TRANSPORT DES MATIERES EN SUSPENSION relation avec le flux solide?

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1 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 Novembre 21 Mont St-Michel

2 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) 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.

3 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.

4 II. Etudes précédentes II.1. Typologie des crues et leur «pattern» Williams (1989): Crues univoques Chronique de débit et concentration relation concentration-débit Débit, l/s /1/ : 14: 16: 18: SSC, mg/l SSC, mg/l /1/ Débit, l/s

5 II. Etudes précédentes II.1. Typologie des crues et leur «pattern» Williams (1989): Crue à hystérésis Chronique de débit et concentration relation concentration-débit Débit, l/s /7/27 Date vs Débit, l/s Date vs SSC, mg/l 3: 5: 7: 9: 11: SSC, mg/l Débit, l/s 15/7/27

6 II. Etudes précédentes II.1. Typologie des crues et leur «pattern» Williams (1989): Crue complexe Chronique de débit et concentration relation concentration-débit /4/26 Débit, l/s /4/ : 6: 8: 1: SSC, mg/l Débit, l/s

7 II.2. Relation débit -MES II. Etudes précédentes MES mesurées, mg L MES mesurées MES estimées 1/12/ MES estimées, mgl -1 MES mesurées, mg L MES mesurées MES estimées 1/3/ MES estimées, mgl Débit, LS Débit, LS MES mesurées MES mesurées, mg L MES estimées 2/1/ MES estimées, mgl -1 Tout le type de patterns Débit, LS -1

8 III. Site d étude et métrologie 2 bassins versants emboîtés + Moulinet (4,5 km 2 ) Sélune + Oir (87 km 2 ) Oir Sélune Moulinet Sur le Moulinet (25-21) et sur l Oir (depuis fin 29) : 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 21

9 IV. Relations turbidité débit et turbidité -MES IV.1 Etalonnage des turbidimètres 4 3 MES, mgl Turbidité, FTU => Forte variabilité de la relation débit turbidité et [MES] turbidité au cours des crues 1/12/7 4-5/1/8 1-11/1/8 31/1/8 1/3/8 21/3/8 26/3/8 21/4/8 24/4/8 5/5/8 24/5/8

10 IV. Relations turbidité débit et turbidité -MES IV.2 Interprétation de la variabilité de la relation [MES]-turbidité Concentration de MES Granulométrie TURBIDITE Gippel (1995) Couleur de l eau Type de particules Hypothèses: le type de particules varie peu ; le turbidimètre utilisé (88 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.

11 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 Turbidité, FTU Carbonate de silicium 3 µm Carbonate de silicium 6,5 µm Silice 3 µm Sable fontainebleau µm Moulinet <125 µm Moulinet µm Concentration, g/l Le turbidimètre est très sensible à la concentration des MES les plus fines Turbidité = a (MES) fins + ε (MES) grossiers

12 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 6 Turbidité specifique, FTUmg -1 L µm 6,5 µm 3 µm µm <125 µm µm Carbonate de silicium Carbonate de silicium Silice Sable fontainebleu Sediment du Moulinet Sediment du Moulinet La turbidité spécifique décroît de manière exponentielle quand la taille des particules augmente

13 Turbidité spécifique, FTU/mg/L 1,2 1,,8,6,4,2, -,2 IV. Relations turbidité débit et turbidité -MES IV.3 Evolution de la turbidité spécifique à l échelle de la crue Moins de particules grossières en décrue et des particules plus fines? Particules plus grossières ou agrégats? Débit, L/s 1/12/27 4/1/28 1/1/28 31/1/28 1/3/28 4/1/ 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 turbidité spécifique /3/

14 Débit, l/s /3/ IV. Relations turbidité débit et turbidité -MES IV.3 Evolution de la turbidité spécifique à l échelle de la crue Relation entre la turbidité spécifique et la granulométrie des particules MES2 MES1 MES6 MES1 MES5 MES3,1, log d Taille, µm 4, 3,5 3, 2,5 2, 1,5 1,,5, SSC1 SSC2 SSC3 SSC4 SSC5 SSC6 Turbidité spécifique 1,4 1,2 1,,8,6,4 26/3/21 argile -2 µm limons:2-2 µm sables fins:2-2µm Taille, µm Turbidité = a (MES) fins + ε (MES) grossiers Turb. Spécifique =Turbidité/(MES) Turb. Spécifique augmente en décrue -lorsque les particules sont plus fines - lorsque la concentration des particules grossières diminue

15 V. Mesure de charriage V.1. Granulométrie des sédiments a) Courbe granulométrique méthode au tamis (grosses particules) Moulinet ,1,1,1, Taille en mm Bac amont sans nid d abeille MOU PB 2531 MOU Bac GB aval 2531 avec nid d abeille Deux courbes sont différentes. Les particules de diamètre supérieur à 8mm n ont pas été capable de passer le nid d abeille

16 V. Mesure de charriage V.1. Granulométrie des sédiments b) Courbe granulométrique, méthode au laser (particules fines) 1 Moulinet PB-GB 2531 Même courbe notamment pour les MES % Cumulés ,1, Taille en µm Bac aval avec nid d abeille MOU GB 2531 MOU PB 2531 Bac amont sans nid d abeille Deux courbes sont différentes pour les particules plus grossières que 2 µm

17 V. Mesure de charriage V.2. Relation entre les paramètres adimensionnels 1 d*5 d*9 1 seuil Shield Transport croissant Tau*max,1,1,1, Diamètre adimensionnel (d*) Les matières solides avec les diamètres d*5 sont toujours transportées Les matières solides avec les diamètres d*9 >3 µm ne sont pas transportées par le courant

18 V. Mesure de charriage V.3. Masse des matières solides transportées par charriage d5, mm /3/ /2/1 2 3/4/1 8/4/1 5/7/1 2/5/1 6/1/1 Qs (piégé), kg /2/1 2 8/4/1 6/1/1 5/7/1 1 1/6/1 3/4/1 25/3/ Qmax, l/s d5, mm d9, mm /5/1 13/9/1 6/1/1 8/4/1 25/3/1 26/2/1 5/7/1 Qs (piégé), kg /4/1 13/9/1 5/7/1 25/3/1 26/2/1 6/1/ Qmax, l/s d9,mm Plus Qmax est grand, plus d5 et d9 sont importants Plus d5 et d9 sont grands, plus Qs piégé est grand Pas de relation simple car le piège est sélectif=>granulo piégé privilégie les grosses particules transportées (d9 plus significatif?)

19 V. Mesure de charriage V.3. Masse des matières solides transportées par charriage 6 Qs(piégé) kg /4/1 8/4/1 5/7/1 25/3/1 26/2/ Qmax, l/s Plus Qmax est grand, plus Qs piégé est important, avec la réserve que le piège est sélectif et imparfait

20 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 d9 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?

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