SAINT-LOUIS Saint-Martin

Doctorant

Doctorant : IAPHY

ENTPE, Ecole Nationale des Travaux Publics de l'Etat
CNRS, UMR 5023 - LEHNA,
Laboratoire d'Ecologie des Hydrosystèmes Naturels et Anthropisés
3, Rue Maurice Audin
F-69518 Vaulx-en-Velin Cedex France

(+33) 04 72 04 71 14

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  I-Identification du projet de thèse

  1-Intitulé de la thèse :

  Développement d’outils et méthodes infiltrométriques pour la caractérisation des sols urbains et agricoles.

  Domaine(s) disciplinaire(s) de rattachement et spécialité(s): Physique du sol et chimie de l’environnement

  Mots clés: infiltrométrie, modélisation, infiltration de l’eau, sols agricoles, sols urbains, caractérisation hydrodynamique.

  2-Structure(s) ou laboratoire(s) d’accueil où sera localisé le doctorant (préciser si plusieurs localisations prévues) :

  ENTPE, UMR 5023 LEHNA-IAPHY (site ENTPE), Vaulx-en-Velin, Cedex

  Ecole Normale Supérieure d’Haïti, Rue Monseigneur Guilloux, Port-au-Prince

  3-Inscription en thèse

  Ecole Doctorale Chimie de Lyon
  Université de Lyon, établissement d’inscription : ENTPE

  4-Encadrement

  Directeur en France :
  Laurent LASSABATERE,
  ICTPE, ENTPE-LEHNA Lyon, HDR, Cette adresse e-mail est protégée contre les robots spammeurs. Vous devez activer le JavaScript pour la visualiser.

  Directeurs de thèse en Haïti:
  Rubenson MAREUS,
  Professeur, Ecole Normale Supérieure, Cette adresse e-mail est protégée contre les robots spammeurs. Vous devez activer le JavaScript pour la visualiser. Dieuseul PREDELUS,
  Professeur, Ecole Normale Supérieure, Cette adresse e-mail est protégée contre les robots spammeurs. Vous devez activer le JavaScript pour la visualiser.

  II-Résumé du projet de thèse
  1-Contexte et objectifs (enjeux, mise en perspective du sujet par rapport aux travaux de recherche

  récents, problématique) :

  La caractérisation hydrodynamique des sols est une étape préalable nécessaire à la compréhension des flux d’eau dans le sol et aux transferts des polluants. Ainsi, les propriétés hydrodynamiques des sols sont utilisées pour prédire l’infiltration de l’eau dans le sol (au cours des évènements pluvieux), le ruissellement en surface (et les problématiques d’érosion), les risques de contamination (transport des polluants par les eaux s’infiltrant). D’un point de vue aménagement des espaces urbains, agricoles et territoire, ces propriétés sont nécessaires pour les problématiques suivantes. Le développement des techniques alternatives de gestion des eaux pluviales (noues infiltrantes, bassins d’infiltration des eaux pluviales) requiert de bien connaitre la perméabilité des sols récepteurs, notamment en vue de l’installation de jardin « de pluie » (zones naturelles propices à l’infiltration), de nous infiltrantes, tranchées et puits d’infiltrations. L’infiltration à la source et la desimperméabilisation du tissu urbain permet de limiter les problématiques d’inondations en ville. Concernant la pollution, le contrôle de la pollution issue des friches urbaines et zones d’activités polluantes (déchetteries, sites de stockage et enfouissement des déchets) requiert aussi la connaissance de la perméabilité des sols. En effet, les déchets et ordures doivent être stockées sur des sols de perméabilités faibles (en l’absence de système dédié comprenant des barrière étanches). Enfin, en contexte agricole, la caractérisation hydrodynamique des sols permet d’optimiser l’arrosage pour éviter un gaspillage de l’eau et optimiser

  l’arrosage et pour limiter le ruissellement et la pollution par les engrais chimiques ou naturels.

  Nous visons par cette thèse à la mise au point d’un essai simple basé sur l’infiltration de l’eau au travers d’un anneau pour la caractérisation des propriétés hydrodynamiques. Cet essai qui repose sur le simple suivi de la quantité d’eau s’infiltrant au travers d’un anneau peut être optimisé et complété par des mesures complémentaires simples visant à tirer profit au maximum de l’information disponible. L’aspect modélisation est totalement partie prenante avec l’optimisation d’algorithme de traitement des données existant.

  2-Verrous scientifiques (problèmes scientifiques que le doctorant devra résoudre ou contribuer à résoudre) :

  Les techniques infiltrométriques sont en développement au sein de beaucoup d’équipe de recherche travaillant sur la physique du sol et sur les techniques de caractérisation hydrodynamiques des sols. Parmi cette technique, l’infiltration d’eau au travers d’un simple anneau (essai appelé Beerkan) attire l’attention car il est simple d’utilisation sur le terrain. Un simple anneau est enfoncé sur le sol, et des volumes d’eau connus sont successivement déposés dans l’anneau. Les temps successifs d’infiltration des divers volumes sont alors notés. La donnée obtenue, reliant le volume infiltré au temps, est alors modélisée de diverses manières. Ainsi, plusieurs algorithmes ont été développés, notamment autour de la méthode BEST (Angulo-Jaramillo et al., 2019). Des dispositifs plus sophistiqués et automatisés ont aussi été développés (Concialdi et al., 2020).

  Cet essai s’est révélé riche en information mais a aussi révélé ses limites. Pour certains sols avec des physiques particulières, sont soit difficiles à obtenir difficiles à modéliser avec des modèles actuels inadaptés. En particulier, les sols très hydrophobes donnent lieu soit à aucune infiltration soit à une donnée qui présente une forme difficilement modélisable par les algorithmes actuels. Les écoulements préférentiels présentent aussi un challenge particulier, avec une réponse qui ne permet pas actuellement de caractériser le comportement particulier et multimodal du sol. Enfin pour certains sols argileux, la mise en suspension des particules d’argile au cours de l‘essai et le colmatage induit du sol en surface se traduisent aussi par une physique plus complexe et non prise en compte par les algorithmes actuels. Il reste donc à optimiser cet essai, en le complémentant par des mesures complémentaires facile à obtenir sur le terrain et en adaptant les algorithmes de traitement.

  La thèse vise à répondre à ce double objectif. On cherche dans le cadre de cette thèse à agrandir le cadre d’application de l’essai Beerkan à ces physiques plus complexes, de sorte que le même test puisse servir pour toutes les configurations. Les aménagements de la méthode comprennent à la fois l’optimisation du protocole de l’essai ainsi que le développement des méthodes mathématiques de traitement des données.

  3-Déroulement de la thèse :

  La thèse se déroulera en deux temps principaux : (i) le premier axe concernera l’amélioration du protocole existant pour l’essai Beerkan et (ii) le second axe adaptera les algorithmes et traitements mathématiques aux physiques traitées.

  Concernant le protocole, les points suivants sont envisagés. En premier lieu, on veut rajouter au suivi de la quantité d’eau infiltrée (lame infiltrée) le suivi de la corolle d’humidification en surface autour de l’année. On s’est aperçu que pour les sols sableux et grossiers, l’humidification latérale du sol était peu importante alors qu’elle était très importante pour les sols fins. Le suivi de la couleur du sol en surface, révélateur du changement de la teneur en eau, sera donc rajouté à l’essai classique. Concernant les diverses physiques, les points suivants sont envisagés. Pour l’hydrophobicité, on testera la pré-humidification du sol avant l’essai ou l’utilisation de solutions chimiques simples (gomme de Xanthane) pour contrer l’hydrophobicité. Concernant les écoulements préférentiels, on réfléchira au rajout d’une membrane pour désactiver les macropores faciliter le contact entre l’eau et la matrice du sol.

  Concernant le développement des algorithmes mathématiques, de nouvelles équations et modèles seront proposés et développés pour prendre en compte l’hydrophobicité et les écoulements préférentiels. L’étudiant bénéficiera des connaissances et acquis sur le plan conceptuel développés par le laboratoire d’accueil français à ce niveau (Abou Najm et al., 2021 ; Lassabatere et al., 2019).

  Les divers outils seront codés en R-shiny permettant de créer une plateforme de traitement en ligne des données.

  Tous les dispositifs, méthodes et outils, y compris numériques, sont à disposition dans les laboratoires d’accueil. Les deux encadrants feront bénéficier de leur expertise en la matière. Cette thèse s’adossera en particulier aux projets INFILTRON à l’ENTPE.

  4-Calendrier et déroulement

  Le déroulement de la thèse s’appuiera sur la succession de période de 6 mois en France et en Haiti, de sorte à ménager des semestres de présence dans les deux pays pour chaque année. Saint-Martin aura un suivi par comité de pilotage (un par année) en France, comme de coutume pour la majorité des ED. Saint-Martin sera inscrit à l’ED Chimie de Lyon qui inclut aussi des aspects physiques de l’environnement. Le détail du calendrier est fourni dans une pièce complémentaire (tel que demandé par l’appel à candidature).

  III-Bibliographie

  Abou Najm, M.R., Stewart, R.D., Di Prima, S., Lassabatere, L., 2021. A Simple Correction Term to Model Infiltration in Water-Repellent Soils. Water Resour. Res. 57. https://doi.org/10.1029/2020WR028539

  Angulo-Jaramillo, R., Bagarello, V., Di Prima, S., Gosset, A., Iovino, M., Lassabatere, L., 2019. Beerkan Estimation of Soil Transfer parameters (BEST) across soils and scales. Journal of Hydrology 576, 239–261. https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2019.06.007

  Concialdi, P., Di Prima, S., Bhanderi, H.M., Stewart, R.D., Abou Najm, M.R., Lal Gaur, M., Angulo- Jaramillo, R., Lassabatere, L., 2020. An open-source instrumentation package for intensive soil hydraulic characterization. J. Hydrol. 582. https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2019.124492

  Lassabatere, L., Di Prima, S., Bouarafa, S., Iovino, M., Bagarello, V., Angulo-Jaramillo, R., 2019. BEST-2K Method for Characterizing Dual-Permeability Unsaturated Soils with Ponded and Tension Infiltrometers. Vadose Zone Journal 18, 180124. https://doi.org/10.2136/vzj2018.06.0124
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