Ecological functioning of the Seine river downstream the wastewater treatment plant "Seine Aval": experimental datas and bidimensional modeling.
Fonctionnement écologique de la Seine à l'aval de la station d'épuration d'Achères: données expérimentales et modélisation bidimensionnelle
Résumé
A reach of the Seine river, spreading from upstream the effluents of the treatment plant "Seine Aval", down to the Andrésy and Dénouval's dams was selected as detailed study site for the water quality evolution process of this river. The previous works from the PIREN Seine have shown that the inorganic pollution generated by urban effluents was tightly related to the solid phase. Thus within the water column, the thin particular phase, which is the only one able to be transported, includes very thin suspended material often rich in organic matter, bacterias attached to this particles and phytoplanktonic cells. The sedimentation and erosion processes in fluvial environment have a critical impact on water quality. The biological processes, heavy consumer of dissolved oxygen ( heterotrophic bacterain degradation of the organic matter), strongly depends on time residence of the sediment in the river. Bidimensional modelings were developped in order to estimate this residence time, which depends on hydrodynamic parameters as well as specific particle parameters ( particle size analysis, density, water content, settling rate,...). The hydrodynamic part of the study was realised with the TELEMAC 2D model from the LNHE ( Laboratoire National d'Hydraulique et Environnement, EDF) The solid transport and biological equations were integrated to the SUBIEF model from LNHE. Navigation, the main process of the erosion during low flood period, was explicitly introduced in the model. So was the exchange process between the water column and the superficial sediment layer, wether they are diffusive or constrained by deposit and erosion. The results generated for several low flow period simulations were compared to experimental datas. They demonstrated that the conceptualisation selected for the water quality model matches the simulation of the main processes occuring immediatly downstream of a big urban effleuent. Several timescales of the sediment transport have been identified. This work shows that coupling solid transport processes and biological processes is mandatory in order to accurately study the water quality of a fluvial ecosystem subject to human impact.
Les travaux du PIREN-Seine, dans lesquels s'inscrit mon travail de thèse, se sont dès le début orientés vers la recherche d'une description du fonctionnement écologique du système aussi déterministe que possible. Dans ce but, l'approche adoptée consiste à décrire les organismes et constituants ainsi que les processus qui ont une influence sur la qualité de l'eau dans le réseau hydrographique. La modélisation a été l'un des outils utilisés pour améliorer notre connaissance des processus et ainsi aider les différents acteurs de l'eau à la prise de décision. Pour étudier l'impact des rejets urbains dans les zones fortement influencées par l'activité humaine, il a été décidé de mettre en oeuvre un modèle bi-dimensionnel plan capable de simuler de façon précise le devenir des différents polluants rejetés en Seine. Grâce à la collaboration entre l'École des Mines et la Direction Études et Recherches d'Électricité de France, nous avons pu utiliser le code de calcul hydrodynamique aux éléments finis, TELEMAC 2D, d'E.D.F. Une première étape a consisté à mettre en oeuvre ce modèle dans le bief de Seine caractérisé par les rejets de la station d'épuration d'Achères pour estimer les vitesses de l'écoulement et les hauteurs d'eau à l'étiage et de connaître, entre autres, le temps de résidence de l'eau pour quelques situations permanentes de bas débit. Les travaux antérieurs du PIREN-Seine ont largement montré que la pollution d'origine organique était étroitement liée aux particules. Bien que l'essentiel du flux de matériel particulaire soit transporté au cours des crues, l'étude du transport en période d'étiage ne doit pas être négligée. La dilution des rejets urbains par l'eau de Seine est plus faible en période d'étiage. Le dépôt est plus intense, le matériel qui le constitue est fortement pollué et les zones de stockage sont plus nombreuses. Il nous est donc apparu important de simuler convenablement le transport solide pour la Seine à l'étiage. Nous avons alors modifié le modèle de transport bi-dimensionnel d'EDF, SUBIEF 2D. La navigation, intense dans cette partie du fleuve, joue un rôle considérable sur les temps de résidence des particules et ainsi sur le devenir des produits contaminants peu ou non solubles. Nous avons donc développé un module de remise en suspension qui prend en compte de façon précise la circulation fluviale : la modélisation du courant de retour, du champ de vitesses généré sur le lit de la rivière par les jets d'hélice, l'utilisation d'une formulation énergétique des processus de dépôt/érosion basée sur la capacité de transport d'un écoulement, nous permet de reproduire les concentrations en MES mesurées dans la colonne d'eau sur l'ensemble du domaine lors des différentes campagnes organisées. Nous en tirons des informations sur la quantité de particules sédimentées dans le bief, la localisation des dépôts frais et le temps de transfert moyen des particules en périodes de basses eaux. Nous appuyant sur le modèle hydraulique et de transport précédemment défini, nous avons mis en place un module biologique reprenant le schéma conceptuel du modèle RIVE utilisé dans le PIREN-Seine. Nous simulons le cycle de l'oxygène en relation avec celui du carbone. Les processus modélisés sont le développement phytoplanctonique, la dégradation de la matière organique par les bactéries hétérotrophes et la production/consommation d'oxygène associée. Une ré-aération à l'interface air-eau est aussi prise en compte. Le modèle simule les évolutions de 24 variables d'état relatives à la colonne d'eau et à la vase non consolidée déposée sur le lit du fleuve. Les processus d'échange entre la colonne d'eau et les sédiments, qu'ils soient diffusifs ou contraints par le dépôt et l'érosion, ont été introduits explicitement dans le modèle. La couche de vase est également le siège de réactions biologiques. Les résultats des simulations pour différents étiages sont confrontés aux données expérimentales dont nous disposons. Ces résultats montrent que la conceptualisation retenue pour le modèle de simulation de la qualité de l'eau est adaptée à la simulation des processus qui dominent dans ce secteur. Une comparaison entre le modèle ProSe, développé à l'École des Mines de Paris, dans ses versions mono-dimensionnelles et à tube de courant, et le modèle bi-dimensionnel TELEMAC-SUBIEF a été réalisée. Cette intercomparaison permet, d'une part, de valider les développements réalisés au sein de SUBIEF 2D, le modèle ProSe ayant été validé dans de nombreuses situations et, d'autre part, de montrer les différences de comportement des modèles mono et bi-dimensionnels dans le secteur d'étude.
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