Autoépuration en eau courante : évaluation de l’oxygénation dans les cascades en marches d’escalier

Abstract

Dans les écosystèmes aquatiques, l’oxygène dissous est consommé par les processus chimiques et biologiques de l’autoépuration (oxydoréduction, dégradation de la matière organique,...) ainsi que par la respiration des espèces aquatiques. L’autoépuration sera donc favorisée par une amélioration de l’aération et le taux d’oxygène dissous constituera un indicateur de la qualité de l’eau. Les structures hydrauliques telles que les cascades jouent le rôle de système d’aération en favorisant l’absorption dans l'eau de l’oxygène atmosphérique. Afin d’évaluer le potentiel d’aération de ces ouvrages aux faibles débits, une étude a été réalisée sur une cascade de laboratoire représentative des petits cours d’eau et équipée de plusieurs marches modulables en nombre et en taille. Le transfert d’oxygène dans les cascades est fortement dépendant de l’aire de l’interface d’échange rapporté au volume d’eau, du type d’écoulement diphasique et de la turbulence dans le fluide. Du point de vue hydrodynamique, trois régimes d’écoulement ont été identifiés pour un débit inférieur à 3 L•-s-1, deux régimes de type nappe et un régime de transition. L’efficacité du transfert d’oxygène mesurée varie de 15 % à 40 % en fonction du débit d’eau, du nombre et de la longueur des marches de la cascade. Les résultats ont montré une amélioration de l’aération avec le débit (en régime nappe) et avec le nombre de marches. Sur les différents systèmes de cascades étudiés, une relation de linéarité entre le nombre de marches et l’efficacité d’aération a été constatée. L’ajout de graviers sur les marches provoque une légère amélioration de la capacité d’aération, dépendant du niveau d’immersion des graviers. À hauteur donnée, l’augmentation de la longueur des cascades défavorise le transfert d’oxygène.In aquatic ecosystems, dissolved oxygen is consumed by the chemical and biological processes involved in natural self-purification (oxidation-reduction, degradation of organic matter,…) and by the respiration of the aquatic species. The self-purification can be enhanced by water aeration improvement and the dissolved oxygen level is thus an indicator of the water quality. Hydraulic structures such as cascades play the role of an aeration system by improving the dissolution of atmospheric oxygen in water. To estimate the aeration potential of these structures in low discharges corresponding to small natural streams, a study was realized on a laboratory cascade model equipped with a modular number of size-adjustable steps. Oxygen transfer in stepped cascades is strongly dependent on the interfacial exchange area per water volume, the multiphase flow structure and the turbulence in the fluid. From the hydrodynamic point of view, three flow regimes were identified for a flow rate lower than 3 L•s-1: two nappe regimes and one transition regime. The measured oxygen transfer efficiency varies between 15% and 40% depending on water flow rates, and the number and length of steps in the cascade. The results showed an improvement of the aeration with the flow rate (in ...

Biodegradation of Urban Stromwater Pollution in a Sequence of Constructed Porous Riffles in a Mediterranean Creek

“…During the study, the natural regeneration of the sand deposit during large flood events was observed. It is possible to improve the system by replacing the artificial weirs with ramps of gabions 2 that maintain hydraulic continuity and produce more efficient aeration than waterfalls (Khdhiri 2014;Khdhiri et al 2014). Constructed riffles should be tested on other small creeks in parallel with a design assistance model.…”