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Système de caractérisation des agrégats et des flocs dans les cours d’eau et rivières chargées – SCAF

SCAF : Système de Caractérisation des Agrégats et des Flocs dans les cours d’eau et rivières chargées

A ce jour, aucun instrument ne permet la mesure in situ des caractéristiques de chute des sédiments dans les rivières très concentrées (>1g/l). Alors que cette information est capitale pour la compréhension de la dynamique des sédiments en suspension, le projet SCAF vise au développement d'un appareil de mesure dédiés a ces environnements.

Mieux appréhender le flux des sédiments en suspension en rivières

L'enjeux principal du projet est le développement d'un nouvel outil d'observation et de suivi des propriétés des sédiments en suspension dans les rivières concentrées. Cela afin d'améliorer notre compréhension des processus physiques en jeu et d'optimiser en conséquence la modélisation de ces processus.

Le projet présente trois objectifs principaux:
O1) L'instrument SCAF sera développé avec une version alpha, à destination des chercheurs pour des mesures en laboratoire et sur le terrain sous conditions controlées et une version beta a destination des gestionnaires et autres utilisateurs de mesures en rivières
O2) Dynamique des sédiments des versants aux rivières. Differents essais de laboratoire et de terrain seront conduits pour mieux comprendre les processus de desagregations des particules soumises au forcage hydrodynamique.
O3) Amélioration des lois de transport.
L'assimilation des données permettra de critiquer et d'optimiser les lois de transport utilisées dans les modèles numériques pour améliorer la gestion des flux sédimentaires en rivières.

Le prototype SCAF alpha est finalisé et en cours de duplication

Différentes expériences de laboratoires ont été conduites dans le cadre de collaborations internationales avec H.Michallet (LEGI, Grenoble), Ian Droppo (Environment Canada) et A.Manning (Univ Plymouth, HR Wallingford, UK).

Développement du SCAF alpha 1 en vue de mesures sur le terrain de manière semi automatisée

Some publications

Wendling, V. Legout, C., Gratiot, N., Grangeon, T. and Michallet, H. 2016. Dynamics of soil aggregates in turbulent ?ow : respective e?ect of soil type and suspended concentration. Catena, 141, 66-72.

Wendling, V., Gratiot, N., Legout, C., Droppo, I.G., Coulaud, C. and Mercier, B. 2015. Using an optical settling column to assess suspension characteristics within the free, flocculation and hindered settling regimes. J. of Soils and Sediment, (15) 1991-2003.

Jodeau, M., Antoine, G., Cormier, M., Monnoyer, Q. and Gratiot, N., 2016. Settling velocity of sediment from reservoirs, laboratory measurements and modeling. 2016. River flow 2016. Ed Constantinescu, Garcia and Hanes, CRC Press. pp 937-943.

Jodeau, M., Cazilhac, M., Poirel, A., Negrello, P., Pinte, K., Bouchard, J-P. and Bertier, C. 2014. Innovative in-situ measurements, analysis and modeling of sediment dynamics in Chambon reservoir, France. Reservoirs Sedimentation. Ed. Schleiss, de Cesare, Franco and Pfister, CRC Press. 300pp. ISBN 9781315736914.

Mercier, B., Wendling, V., Coulaud, C., Legout, C., Gratiot, N., 2016. Développement d’un Système de Caractérisation des Agrégats et des Flocs (SCAF). Instrumentation, Mesures, Métrologie. Ed. E.Vourch, édition Lavoisier.

Gratiot, N., Coulaud, C., Legout, C., Mercier, B., Mora, H.Wendling, V., 2015. Unit for measuring the falling speed of particles in suspension in a fluid and device comprising at least one measuring unit and one automatic sampler. Patent-Publication number WO2015055963 A1.

Au cours du 21ème siècle, la gestion des ressources en eau devient un enjeu majeur, du fait de l’accroissement de la population. L'eau est une ressource clé pour trois points principaux: c'est une ressource de base pour les besoins humains (eau potable, irrigation) et pour de nombreuses activités industrielles ; c'est aussi un agent de transport de pollution dans les écosystèmes aquatiques ; enfin il s'agit d'une ressource energetique renouvelable, par le biais de l’hydroélectricité. D'un point de vue opérationnel, la bonne gestion des ressources en eau est intimement lié à celle des sédiments en suspension (SS). La turbidité induite, accroit substantiellement les couts de traitement de l'eau lors de la potabilisation. La charge particulaire est également un agent sensible de fixation et de flux des polluants dans les environnements aquatiques (métaux lourds, pesticides, PCBs ...). En plus de ces enjeux pour la qualité, l'accumulation des sédiments dans les barrages réduit la durée de vie des ouvrages ce qui pose un frein à l'acceptation de l'hydroéléctricité en tant qu'énergie renouvelable.
Le projet SCAF 2015 place les sédiments au coeur de son approche scientifique. Pour des grandes concentrations (supérieures à 10grammes par litres) aucun système de mesure n'est capable de caractériser correctement la vitesse de chute des sédiments (constat de la conférence Particles In Europe, Villefranche sur Mer, novembre 2010). Il s'agit pourtant d'une donnée d'entrée pour tous les modèles hydro-sédimentaires. Pour combler ce manque, les chercheurs du LTHE ont monté un partenariat avec l'hydro electricien EDF en vue de: 1) développer un nouveau Système de Caractérisation des Agrégats et des Flocs (SCAF), 2) exploiter les nouvelles mesures (issues du SCAF) pour valider (ou réfuter) le modèle hydrosédimentaire COURLIS 1D, utilisé de manière opérationnel par l'opérateur EDF. 3) Proposer des améliorations des lois de dépôts sédimentaires, notamment lorsque les caractéristiques des sédiments ne sont pas mesurées in situ. Le projet est organisé en trois taches. La 1ère vise au développement instrumental du SCAF, dans ses versions "recherche" et "prototype industriel". Suite à l'évaluation encourageante du projet FingerStreams (ANR Blanc, PI : O.Evrard, 2011, non financé, voir Annexe 8.2) et au financement d'un projet EC2CO (10k€, PI:C.Legout), le développement du SCAF "recherche" a débuté. Il s'agit de mesurer la décantation des sédiments par méthode optique, juste après le prélèvement automatisé (échantillonneur type ISCO). De cette décantation, nous déduisons des mesures précieuses, telles que la vitesse de chute des particules, leur capacité à floculer et une estimation de leur diamètre. La validation de l'appareil sera réalisé dans un contexte d’inter comparaison de techniques (video et laser) dans le cadre d'un double exercice d’expériences en laboratoire, conduites a Grenoble et au Canada (avec notamment A.Manning et I.Droppo). Le passage au prototype "industriel" se fera en synergie avec l'hydro-electricien EDF (DTG, unité d'expertise et de mesures), leader européen du marché. Grâce au développement du SCAF, nous pourrons appréhender l'objectif ultime du projet, à savoir la mesure des propriétés fines de sédiments pendant des évènements de crues ou de chasse en vue d'une meilleure compréhension et de l'amélioration des modèles numériques opérationnels. Les perspectives d'applications du SCAF sont variées. Le suivi des sédiments en suspension est en effet essentiel pour la planificiation d'actions de restauration des cours d'eau, le suivi des flux de pollution et l'optimisation des ouvrages hydro éléctriques. Avec la mise en oeuvre effective de la Directive Européenne Cadre sur l'Eau (DCE), ces sujets deviennent de première importance. Le prototype industriel sera opérationnel dès 2015, date à laquelle des objectifs quantifiés de bon état écologique des cours d'eau devront être atteints dans le cadre de la DCE.

Coordination du projet

Nicolas Gratiot (INSTITUT DE RECHERCHE POUR LE DEVELOPPEMENT) – nicolas.gratiot@ird.fr

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

IRD - LTHE INSTITUT DE RECHERCHE POUR LE DEVELOPPEMENT

Aide de l'ANR 168 399 euros
Début et durée du projet scientifique : septembre 2012 - 36 Mois

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