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Transport solide de fond (HU)

De Wikhydro
Version du 19 septembre 2019 à 10:40 par Philippe Bagot (discuter | contributions)

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Traduction anglaise : Bedload transport

Dans les écoulements chargés en sédiment, il existe un processus continu d'échange entre les particules qui sont en suspension, celles qui sont sur le fond et celles qui sont près du fond. Les caractéristiques de ces particules sont également susceptibles de se modifier du fait de différents phénomènes : floculation, agglutination, agrégation, dégradation et processus biologiques. Une distinction majeure peut être faite entre le transport en suspension et le transport de fond, comprenant la saltation et les déplacements liés à des rotations ou à des glissades sur le fond (charriage). Dans l'état actuel des connaissances, il reste des incertitudes sur la nature des matériaux qui se déplacent près du fond dans les systèmes unitaires d'assainissement. Malgré tout, on pense généralement que les concepts développés en hydraulique fluviale peuvent être appliqués. Les particules transportées sur le fond sont caractérisées par le fait qu'elles ne reçoivent aucune impulsion verticale dirigée vers le haut autre que celles dues aux contacts successifs avec le fond, ces impulsions étant elles-mêmes essentiellement horizontales. Il est maintenant bien admis que la saltation, qui constitue le mode de transport principal près du fond, se produit même si l'écoulement est laminaire, c'est à dire même s'il n'y a aucune turbulence pour faciliter le transport solide. Le critère classique permettant de caractériser la transition entre transport en suspension et transport de fond, est fondé sur le paramètre de sédimentation  :  = ws / u* où ws est la vitesse de chute de la particule, K la constante de Von Karman et u*, la vitesse de cisaillement. Le transport de fond commence pour des valeurs de  comprises entre 5 et 15. Il a été possible d'analyser les matériaux se déplaçant près du fond dans quelques égouts unitaires. Il existe cependant de nombreuses difficultés pour évaluer la contrainte de cisaillement et donc pour déterminer la vitesse de cisaillement, de même que pour mesurer précisément la vitesse de chute des particules. Une proportion importante de la masse du transport de fond est composée de matériau granulaire inorganique, ayant une forte masse volumique. Ce sont ces matériaux qui sont responsables de la plupart des problèmes de maintenance des égouts car ce sont ceux qui se déposent en premier. Lorsque ces solides sont arrêtés par une cause quelconque, souvent au niveau d’une singularité hydraulique mais aussi lorsque la baisse subite des débits de temps de pluie les a « laissés là », ils ont une forte tendance à s'accumuler. La proportion de matière organique dans les solides transportés sur le fond est moins forte dans les réseaux pluviaux que dans les unitaires, et dans ceux-ci elle semble plus forte lorsque la vitesse des eaux de temps sec est faible. Dans certains cas, le matériau se déplaçant près du fond (qu'il y ait ou non un dépôt sur le fond) peut être relativement granulaire, c'est à dire voisin de celui que l'on trouve usuellement dans les rivières. Des études récentes ont montré que si la pente était forte (> 2%) le transport de fond était essentiellement constitué de particules grossières (2 à 10 mm), alors que si la pente était faible (< 0,1%), la granulométrie des particules était voisine de celle des particules transportées en suspension. Dans les collecteurs les plus pentus (i.e. lorsque les matériaux sont essentiellement granulaires), le critère de Shields permet de bien prévoir le seuil de mise en mouvement, et d’arrêt, des particules. On a également observé dans certains grands collecteurs unitaires la présence de grosses particules (>1mm), très organiques formant une couche juste au dessus du lit. Des contraintes de cisaillement de l'ordre de 1N/m2 sont suffisantes pour entraîner ces particules. Les concentrations en solide sont très fortes dans cette couche particulière, puisque l'on a pu observer des concentrations supérieures à 3500mg/L (à comparer aux valeurs habituellement trouvées en suspension qui sont de l'ordre de 200 à 500mg/L). Les concentrations en polluants y sont également extrêmement élevées. Ce fluide très dense, mélange de liquide et de solide est probablement non-Newtonien et pourrait avoir les caractéristiques d'un fluide de Bingham. On parle parfois de « couche organique de fond ». Il est possible que certaines similitudes existent avec les bouchons vaseux que l'on observe dans certains estuaires, bien que ces derniers sous-écoulements soient plus homogènes et aient des concentrations plus fortes en solides (>10g/L). On a tenté de modéliser ce sous-écoulement dense en faisant l'hypothèse de l'existence d'une zone dite de « suspension intérieure » située près du lit et contenant des particules relativement grandes (>0.5mm), organiques (contenu organique >90%), peu en contact avec le lit, et emprisonnées dans une sorte de matrice d'écoulement en suspension. Le mouvement dans cette couche est supposé dépendre de la migration de particules (due aux contraintes de cisaillement) depuis les zones où le cisaillement est fort vers celles où le cisaillement est plus faible. Comme il existe un gradient vertical très marqué de vitesse à proximité immédiate du lit, les plus grandes particules seraient les plus enclines à émigrer loin du lit car elles sont assez grandes pour que leurs bords inférieurs et supérieurs soient soumis à des vitesses sensiblement différentes. Les faibles contraintes de cisaillement suffisantes pour remettre en mouvement ce matériau. Cela suggère qu'il pourrait constituer une composante importante du caractère organique des matières en suspension dans les eaux de temps de pluie, plus marqué au sein des réseaux unitaires qu’au sein des réseaux pluviaux relativement stricts, avec une contribution quantitative plus importante que celle de l'érosion des films biologiques (également chargés en matière organique) qui se forment sur les parois des conduites.

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