processes over time of such systems, in a non-intrusively way, with finesse, and at the right scale (the system scale).In the frame of this thesis, a new large infiltration device, which allow to follow water infiltration and nanoparticles transfer, was studied and deployed on different types of urban soils. This device allowed us to obtain different hydrodynamic parameters, as hydraulic conductivity at saturation, and infiltration capacities indicators. The efficiency of this tool for the representativeness at the system scale of hydrodynamic parameters, compared with a classic small device, was demonstrated. Injections of nano-tracers were made, and followed with a Ground Penetrating Radar (GPR), to simulate colloids pollutants mobility during stormwater infiltration. The GPR data treatment with nano-tracers was studied, including several methods to separate the water effect from the nano-tracers in solution in water. The final aim is to determine hydrodynamic parameters in urban soils, and infiltration and filtration (nano-tracers retention rate in soil) functions indicators of these systems.