MESURES DES MATIERES EN SUSPENSION

TRANSPORT DES MATIERES EN SUSPENSION
relation avec le flux solide?
Amphone VONGVIXAY –GCGMA-INSA –UMR SAS –INRA
Pascal DUPONT- GCGMA-INSA
Catherine GRIMALDI- UMR SAS – INRA
Anne-Sophie Susperregui –GCGMA-INSA
22-24 Novembre 2010
Mont St-Michel
I. Introduction
1.1. De nombreux enjeux économiques et environnementaux sont liés aux
flux de MES dans les rivières :
•Envasement des barrages ou des estuaires,
•Dégradation des écosystèmes aquatiques,
•Transport de polluants (phosphore, pesticides, métaux lourds, matière
organique).
1.2. Les MES ont été surtout étudiées dans les régions où le risque d’érosion
et dégradation des sols est reconnu depuis longtemps, lié à :
• Des pentes fortes,
• Des pluies violentes, et
• Des déforestations.
Dans l’Ouest de la France, l’augmentation des flux de MES est liée :
•Aux paysages, et
•Aux pratiques agricoles.
I. Introduction
La dynamique temporelle des MES est liée :
•À la variabilité temporelle des conditions hydrologiques ou climatiques
•Aux origines et à la disponibilité variables des particules.
L’origine de MES et les processus de transport – dépôt dans les cours d’eau
dépend aussi :
•De l’ordre du cours d’eau
•De la taille du bassin versant
Objectifs:
• Identifier et quantifier les origines des MES à l’échelle de la crue
•Déterminer la quantité et la granulométrie des matières solides
transportées au fond du cours d’eau.
•Analyser la relation entre le transport des MES et le charriage.
II. Etudes précédentes
II.1. Typologie des crues et leur « pattern »
Williams (1989): Crues univoques
Chronique de débit et concentration
160
relation concentration-débit
250
180
160
200
120
150
100
100
140
SSC, mg/L
mg/L
SSC,
Débit, l/s
140
6/01/2008
120
100
80
60
40
80
50
6/01/2008
60
12:00
20
0
0
14:00
16:00
18:00
60
80
100
120
Débit, l/s
140
160
II. Etudes précédentes
II.1. Typologie des crues et leur « pattern »
Williams (1989): Crue à hystérésis
Chronique de débit et concentration
1400
relation concentration-débit
1400
1400
Date vs Débit, l/s
Date vs SSC, mg/L
1200
1000
1000
800
800
600
600
400
400
200
0
03:00
200
15/07/2007
07:00
1000
800
600
400
15/7/2007
200
0
0
05:00
1200
SSC, mg/L
mg/L
SSC,
Débit, l/s
1200
09:00
11:00
0
200
400
600
800
Débit, l/s
1000
1200
1400
II. Etudes précédentes
II.1. Typologie des crues et leur « pattern »
Williams (1989): Crue complexe
Chronique de débit et concentration
Débit, l/s
105
120
120
110
110
100
100
90
95
SSC,
mg/L
SSC, mg/L
110
relation concentration-débit
2/04/2006
100
90
80
80
70
10:00
70
2/04/2006
90
04:00
06:00
08:00
92
94
96
98
100
102
Débit, l/s
104
106
108
110
II. Etudes précédentes
II.2. Relation débit -MES
140
100
100
80
80
60
60
40
1/12/2007
40
2500
MES estimées
-1
-1
MES mesurées, mg L
120
MES estimées, mgL
-1
MES mesurées, mg L
120
MES estimées
MES mesurées
2500
MES mesurées
140
-1
160
3000
3000
160
2000
2000
1500
1500
1000
1000
500
500
20
20
0
10/3/2008
50
55
60
65
70
0
0
0
45
0
75
100
200
300
400
500
600
700
Débit, LS-1
Débit, LS-1
800
800
600
400
400
200
200
2/10/2008
0
0
35
40
45
50
55
Débit, LS-1
60
65
70
75
-1
MES estimées
600
MES estimées, mgL
MES mesurées, mg L
-1
MES mesurées
Tout le type de patterns
MES estimées, mgL
180
III. Site d’étude et métrologie
2 bassins versants emboîtés
+ Moulinet (4,5 km2)
+ Oir (87 km2)
Sélune
Oir
Moulinet
Sur le Moulinet (2005-2010) et sur l’Oir (depuis fin 2009) :
mesures en continu du débit, du niveau, de la vitesse, et
de la turbidité, prélèvements d’eau et mesures des (MES)
Piège installé à la station du Moulinet depuis février 2010
Sélune
IV. Relations turbidité – débit et turbidité -MES
IV.1 Etalonnage des turbidimètres
4000
MES, mgL
-1
3000
1/12/07
4-5/1/08
10-11/1/08
31/1/08
10/3/08
21/3/08
26/3/08
21/4/08
24/4/08
5/5/08
24/5/08
2000
1000
0
0
500
1000
1500
2000
2500
Turbidité, FTU
=> Forte variabilité de la relation débit –turbidité et [MES] –
turbidité au cours des crues
3000
IV. Relations turbidité – débit et turbidité -MES
IV.2 Interprétation de la variabilité de la relation [MES]-turbidité
Concentration de MES
TURBIDITE
Couleur de l’eau
Granulométrie
Gippel (1995)
Type de particules
Hypothèses: le type de particules varie peu ; le turbidimètre utilisé (880 nm) n’est
pas sensible à la couleur de l’eau.
=> La variabilité de la relation [MES]-turbidité est due à la variabilité de la
granulométrie des MES.
On calcule la Turbidité spécifique = Turbidité / [MES]. La turbidité spécifique ne
dépend pas de la concentration des MES.
 La turbidité spécifique dépend uniquement de la granulométrie.
IV. Relations turbidité – débit et turbidité -MES
IV.2 Interprétation de la variabilité de la relation [MES]-turbidité
Réponse du turbidimètre utilisé à la concentration et à la taille des particules
1600
1400
Turbidité, FTU
1200
1000
800
Carbonate de silicium 3 µm
Carbonate de silicium 6,5 µm
600
Silice 30 µm
Sable fontainebleau 75 -125 µm
Moulinet <125 µm
Moulinet 125 - 200 µm
400
200
0
0
10
20
30
40
Concentration, g/L
 Le turbidimètre est très sensible à la concentration des MES les plus fines
Turbidité = a (MES) fins + ε (MES) grossiers
IV. Relations turbidité – débit et turbidité -MES
IV.2 Interprétation de la variabilité de la relation [MES]-turbidité
Relation entre la turbidité spécifique et la granulométrie des particules
Turbidité specifique, FTUmg-1L-1
6
5
4
3
2
1
0
3 µm
Carbonate
de silicium
6,5 µm
Carbonate
de silicium
30 µm
75 -125 µm
Silice
Sable
fontainebleu
<125 µm
125 - 200 µm
Sediment
Sediment
du Moulinet du Moulinet
 La turbidité spécifique décroît de manière exponentielle quand la taille des
particules augmente
IV. Relations turbidité – débit et turbidité -MES
IV.3 Evolution de la turbidité spécifique à l’échelle de la crue
1.2
1.0
1,2
Moins de particules grossières en décrue et
des particules plus fines ?
150
0.8
1,0
0.6
100
0.4
50
0,8
0.2
04/01/08
0.0
Particules plus grossières ou
agrégats?
0,6
0
19 21 23 01 03 05 07 09
0,4
1.2
turbidité spécifique
Turbidité spécifique, FTU/mg/L
200
1/12/2007
4/1/2008
10/1/2008
31/1/2008
10/3/2008
0,2
0,0
-0,2
0
100
200
300
400
Débit, L/s
500
600
700
700
10/03/08
1.0
600
500
0.8
400
0.6
300
0.4
200
0.2
100
0.0
0
04 06 08 10 12 14 16 18
 La turbidité spécifique varie très fortement pour les crues de faible débit
 La turbidité spécifique présente une hystérésis pour les crues de fort débit
 La turbidité spécifique présente un maximum en début de décrue
IV. Relations turbidité – débit et turbidité -MES
IV.3 Evolution de la turbidité spécifique à l’échelle de la crue
100
Relation entre la turbidité spécifique et la granulométrie des particules
4,0
3,5
26/03/10
95
3,0
MES2
85
MES6
MES1
SSC2
2,0
SSC3
1,5
MES5
SSC4
1,0
MES3
80
SSC1
2,5
Taille, µm
MES1
SSC5
0,5
SSC6
0,0
75
0,01
0,1
1
70
17.00
18.00
19.00
20.00
10
100
1000
log d
21.00
1,4
Turb. Spécifique
=Turbidité/(MES)
1,2
Turbidité spécifique
Débit, l/s
90
26/03/2010
1,0
argile 0-2 µm
limons:2-20 µm
sables fins:20-200µm
0,8
0,6
0,4
0
20
40
Taille, µm
60
Turbidité = a (MES) fins + ε (MES) grossiers
80
Turb. Spécifique
augmente en décrue
-lorsque les particules
sont plus fines
- lorsque la
concentration des
particules grossières
diminue
V. Mesure de charriage
V.1. Granulométrie des sédiments
a) Courbe granulométrique méthode au tamis (grosses particules)
Moulinet 250310
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
0,0001
0,001
0,01
0,1
1
10
100
Taille en mm
Bac amont sans nid d’abeille
MOU PB 250310
Bac aval avec nid d’abeille
MOU GB 250310
Deux courbes sont différentes. Les particules de diamètre supérieur à 8mm
n’ont pas été capable de passer le nid d’abeille
V. Mesure de charriage
V.1. Granulométrie des sédiments
b) Courbe granulométrique, méthode au laser (particules fines)
Moulinet PB-GB 250310
Même courbe notamment pour les MES
100
90
80
% Cumulés
70
60
50
40
30
20
10
0
0,01
0,1
1
10
100
1000
Taille en µm
Bac aval avec nid d’abeille
MOU GB 250310
MOU PB 250310
Bac amont sans nid d’abeille
Deux courbes sont différentes pour les particules plus grossières que 20 µm
V. Mesure de charriage
V.2. Relation entre les paramètres adimensionnels
10
d*50
d*90
seuil Shield
1
Tau*max
Transport croissant
0,1
0,01
0,01
0,1
1
10
100
1000
10000
Diamètre adimensionnel (d*)
Les matières solides avec les diamètres d*50 sont toujours transportées
Les matières solides avec les diamètres d*90 >300 µm ne sont pas
transportées par le courant
V. Mesure de charriage
V.3. Masse des matières solides transportées par charriage
10
6
8
5
6
Qs (piégé), kg
d50, mm
25/3/10
26/2/10
4
30/4/10
2
8/4/10
5/7/10
6/10/10
20/5/10
0
25/3/10
4
3
26/2/10
8/4/10
2
6/10/10
1
10/6/10
0
0
50
100
150
200
250
300
350
5/7/10
30/4/10
400
0
2
Qmax, l/s
6
8
10
d50, mm
30
6
25
5
6/10/10
15
Qs (piégé), kg
25/3/10
20
d90, mm
4
26/2/10
5/7/10
10
5
8/4/10
20/5/10
13/9/10
0
0
50
100
25/3/10
4
3
2
8/4/10
5/7/10
26/2/10
6/10/10
1
13/09/10
0
150
200
250
Qmax, l/s
300
350
400
0
5
10
15
20
25
30
d90,mm
Plus Qmax est grand, plus d50 et d90 sont importants
Plus d50 et d90 sont grands, plus Qs piégé est grand
Pas de relation simple car le piège est sélectif=>granulo piégé privilégie les grosses
particules transportées (d90 plus significatif?)
V. Mesure de charriage
V.3. Masse des matières solides transportées par charriage
6
5
Qs(piégé) kg
25/3/10
4
3
2
26/2/10
8/4/10
5/7/10
1
30/4/10
0
0
50
100
150
200
250
300
350
400
Qmax, l/s
Plus Qmax est grand, plus Qs piégé est important, avec la
réserve que le piège est sélectif et imparfait
Premiers résultats
• Au cours d’une crue, d’abord mobilisation des particules plus grossières puis en
décrue des particules plus fines.
• Rôle de la granulométrie dans la détermination de la tension adimensionnelle de
frottement, τ*.
Lien avec l’objectif général
• Utilisation de la turbidité spécifique comme un indicateur de la taille des MES
• Utilisation d90 comme diamètre des particules charriées.
Perspective
•MES stockées dans les bancs de sables?
•MES = érosion superficielle ou érosion interne des berges
•Charriage instantané par hydrophone
•Paramètre caractéristique d’un évènement (intensité, vitesse de montée,
temps hors crue depuis la crue précédente…)?
•Modélisation Qs=f(capacité de transport, stock) pour chaque diamètre?