Soutenance de la thèse de Sofia BOUARAFA
Jeudi 3 octobre 2019
"Caractérisation hydrodynamique des sols non-saturés par infiltration des fluides newtoniens et non newtoniens : Application aux SuDS".
Résumé :
Lors d’un évènement pluvieux, les eaux ruisselées sur les surfaces urbaines sont dans certains cas dirigées vers des dispositifs d’infiltration appelés SuDS (Sustainable drainage systems) caractérisés par une grande diversité des matériaux (sable, graviers, bitume, couverture végétale, etc.) à granulométrie et structure porale hétérogènes. Ces ouvrages d’infiltration concentrent également les éléments polluants lessivés par le ruissellement dont l’infiltration constitue un risque de dégradation de la qualité des eaux souterraines. Ainsi, la quantification et la caractérisation de l’hétérogénéité structurale des matériaux en place est nécessaire pour mieux comprendre et modéliser le comportement hydraulique des ouvrages, en particulier, vis-à-vis de la présence d’écoulements préférentiels. Si les techniques fondées sur l’infiltration d’eau donnent accès à une valeur du rayon de pores hydrauliquement fonctionnels, il n’existe pas de méthode in-situ permettant d’évaluer de manière précise, rapide et non destructive la répartition des rayons de pores. Il a été montré récemment au laboratoire que l’infiltration de fluides non newtoniens permettait d’établir une distribution des rayons de pores d’un sol. Le but scientifique de la thèse est donc de développer une méthodologie d’étude de l’hétérogénéité structurale du sol à l’aide de la caractérisation hydrodynamique in-situ des SuDS par des techniques d’infiltrométrie. Les essais d’infiltration ont été réalisés sur quatre SuDS localisés à Lyon (France). La première approche abordée a pour objectif de décrire le fonctionnement hydrodynamique des SuDS en se basant sur des essais d’infiltration d’eau par le dispositif Beerkan et par infiltrométrie à disque à multi-tensions. Les courbes d’infiltration Beerkan ont été analysées par les trois méthodes BEST (Beerkan estimation of soil transfer parameters): slope, intercept et steady. Ces méthodes permettent d’établir les paramètres hydrodynamiques ainsi que les paramètres de forme et d’échelle définissant les courbes caractéristiques en fonction de la teneur volumique en eau, q, à savoir : la courbe de rétention d’eau, h(q),et la courbe de conductivité hydraulique, K(q). Les courbes d’infiltration établies par les infiltromètres à disque ont été analysées par les méthodes analytiques connues et validées dans la littérature afin de définir la conductivité hydraulique saturée, Ks, et la soptivité S. Les résultats montrent que les trois méthodes BEST aussi bien que la méthode d’infiltrométrie à disque ont pu caractériser efficacement les ouvrages étudiés et ont pu révéler quelques dysfonctionnements hydrodynamiques relatifs à la présence de matière organique dans les sols, à l’érosion ou à la présence de végétation invasive. La deuxième approche abordée dans ce travail complète la précédente. Elle s’intéresse à la caractérisation de la distribution des pores effectifs par l’analyse de l’infiltration de l’eau et des fluides non newtoniens (solutions de concentration différentes de Xanthan). La distribution de rayons de pores effectifs est obtenue à l’aide du modèle ANA (du nom de ses concepteurs Abou-Najm et Atallah) qui n’a été appliqué jusqu’à maintenant que sur des milieux poreux synthétiques sous des conditions hydrauliques contrôlées en laboratoire. Ce modèle a été appliqué aux sols des ouvrages d’infiltration en développant un protocole de mesures et une méthode de calcul des paramètres d’entrée du modèle à partir des données expérimentales de terrain. Cela a été réalisé en combinant la méthode Beerkan, le modèle BEST et le modèle ANA. La comparaison des courbes de distribution des pores établies par l’approche classique d’estimation de la porosité effective par infiltrométrie a permis de confirmer son efficacité, d’identifier les limites des hypothèses considérées lors des calculs et de définir les perspectives envisageables pour améliorer la précision des résultats. Cette nouvelle approche de caractérisation des propriétés hydrodynamiques et de la porosité effective du sol est une alternative simple, non-invasive et à faible coût au suivi dans le temps du fonctionnement hydrodynamique des ouvrages SuDS.
Mots clés : infiltration, sol non saturé, SuDS, BEST, Modèle ANA, fluides non newtoniens
