Sujet de thèse IFSTTAR

English version
Fiche détaillée :

Titre : Modélisation (hydro)géochimique du devenir des micropolluants métalliques dans les ouvrages d’infiltration des eaux pluviales

Laboratoire principal - Référent principal GERS - EE  -  BECHET Béatrice      tél. : +33 240845687

Directeur du laboratoire principal PEYNEAU Pierre-Emmanuel  -

Spécialité de la thèse Sciences de la terre et de l'environnement

Axe 3 - COP2017 - Aménager et protéger les territoires

Site principal Nantes

Etablissement d'inscription UNIVERSITE GUSTAVE EIFFEL

Ecole doctorale Matière, Molécules, Matériaux et Géosciences (3MG)

Directeur de thèse prévu BECHET Béatrice  -  Université Gustave Eiffel  -  GERS - EE

Type de financement prévu Contrat doctoral  - Université Gustave Eiffel

Résumé

1. Contexte et objectifs
En 2050, 75% de la population vivra en milieu urbain sous, entre autres, la pression des impacts du changement climatique (Nations Unies, 2012). Soutenue par la réglementation, la gestion optimisée des eaux urbaines fait partie des enjeux forts pour les collectivités, notamment lors d’évènements pluvieux intenses. Elles doivent pouvoir disposer de solutions, afin de limiter les risques d’inondation, mais aussi gérer les flux de polluants émis par les activités anthropiques (transport, chauffage, industries…). Les ouvrages dédiés à la rétention et à l’infiltration des eaux de ruissellement urbaines visent ainsi à protéger la qualité des eaux de surface et des eaux souterraines (Eckart et al. 2017). Des systèmes tels que les noues, jardins de pluie permettent de gérer les flux d’eau à petite échelle, parallèlement aux bassins destinés à la gestion de volumes d’eau plus importants. Depuis une vingtaine d’années, différents types d’ouvrages alternatifs au « tout tuyau », multifonctionnels sont intégrés progressivement dans les paysages urbains : fonction hydraulique par la régulation des flux d’eau, fonction paysagère par la végétalisation fréquente créée ou spontanée, fonction écologique par la création de milieux humides et fonction de dépollution par décantation et infiltration dans les sols des ouvrages (Keyvanfar et al. 2021).
L’évaluation des performances hydrauliques et épuratoires des ouvrages fait l’objet d’une attention particulière car elles sont fondamentales pour assurer la durabilité et l’efficacité sur le long terme du management des eaux pluviales (Yang et al. 2021). Toutefois, comme souligné par Webber et al (2022), les innovations techniques (smart systems) visent essentiellement le volet quantitatif de la gestion des eaux, et non l’enjeu de la qualité, qui est contrôlée par le transfert des polluants entre les eaux, les sédiments accumulés dans les ouvrages, et le sol sous-jacent (Banc, 2021, Dang, 2023). Les processus physiques, les processus chimiques et physico-chimiques et les processus biologiques sont les trois grandes catégories de processus qui peuvent affecter la rétention et la mobilisation des polluants. Ces processus sont complémentaires des processus hydrologiques réagissant les écoulements surfaciques de l’eau et hydrodynamiques dans les sédiments et les sols. On comprend alors que la complexité des systèmes ait freiné le développement des outils intégrés adaptés à l’évaluation des risques en gestion des eaux pluviales. Toutefois, la problématique de la performance épuratoire pourrait bénéficier de la recherche en modélisation couplée entre flux hydriques et géochimie (Simunek et al. 2006), avec comme objectif de développement d’un outil pour mieux appréhender le comportement des micropolluants.

2. Verrous scientifiques
En gestion des eaux pluviales, de nombreuses données expérimentales ont été collectées dans la littérature afin d’évaluer la capacité épuratoire de différents ouvrages : bassins, noues, fossés filtrants... (El Mufleh et al. 2012). La modélisation du fonctionnement hydrologique de ces ouvrages a fait l’objet de nombreux travaux au niveau international. En France, une plateforme a été développée au sein de l’observatoire en hydrologie urbaine de Lyon (OTHU) pour proposer des outils de simulation hydrologique à destination des opérationnels (CANOE-HYDROTOP) (Asry et al. 2023). Les flux de matières en suspension apportées par les eaux de ruissellement sont décrits à l’aide de modèles du domaine de la mécanique des fluides. Toutefois, peu de travaux de modélisation ont été menés dans le domaine de l’hydrologie qualitative. En effet, si la littérature est très riche en données sur la qualité des eaux et des sédiments qui s’accumulent en fond d’ouvrage, la compréhension des processus de transfert et la description de la spéciation chimique, à l’aide de modèles hydrogéochimiques reste peu développée (Vezzaro et al. 2012). Ces dernières années, des expérimentations en laboratoire associées à une modélisation géochimique ont permis de simuler l’influence du pH sur le relargage d’éléments traces et majeurs (Drapeau et al. 2017, Banc et al. 2021), mais une approche de transfert réactif à l’échelle de l’ouvrage est à développer, pour compléter le volet de modélisation quantitative (Cannavo et al. 2018), sur la base de travaux existants dans les équipes (Hanna et al., 2012).
Les verrous scientifiques sont de trois ordres : 1) la description de systèmes géochimiques complexes/est-il possible de représenter de façon simplifiée mais suffisamment générique les eaux de ruissellement et les systèmes infiltrants ?, 2) la détermination des mécanismes prépondérants d’interaction en statique et en dynamique et 3) l’adaptation des outils de modélisation disponibles en hydrologie/transfert de contaminants. Drapeau (2017) et Banc (2021) posent des bases solides de construction d’un modèle géochimique de sédiment, qu’il conviendra de consolider et d’y adjoindre un modèle de description des eaux de ruissellement et des eaux présentes dans les ouvrages. Du fait de la présence de fractions particulaires porteuses de polluants pouvant compter jusqu’à 80/90% des concentrations totales, la méthodologie de détermination classique de mécanismes prépondérants d’interaction devra être questionnée. Il faudra s’appuyer à des fins de validation sur un ensemble de données relativement restreint à documenter précisément. Enfin la question de l’outil adapté à la fois à la description d’un système multicomposantes et à l’étude de l’interopérabilité avec des outils ou plateformes hydrologiques se pose si l’on souhaite que le projet vienne enrichir les outils proposés actuellement aux services opérationnels.

3. Déroulement de la thèse
Afin de contribuer à la prise en compte des mécanismes de transfert de micropolluants métalliques dans les modèles de fonctionnement hydrodynamique et épuratoire, la démarche proposée repose sur l’utilisation de la modélisation géochimique et/ou hydrogéochimique pour la représentation des composantes de systèmes d’infiltration des eaux pluviales et la réactivité intra- et inter-composantes, associée à l’utilisation de données expérimentales issues de la littérature pour la calibration et la validation des mécanismes prépondérants.
Le travail s’organisera en 5 phases :
1) Mois 1 à 6 : état de l’art des outils et démarches de modélisation, collecte de données expérimentales (collaboration avec les équipes du réseau Urbis en hydrologie urbaine Paris/Lyon/Nantes)
2) Mois 7 à 12 : construction des modèles géochimiques et des systèmes mécanistiques (eaux de ruissellement, sédiment, sol) après choix de deux/trois cas d’étude
3) Mois 13 à 24 : calibration et validation des systèmes réactionnels à partir des données expérimentales
4) Mois 25 à 28 : test à l’échelle d’un ouvrage de la faisabilité d’un couplage avec un modèle descriptif du fonctionnement hydraulique/hydrologique
5) Mois 29 à 36 : rédaction du manuscrit et soutenance
Les données qui seront utilisées sont disponibles dans la littérature (par ex.articles d’état de l’art) ou auprès des partenaires. Plusieurs logiciels de modélisation géochimique, comme Phreeqc2 sont libres et téléchargeables en ligne. Il n’y a pas d’expérimentation prévue. Le risque principal réside dans les lots de données trop partiels, mais l’état des lieux initial devrait permettre de fournir des gammes de concentration pour les différents paramètres nécessaires.

4. Caractère innovant
L’état des lieux réalisé à ce jour et les discussions en cours au niveau national dans le réseau Urbis montrent que, si les outils pour décrire le fonctionnement hydraulique des ouvrages de biofiltration sont bien développées, les connaissances sur les processus réactifs sont limitées (quelques articles). Pour développer la composante mécanistique épuratoire, une approche géochimique des systèmes apparaît comme complémentaire et très novatrice.
Ce projet de thèse sera aussi l’occasion d’exploiter les données inter-observatoires du réseau Urbis. Le bilan des travaux de ces dernières années en géochimie mettra en avant les similitudes, les différences, les perspectives, avec une possibilité de valorisation. Cette action s’inscrira dans le groupe de travail « hydrologie et géochimie » du SNO Observil, pour bénéficier et contribuer à l’animation scientifique.
Il s’agira aussi de tirer bénéfice des états de l’art existants dans la littérature pour dégager des tendances générales (méta-analyse et analyses statistiques). Enfin, l’innovation réside aussi dans l’intention d’étudier la faisabilité d’un couplage avec un outil de modélisation hydrodynamique.

5. Résultats attendus et valorisation
Les résultats attendus sont de plusieurs ordres : 1) la production d’un ou plusieurs articles scientifiques. L’objectif 1 en terme de publications est un article de review pour conclure la phase 1 de la thèse 2) des présentations en conférence internationale (Novatech, ICUD), 3) le 3eme résultat est l’évaluation de la faisabilité du développement d’un module « géochimie » interopérable avec les modèles hydrologiques/hydrauliques à l’échelle de l’ouvrage.

Mots-clefs: gestion eaux pluviales - métaux trace – sédiments – ouvrages d’infiltration – modèles de transfert réactif

Laboratoire principal - Référent principal	GERS - EE - BECHET Béatrice tél. : +33 240845687
Directeur du laboratoire principal	PEYNEAU Pierre-Emmanuel -
Spécialité de la thèse	Sciences de la terre et de l'environnement
Axe	3 - COP2017 - Aménager et protéger les territoires
Site principal	Nantes
Etablissement d'inscription	UNIVERSITE GUSTAVE EIFFEL
Ecole doctorale	Matière, Molécules, Matériaux et Géosciences (3MG)
Directeur de thèse prévu	BECHET Béatrice - Université Gustave Eiffel - GERS - EE
Type de financement prévu	Contrat doctoral - Université Gustave Eiffel
Résumé 1. Contexte et objectifs En 2050, 75% de la population vivra en milieu urbain sous, entre autres, la pression des impacts du changement climatique (Nations Unies, 2012). Soutenue par la réglementation, la gestion optimisée des eaux urbaines fait partie des enjeux forts pour les collectivités, notamment lors d’évènements pluvieux intenses. Elles doivent pouvoir disposer de solutions, afin de limiter les risques d’inondation, mais aussi gérer les flux de polluants émis par les activités anthropiques (transport, chauffage, industries…). Les ouvrages dédiés à la rétention et à l’infiltration des eaux de ruissellement urbaines visent ainsi à protéger la qualité des eaux de surface et des eaux souterraines (Eckart et al. 2017). Des systèmes tels que les noues, jardins de pluie permettent de gérer les flux d’eau à petite échelle, parallèlement aux bassins destinés à la gestion de volumes d’eau plus importants. Depuis une vingtaine d’années, différents types d’ouvrages alternatifs au « tout tuyau », multifonctionnels sont intégrés progressivement dans les paysages urbains : fonction hydraulique par la régulation des flux d’eau, fonction paysagère par la végétalisation fréquente créée ou spontanée, fonction écologique par la création de milieux humides et fonction de dépollution par décantation et infiltration dans les sols des ouvrages (Keyvanfar et al. 2021). L’évaluation des performances hydrauliques et épuratoires des ouvrages fait l’objet d’une attention particulière car elles sont fondamentales pour assurer la durabilité et l’efficacité sur le long terme du management des eaux pluviales (Yang et al. 2021). Toutefois, comme souligné par Webber et al (2022), les innovations techniques (smart systems) visent essentiellement le volet quantitatif de la gestion des eaux, et non l’enjeu de la qualité, qui est contrôlée par le transfert des polluants entre les eaux, les sédiments accumulés dans les ouvrages, et le sol sous-jacent (Banc, 2021, Dang, 2023). Les processus physiques, les processus chimiques et physico-chimiques et les processus biologiques sont les trois grandes catégories de processus qui peuvent affecter la rétention et la mobilisation des polluants. Ces processus sont complémentaires des processus hydrologiques réagissant les écoulements surfaciques de l’eau et hydrodynamiques dans les sédiments et les sols. On comprend alors que la complexité des systèmes ait freiné le développement des outils intégrés adaptés à l’évaluation des risques en gestion des eaux pluviales. Toutefois, la problématique de la performance épuratoire pourrait bénéficier de la recherche en modélisation couplée entre flux hydriques et géochimie (Simunek et al. 2006), avec comme objectif de développement d’un outil pour mieux appréhender le comportement des micropolluants. 2. Verrous scientifiques En gestion des eaux pluviales, de nombreuses données expérimentales ont été collectées dans la littérature afin d’évaluer la capacité épuratoire de différents ouvrages : bassins, noues, fossés filtrants... (El Mufleh et al. 2012). La modélisation du fonctionnement hydrologique de ces ouvrages a fait l’objet de nombreux travaux au niveau international. En France, une plateforme a été développée au sein de l’observatoire en hydrologie urbaine de Lyon (OTHU) pour proposer des outils de simulation hydrologique à destination des opérationnels (CANOE-HYDROTOP) (Asry et al. 2023). Les flux de matières en suspension apportées par les eaux de ruissellement sont décrits à l’aide de modèles du domaine de la mécanique des fluides. Toutefois, peu de travaux de modélisation ont été menés dans le domaine de l’hydrologie qualitative. En effet, si la littérature est très riche en données sur la qualité des eaux et des sédiments qui s’accumulent en fond d’ouvrage, la compréhension des processus de transfert et la description de la spéciation chimique, à l’aide de modèles hydrogéochimiques reste peu développée (Vezzaro et al. 2012). Ces dernières années, des expérimentations en laboratoire associées à une modélisation géochimique ont permis de simuler l’influence du pH sur le relargage d’éléments traces et majeurs (Drapeau et al. 2017, Banc et al. 2021), mais une approche de transfert réactif à l’échelle de l’ouvrage est à développer, pour compléter le volet de modélisation quantitative (Cannavo et al. 2018), sur la base de travaux existants dans les équipes (Hanna et al., 2012). Les verrous scientifiques sont de trois ordres : 1) la description de systèmes géochimiques complexes/est-il possible de représenter de façon simplifiée mais suffisamment générique les eaux de ruissellement et les systèmes infiltrants ?, 2) la détermination des mécanismes prépondérants d’interaction en statique et en dynamique et 3) l’adaptation des outils de modélisation disponibles en hydrologie/transfert de contaminants. Drapeau (2017) et Banc (2021) posent des bases solides de construction d’un modèle géochimique de sédiment, qu’il conviendra de consolider et d’y adjoindre un modèle de description des eaux de ruissellement et des eaux présentes dans les ouvrages. Du fait de la présence de fractions particulaires porteuses de polluants pouvant compter jusqu’à 80/90% des concentrations totales, la méthodologie de détermination classique de mécanismes prépondérants d’interaction devra être questionnée. Il faudra s’appuyer à des fins de validation sur un ensemble de données relativement restreint à documenter précisément. Enfin la question de l’outil adapté à la fois à la description d’un système multicomposantes et à l’étude de l’interopérabilité avec des outils ou plateformes hydrologiques se pose si l’on souhaite que le projet vienne enrichir les outils proposés actuellement aux services opérationnels. 3. Déroulement de la thèse Afin de contribuer à la prise en compte des mécanismes de transfert de micropolluants métalliques dans les modèles de fonctionnement hydrodynamique et épuratoire, la démarche proposée repose sur l’utilisation de la modélisation géochimique et/ou hydrogéochimique pour la représentation des composantes de systèmes d’infiltration des eaux pluviales et la réactivité intra- et inter-composantes, associée à l’utilisation de données expérimentales issues de la littérature pour la calibration et la validation des mécanismes prépondérants. Le travail s’organisera en 5 phases : 1) Mois 1 à 6 : état de l’art des outils et démarches de modélisation, collecte de données expérimentales (collaboration avec les équipes du réseau Urbis en hydrologie urbaine Paris/Lyon/Nantes) 2) Mois 7 à 12 : construction des modèles géochimiques et des systèmes mécanistiques (eaux de ruissellement, sédiment, sol) après choix de deux/trois cas d’étude 3) Mois 13 à 24 : calibration et validation des systèmes réactionnels à partir des données expérimentales 4) Mois 25 à 28 : test à l’échelle d’un ouvrage de la faisabilité d’un couplage avec un modèle descriptif du fonctionnement hydraulique/hydrologique 5) Mois 29 à 36 : rédaction du manuscrit et soutenance Les données qui seront utilisées sont disponibles dans la littérature (par ex.articles d’état de l’art) ou auprès des partenaires. Plusieurs logiciels de modélisation géochimique, comme Phreeqc2 sont libres et téléchargeables en ligne. Il n’y a pas d’expérimentation prévue. Le risque principal réside dans les lots de données trop partiels, mais l’état des lieux initial devrait permettre de fournir des gammes de concentration pour les différents paramètres nécessaires. 4. Caractère innovant L’état des lieux réalisé à ce jour et les discussions en cours au niveau national dans le réseau Urbis montrent que, si les outils pour décrire le fonctionnement hydraulique des ouvrages de biofiltration sont bien développées, les connaissances sur les processus réactifs sont limitées (quelques articles). Pour développer la composante mécanistique épuratoire, une approche géochimique des systèmes apparaît comme complémentaire et très novatrice. Ce projet de thèse sera aussi l’occasion d’exploiter les données inter-observatoires du réseau Urbis. Le bilan des travaux de ces dernières années en géochimie mettra en avant les similitudes, les différences, les perspectives, avec une possibilité de valorisation. Cette action s’inscrira dans le groupe de travail « hydrologie et géochimie » du SNO Observil, pour bénéficier et contribuer à l’animation scientifique. Il s’agira aussi de tirer bénéfice des états de l’art existants dans la littérature pour dégager des tendances générales (méta-analyse et analyses statistiques). Enfin, l’innovation réside aussi dans l’intention d’étudier la faisabilité d’un couplage avec un outil de modélisation hydrodynamique. 5. Résultats attendus et valorisation Les résultats attendus sont de plusieurs ordres : 1) la production d’un ou plusieurs articles scientifiques. L’objectif 1 en terme de publications est un article de review pour conclure la phase 1 de la thèse 2) des présentations en conférence internationale (Novatech, ICUD), 3) le 3eme résultat est l’évaluation de la faisabilité du développement d’un module « géochimie » interopérable avec les modèles hydrologiques/hydrauliques à l’échelle de l’ouvrage.
Mots-clefs:	gestion eaux pluviales - métaux trace – sédiments – ouvrages d’infiltration – modèles de transfert réactif

Liste des sujets

Candidatures fermées