Expérimentation et matériel de terrain
Animation : A.-K. Bittebiere
Le pôle technique Expérimentations et Mesures de Terrain a pour objectif de réunir, au sein d’une même structure, les moyens expérimentaux du laboratoire ainsi que les équipements d’instrumentation et d’échantillonnage de terrain, spécialisés dans l’étude des systèmes aquatiques
The aim of the technical division “Experiments and Field Measurements” is to gather, within a single structure, the laboratory's experimental resources and equipment for field instrumentation and sampling, to study aquatic ecosystems.Le pôle EMT regroupe cinq plateaux techniques répartis entre les sites de la Doua et de l'ENTPE : les espaces expérimentaux « les Étangs » et « Indoor » et les plateformes « Canal Hydraulique », « Instrumentation – Échantillonnage » et « Géophysique – Infiltrométrie ».
Trois personnels d'appui à la recherche y sont associés à 100% : Camille Lebrun (IE CNRS sur les environnements géo-naturels et anthropisés), Lucas André (Technicien de recherche et de formation de l'Université Claude Bernard Lyon 1) et Ludovic Guillard (IE CNRS en techniques expérimentales). Ces personnels sont fortement impliqués dans les projets du laboratoire en fonction de leurs compétences respectives et des priorités de recherche.
Pour faire fonctionner ce pôle, des réunions sont organisées tous les deux mois avec les responsables de plateformes et leurs utilisateurs. Ces réunions régulières permettent d'apporter des suggestions d'investissements ou de demande de postes, lors du Conseil Scientifique et Vie du Laboratoire. De plus, la visibilité des activités menées au sein de ce pôle est assurée au travers de séminaires réguliers (animation scientifique) permettant de présenter les questions scientifiques explorées, les nouveaux équipements et les moyens techniques développés.
L'inventaire du matériel disponible sur le pôle EMT est disponible ici.
Plateforme « Canal hydraulique »
(Responsable scientifique : Sara Puijalon)
Le canal hydraulique permet de créer des conditions hydrauliques contrôlées (courant, vagues, hauteur d'eau, turbulences etc.) afin d'étudier les interactions entre les organismes et les écoulements. Les problématiques abordées sont en lien avec les adaptations des organismes aux contraintes hydrodynamiques et avec les effets des organismes sur les écoulements (organismes ingénieurs).
Le canal hydraulique, d'une longueur de 8 m et d'une section transversale de 20 × 30cm (l × h) est alimenté par un circuit fermé (volume total : 3 m3). L'eau est mise en mouvement par un batteur à vagues et/ou deux pompes à fréquence variable, asservies par un débitmètre électromagnétique. Il est ainsi possible de créer une diversité d'écoulements : débits et vitesses variables (jusqu'à 1ms-1) associés ou non à des vagues. Il est équipé avec un vélocimètre acoustique Doppler (ADV, Nortek Vectrino Profileur) permettant des mesures 3D haute résolution de vitesses et de turbulences sur un profil de plusieurs cm. Le canal peut être équipé par des capteurs de force mesurant les contraintes qui s'exercent sur les organismes et des dispositifs de mesures optiques (caméras...).
Figure 1. Photographies du canal hydraulique.
Plateforme « Espace expérimental les étangs »
(Responsable scientifique : Sara Puijalon)
Le plateau « Espace expérimental les étangs » localisé sur le campus de la Doua est constitué d'un enclos expérimental en plein air, d'une surface supérieure à 1 ha. Il comprend deux étangs, un rucher, une prairie et une zone boisée. Ces différents éléments sont utilisés depuis de nombreuses années pour des activités d'enseignement mais aussi pour des activités de recherche. Ainsi, ce plateau technique comporte également plusieurs installations expérimentales :
- deux rivières artificielles de grandes dimensions (4 × 10 m, largeur 1 m)
- cinq petites rivières (7 m, section 20 × 20 cm)
- deux zones modulables pouvant accueillir des mésocosmes et des enclos expérimentaux (dalle bétonnée et zone de prairie)
- quatre bassins d'eau stagnante
- une trentaine de piézomètres
Ces installations sont alimentées par un pompage d'eau de nappe. Elles sont utilisées pour des expérimentations sur différents modèles biologiques : microorganismes, végétaux aquatiques, macroinvertébrés, amphibiens.
Figure 2. Photographies de la plateforme expérimentale des étangs de la Doua. A gauche : un des deux étangs présents sur la zone ; à droite : les rivières artificielles.
Plateforme « Espace expérimental indoor »
(Responsable scientifique : Sandrine Plenet)
L'espace expérimental indoor est dédié à la culture, l'élevage et l'expérimentation en conditions contrôlées sur de multiples organismes (biofilms, plantes, invertébrés). Il comprend actuellement 10 chambres climatiques de surfaces variables allant de 3 m2 à 25 m2. Ces chambres permettent un contrôle de la température sur une gamme de 8 à 26°C, ce qui permet de satisfaire aux contraintes des organismes issus du milieu superficiel ou souterrain, aux conditions d'estivation/hibernation ou à reproduire des conditions de terrains extrêmes (îles Kerguelen) par exemple. Elles sont également équipées de dispositifs d'éclairage avec une programmation possible de la photopériode et de matériels pour l'élevage ou cultures en conditions aquatiques (bulleurs, pompes). Ces chambres fonctionnent toute l'année et sont utilisées par toutes les équipes du LEHNA.
Figure 3. Photographies de la plateforme expérimentale indoor. A gauche, les équipements disponibles dans les chambres froides ; au centre et à droite : deux exemples d'utilisation pour des cultures de macrophytes des Iles Kerguelen et des élevages de gastéropodes de l'espèce Physa acuta.
Plateau « Géophysique-Infiltrométrie »
(Responsable scientifique : Laurent Lassabatère)
Cette plateforme a pour objectif de caractériser in situ les structures sédimentaires fluviatiles ainsi que leurs propriétés hydrauliques. Il comprend le matériel de mesures géophysiques permettant l'investigation de structures sédimentaires en milieu terrestre et aquatique tel que deux radars géologiques ou GPR (SIR 3000 et SIR 4000) et ses quatre antennes (900 Mhz, 400 Mhz, 200 Mhz et 100 Mhz) et un sondeur de sédiments de type Chirp ou Sub Bottom Profiler (5 kHz- 15 kHz). De plus, le plateau comprend le matériel associé à ces techniques d'investigation : GPS différentiel, bathymètre mono faisceau, systèmes de carottage, embarcation adaptée pour réaliser des profils géophysiques. Au niveau hydrologique, deux infiltromètres à disque ainsi que le matériel nécessaire à des essais de type Beerkan automatisés, sont disponibles.
Les travaux de recherche menés en infiltrométrie sur cette plateforme, visent à optimiser à la fois les protocoles et dispositifs expérimentaux, ainsi que les méthodes de traitement et de modélisation des résultats. En particulier, la méthode Beerkan (infiltration d'un volume d'eau à travers un anneau posé directement sur le sol) et la méthode BEST (Beerkan Estimation of Soil Transfer parameters, algorithme de traitement des données issues de la méthode Beerkan) permettent une estimation complète des propriétés hydrodynamiques des sols, notamment : (i) la rétention d'eau par capillarité, (ii) et la conductivité hydraulique, en conditions saturées et non saturées.
Les méthodes classiquement utilisées, telles que la méthode BEST, reposent sur l'hypothèse d'un sol homogène favorisant un écoulement matriciel, sans écoulements préférentiels. Les recherches actuelles visent, au contraire, à étendre ces approches à des contextes de physique plus complexe, intégrant notamment les écoulements préférentiels liés à la macroporosité, ou encore l'inhibition de l'infiltration due à l'hydrophobicité des sols. Des travaux sont ainsi menés afin d'alimenter les approches de modélisation conceptuelle en amont, permettant de proposer des formulations mathématiques adaptées à ces cas complexes, en vue de développer, in fine, des algorithmes de traitement adaptés à ces dynamiques hydriques spécifiques.
Figure 4. Utilisation du radar géologique pour la détermination du bulbe d'infiltration sous les dispositifs d'infiltrométrie (projet INFILTRON - Di Prima et al., 2020).
En complément des approches de modélisation, des recherches sont également menées pour développer des dispositifs d'infiltration améliorés (« augmentés »), intégrant notamment l'automatisation de la collecte de données, afin de permettre un déploiement intensif sur le terrain. Ces dispositifs peuvent également être couplés à des mesures non destructives, telles que le radar géologique (à disposition au LEHNA) ou la tomographie de résistivité électrique (collaboration avec l'INRAE). Les méthodes géophysiques offrent des informations précieuses sur les chemins de l'eau dans le sol, permettant ainsi de mieux comprendre les processus à l'origine de l'infiltration et de la distribution de l'humidité dans le sol. Par ailleurs, des efforts sont en cours pour développer l'usage de ces techniques pour l'injection et le suivi de nanotraceurs, dans le but de simuler in situ le comportement de polluants modèles (Projet INFILTRON). Ces travaux sont réalisés avec les collègues partenaires et notamment l'INRAE et l'ILM sur la place lyonnaise.
L'ensemble de ces travaux de recherche vise à fournir des outils aux chercheurs, et à terme aux praticiens et gestionnaires d'ouvrages ou de surfaces d'infiltration, souhaitant quantifier et caractériser les fonctions d'infiltration et de filtration des polluants dans les ouvrages d'infiltration et les sols urbains.
Plateau « Instrumentation-Echantillonnage »
(Responsable scientifique : Emilien Luquet)
Ce plateau est dédié à la centralisation d'outils et de compétences liées à l'instrumentation et à l'échantillonnage de terrain. Il comprend trois embarcations, permettant d'accéder à divers milieux aquatiques :
1. Vedette en aluminium (6 m) – Conçue par le chantier naval Méta (Tarare, 69), cette embarcation est conçue pour naviguer en eaux vives peu profondes, grâce à son très faible tirant d'eau et son profilage. Elle est équipée d'un moteur 50 cv.
2. Bateau pneumatique à quille blindée (5 m) – Également fabriqué par Méta, ce bateau offre une résistance et une stabilité exemplaire, permettant d'accéder aux secteurs les plus accidentés (affleurement rocheux, …). Il est doté d'un moteur de 50 cv.
3. Bateau pneumatique « léger » (3.8 m, < 100 kg) – Produit par Yamaha et équipé d'un moteur de 20 cv, il permet l'exploration des annexes fluviales (lônes) et des secteurs dépourvus de descentes à bateaux.
Le transport des remorques de ces deux bateaux nécessite un permis spécifique (B96).
En complément, des petits bateaux pneumatiques (<2m) très légers, maniables à la rame ou équipés d'un moteur électrique de 2,5cv, sont également disponibles.
Le plateau est équipé pour la pêche scientifique avec plusieurs groupes électrogènes thermiques, sélectionnés selon les caractéristiques du milieu et de la technique de pêche employée (trois appareils fixes de 8, 9 et 13 kW, un portable de 3 kW, tous réglables en tension et intensité). Un groupe de pêche sur batterie est également disponible, offrant un contrôle précis des paramètres, des options de configuration rapide et la possibilité de mémoriser et rappeler les réglages électriques.
L'équipement comprend aussi le matériel nécessaire à l'échantillonnage des macro-invertébrés benthiques et de la faune interstitielle (e.g. filet surber, filet de dérive, tamis), des instruments classiques de mesure de la qualité physico-chimique de l'eau (e.g. sondes multi-paramètres) et des paramètres physiques (e.g. courantomètres) ainsi que des sondes de mesure en continu (température, conductivité, hauteur d'eau, oxygène dissous) mises à disposition pour l'instrumentation de sites d'étude ponctuels.
Figure 5. Exemples d'embarcations disponibles sur la plateforme Instrumentation – Echantillonnage.
The EMT technical division comprises five technical platforms spread across the Doua and ENTPE sites: the "Les Étangs" and 'Indoor' experimental areas, and the "Hydraulic Canal," "Instrumentation -- Sampling," and "Geophysics -- Infiltrometry" platforms.
Three research staff are involved in EMT: Camille Lebrun (CNRS engineer specialized in geo-natural and anthropized environments), Lucas André (research and training technician at the Claude Bernard Lyon 1 University), and Ludovic Guillard (CNRS engineer specialized in experimental techniques). These staff members are heavily involved in the laboratory's projects according to their respective skills and research priorities.
To ensure the smooth running of this technical division, meetings are held every two months with platform managers and their users. These regular meetings provide an opportunity to make suggestions for investments or for the opening of new positions during the Scientific and Life Council meetings of the lab. In addition, the visibility of the activities carried out within this technical division is ensured through regular seminars (scientific events) that present the scientific questions being explored, new equipment, and the technical resources developed.
The inventory of equipment available at EMT is available here.
"Hydraulic channel" platform
(Scientific director: Sara Puijalon)
The hydraulic channel platform allows to create controlled hydraulic conditions (current, waves, water depth, turbulence, etc.) to study the interactions between organisms and flows, in particular the adaptation of organisms to hydrodynamic constraints and the effects of organisms on flows (engineer organisms).
The hydraulic channel, which is 8 m long and has a cross-section of 20 × 30 cm (l × h), is fed by a closed circuit (total volume: 3 m3). The water is set in motion by a wave maker and/or two variable frequency pumps, controlled by an electromagnetic flow meter. This creates a variety of flows: variable flow rates and velocities (up to 1 m/s) with or without waves. It is equipped with an acoustic Doppler velocimeter (ADV, Nortek Vectrino Profiler) enabling high-resolution 3D measurements of velocities and turbulence over a profile of several centimeters. The channel can be equipped with force sensors measuring the stresses exerted on organisms and optical measuring devices (cameras, etc.).
Figure 1. The hydraulic channel.
"Les étangs" experimental platform
(Scientific director: Sara Puijalon)
The platform "les étangs", located on the Doua campus, consists of an open-air experimental enclosure covering more than 1 ha. It includes two ponds, an apiary, a meadow, and a wooded area. These various elements have been used for many years for teaching activities as well as research. This technical platform also includes several experimental facilities:
- two large artificial rivers (4 × 10 m, width 1 m)
- five small rivers (7 m, section 20 × 20 cm)
- two modular areas that can accommodate mesocosms and experimental enclosures (concrete slab and meadow area)
- four stagnant water basins
- approximately thirty piezometers
These facilities are supplied by groundwater pumping. They are used for experiments on different biological models: microorganisms, aquatic plants, macroinvertebrates, and amphibians.
Figure 2. Photographs of the experimental platform. Left: one of the two ponds in the area; right: artificial rivers.
Indoor Experimental Facility
(Scientific Director: Sandrine Plenet)
The indoor experimental facility is dedicated to the cultivation, breeding, and experimentation under controlled conditions on multiple organisms (biofilms, plants, invertebrates). It currently comprises 10 climate chambers ranging in size from 3 m2 to 25 m2. These chambers allow temperature control over a range of 8 to 26°C, which allows to meet the requirements of organisms from surface or underground environments, summering/hibernation conditions, or to reproduce extreme terrain conditions (e.g., as in the Iles Kerguelen), for example. They are also equipped with lighting devices with programmable photoperiods and equipment for breeding or cultivation in aquatic conditions (bubblers, pumps). These chambers operate year-round and are used by all LEHNA teams.
Figure 3. Photographs of the indoor experimental platform. On the left, equipment available in climate chambers; in the center and on the right: two examples of use - for cultures of plants from the Iles Kerguelen, and for the breeding of Physa acuta gastropods.
Geophysics-Infiltrometry Platform
(Scientific Director: Laurent Lassabatère)
The purpose of this platform is to characterize fluvial sedimentary structures and their hydraulic properties in situ. It includes equipments for investigating sedimentary structures in terrestrial and aquatic environments, such as two geological radars or GPRs (SIR 3000 and SIR 4000) and their four antennas (900 MHz, 400 MHz, 200 MHz, and 100 MHz), as well as a Chirp or Sub Bottom Profiler sediment sounder (5 kHz-15 kHz). In addition, the platform includes equipment associated with these investigation techniques: differential GPS, single-beam bathymeter, coring systems, and a boat adapted for geophysical profiling. In terms of hydrology, two disc-infiltrometers and the equipment necessary for automated Beerkan-type tests are available.
The infiltration research conducted on this platform aims to optimize both experimental protocols and devices, as well as methods for processing and modeling results. In particular, the Beerkan method (infiltration of a volume of water through a ring placed directly on the ground) and the BEST method (Beerkan Estimation of Soil Transfer parameters, an algorithm for processing data from the Beerkan method) enable a comprehensive assessment of the hydrodynamic properties of soils, including: (i) water retention by capillarity, (ii) and hydraulic conductivity, under saturated and unsaturated conditions.
Conventional methods, such as the BEST method, are based on the assumption of a homogeneous soil promoting matrix flow, without preferential flows. Current research, on the other hand, aims to extend these approaches to more complex physical contexts, notably incorporating preferential flows linked to macroporosity, or even the inhibition of infiltration due to soil hydrophobicity. Work is therefore being carried out to feed into upstream conceptual modeling approaches, enabling mathematical formulations adapted to these complex cases to be proposed, with a view to ultimately developing processing algorithms adapted to these specific water dynamics.
Figure 4. Use of geological radar to determine the infiltration bulb under infiltration measurement devices (INFILTRON project - Di Prima et al., 2020).
In addition to modeling approaches, research is also being conducted to develop improved ("augmented") infiltration devices, including automated data collection, to enable intensive deployment in the field. These devices can also be coupled with non-destructive measurements, such as geological radar (available at LEHNA) or electrical resistivity tomography (collaboration with INRAE). Geophysical methods provide valuable information on water pathways in the soil, thereby providing a better understanding of the processes underlying infiltration and moisture distribution in the soil. In addition, efforts are underway to develop the use of these techniques for the injection and monitoring of nanotracers, with the aim of simulating the behavior of model pollutants in situ (INFILTRON Project). This work is being carried out with other colleagues, notably from INRAE and ILM in Lyon.
All of this research aims to provide tools to researchers, and ultimately to practitioners and managers of infiltration structures or surfaces, who wish to quantify and characterize the infiltration and filtration functions of pollutants in infiltration structures and urban soils.
Instrumentation and Sampling Platform
(Scientific Director: Emilien Luquet)
This platform is dedicated to centralizing tools and expertise related to field instrumentation and sampling. It includes three boats, providing access to various aquatic environments:
1. Aluminum speedboat (6 m) -- Designed by the Méta shipyard (Tarare, 69), this boat is designed to navigate shallow water, thanks to its very shallow draft and profiling. It is equipped with a 50 hp engine.
2. Inflatable boat with reinforced keel (5 m) -- Also manufactured by Méta, this boat offers exemplary strength and stability, allowing access to the most rugged areas (rock outcrops, etc.). It is equipped with a 50 hp engine.
3. "Light" inflatable boat (3.8 m, < 100 kg) -- Manufactured by Yamaha and equipped with a 20 hp engine, it allows exploration of river tributaries (lônes) and areas without boat ramps.
A specific license (B96) is required to tow the trailers for these two boats.
In addition, small, very light inflatable boats (<2m) that can be rowed or equipped with a 2.5hp electric motor are also available.
The platform is equipped for scientific fishing with several thermal generators, selected according to the characteristics of the environment and the fishing technique used (three fixed devices of 8, 9, and 13 kW, one portable device of 3 kW, all adjustable in voltage and intensity). A battery-powered fishing unit is also available, offering precise control of parameters, quick configuration options, and the ability to store and recall electrical settings.
The equipment also includes the necessary equipment for sampling benthic macroinvertebrates and interstitial fauna (e.g., Surber net, drift net, sieve), conventional instruments for measuring the physico-chemical quality of water (e.g., multi-parameter probes) and physical parameters (e.g., current meters), as well as continuous measurement probes (temperature, conductivity, water depth, dissolved oxygen) made available for the instrumentation of specific study sites.
Figure 5. Examples of boats available on the Instrumentation -- Sampling platform.