La lecture en ligne est gratuite
Le téléchargement nécessite un accès à la bibliothèque YouScribe
Tout savoir sur nos offres
Télécharger Lire

INSA de Strasbourg Spécialité GENIE CIVIL

De
127 pages
Niveau: Supérieur
INSA de Strasbourg – Spécialité GENIE CIVIL Projet de fin d'études Rapport final Ré-oxygénation des eaux stagnantes des rivières et cours d'eau par ouvrages hydrauliques spécifiques Travail réalisé à l'Université de Liège (Belgique), Laboratoire HACH, sous tutelle de M. Erpicum, gestionnaire du laboratoire. PENIN Pierre, élève ingénieur de 5ème année Juin 2010

  • eau par ouvrages hydrauliques

  • département de chimie appliquée

  • conception des prototypes aérateurs

  • laboratoire d'hydraulique des constructions de l'université

  • civil

  • entrainement d'air dans les écoulements


Voir plus Voir moins





INSA de Strasbourg – Spécialité GENIE CIVIL

Projet de fin d’études
Rapport final

Ré-oxygénation des eaux stagnantes des rivières et cours
d’eau par ouvrages hydrauliques spécifiques









Travail réalisé à l’Université de Liège (Belgique), Laboratoire HACH, sous tutelle de
M. Erpicum, gestionnaire du laboratoire.


èmePENIN Pierre, élève ingénieur de 5 année
Juin 2010  Institut National des Sciences Appliquées de Strasbourg Année 2010
Département Génie Civil
Résumé du contenu du projet de fin d’études
Réalisé par Pierre PENIN pour l’obtention du diplôme d’Ingénieur INSA Génie Civil.
Tuteur école : Abdellah GHENAIM
Tuteur entreprise : Sébastien ERPICUM

Ré-oxygénation des eaux stagnantes des rivières et cours d’eau par ouvrages
hydrauliques spécifiques
Les cours d’eau, naturels ou artificiels, présentant un manque de brassage et une
topographie monotone peuvent présenter un manque d’oxygène dissous dans l’eau. Cette
situation représente un danger pour la faune et la flore aquatique et plus généralement dégrade
la qualité du milieu.
Une solution est d’agir en amont sur l’oxygénation de l’eau. Le but de ce projet est de
comparer différentes géométries d’ouvrages hydrauliques pouvant répondre à la
problématique. Le taux d’oxygénation de l’eau est en rapport direct avec la capacité de
l’écoulement à entrainer de l’air avec lui. La théorie traite donc de l’entrainement d’air dans
les écoulements. C’est sur cette base que seront menées les études. Elles sont guidées par les
contraintes réelles auxquelles les ouvrages doivent satisfaire afin de se comporter comme des
systèmes aérateurs. Trois systèmes sont ici imaginés, dimensionnés et testés en laboratoire. Ce
projet est articulé de la façon suivante :
• Position du problème
• Etat de l’Art résumant les connaissances déjà acquises sur l’entrainement d’air
dans un écoulement.
• Conception des prototypes aérateurs
• Mise en place d’un protocole et d’un dispositif d’essais
• Campagne d’essais
• Analyse et interprétation des résultats
• Enseignements et perspectives
Finalement, ce sont des dispositions constructives qui seront conseillées lors de la
mise en œuvre d’ouvrages hydrauliques aérateurs. Les différents paramètres identifiés comme
intervenant dans le phénomène d’aération de l’eau au cours de l’étude sont enfin classés en
fonction de leur poids dans l’efficacité des ouvrages, ce qui précise les choix de conception à
imposer pour garantir le bon fonctionnement d’un ouvrage hydraulique destiné à l’aération de
l’eau.  Remerciements

Je tiens en premier lieu à remercier mon tuteur entreprise, Sébastien Erpicum, pour
son accueil, sa disponibilité, le temps qu’il a consentis à m’offrir et son aide précieuse dans
l’avancement de ce projet.
Je tiens ensuite à exprimer ma reconnaissance à mon tuteur INSA, M. Ghenaïm, pour
son encadrement et ses conseils.
J’adresse aussi mes plus sincères remerciements à l’ensemble du personnel du
département ArGEnCo pour leur sympathie et leurs conseils, notamment Pierre Archambeau
et Damien Noel.
Je tiens à saluer chaleureusement l’équipe des techniciens du Laboratoire
d’Hydraulique des Constructions de l’Université de Liège qui ont permis la tenu des essais
par leur savoir-faire, c’est-à-dire Alain Dewart, Didier Lalleman, Maurice Salme, Denis
Stouvenakers et Claude Lermeroute.
Ma reconnaissance va aussi à M. Nonet de l’ASBL CEBEDEAU pour ses
renseignements précieux et la fourniture de réactifs chimiques. J’associe à la réalisation de ce
travail la disponibilité et les savoirs de Thierry Salmon, du département de chimie appliquée
de l’Université de Liège.
Enfin je tiens plus particulièrement à remercier du fond du cœur mes parents pour
leurs encouragements constants et les sacrifices consentis afin que je puisse réaliser mes
études.







 Sommaire 
 
1. Introduction générale .................................................................................................... 1
2. Généralités ..................................................................................................................... 3
2.1. Historique du transport fluvial ........................................................................................ 3
2.2. Méandres et/ou bras morts .............................................................................................. 4
2.3. L’oxygène dissous dans l’eau ......................................................................................... 5
2.3.1.Rôle ......................................................................................................................... 5
2.3.2.Paramètres influents5
2.4. L’eutrophisation .............................................................................................................. 7
2.4.1.Principe .................................................................................................................. 7
2.4.2.Causes et conséquences7
2.5. Présence de méthane dans l’eau ...................................................................................... 9
2.6. Récapitulatif10
3. Etat de l’Art ................................................................................................................. 11
3.1. Introduction ................................................................................................................... 11
3.2. L’entrainement d’air ...................................................................................................... 11
3.2.1.Etude des bulles d’air ........................................................................................... 12
3.2.2.Hauteur de chute .................................................................................................. 17
3.2.3.Hauteur d’eau aval ............................................................................................... 17
3.2.4.Surface d’interface eau-air .................................................................................. 18
3.2.5.Rapport de déficit ................................................................................................. 18
3.3. Dispositifs existants ....................................................................................................... 19
3.3.1.Barrage de Petit-Saut, Guyane ............................................................................ 19
3.3.2.L’aération par apport d’énergie extérieure ......................................................... 21
3.4. Récapitulatif .................................................................................................................. 22
4. Dispositifs d’aération .................................................................................................. 24
4.1. Introduction ................................................................................................................... 24
4.2. Les règles de similitude ................................................................................................. 25
4.2.1.Généralités ........................................................................................................... 25
4.2.2.Les similitudes de Froude et Reynolds ................................................................. 26
4.3. Choix de l’échelle .......................................................................................................... 28
4.4. Analyse des paramètres théoriques ............................................................................... 29 4.4.1.Le paramètre déterminant, le diamètre des bulles ............................................... 29
4.4.2.Hauteur de chute optimale ................................................................................... 30
4.5. Conditions expérimentales ............................................................................................ 31
4.5.1.Débits d’expérimentation ..................................................................................... 31
4.5.2.Influence de la longueur déversante .................................................................... 35
4.5.3. Conditions atmosphériques ................................................................................. 36
4.5.4.L’oxygène dans l’eau du circuit du laboratoire ................................................... 37
4.6. Conception des prototypes 39
4.6.1.Contraintes et dimensionnement .......................................................................... 39
4.6.2.Matériaux utilisés ................................................................................................. 45
5. Protocole d’essais en laboratoire ............................................................................... 47
5.1. Dispositif expérimental 47
5.1.1.Le canal et son alimentation ................................................................................ 47
5.1.2.Les mesures de débits ........................................................................................... 47
5.1.3.Mesure du taux d’oxygène .................................................................................... 49
5.2. Déroulement de l’essai .................................................................................................. 49
5.2.1.Remplissage de la cuve ........................................................................................ 49
5.2.2.Intervention chimique50
5.2.3.Réalisation de l’essai50
5.3. Plannification et coûts ................................................................................................... 50
6. Résultats expérimentaux et analyses ......................................................................... 52
6.1. Ouvrage en labyrinthe ................................................................................................... 52
6.1.1.Débits observés .................................................................................................... 52
6.1.2.Effets sur le taux d’oxygène dissous dans l’eau ................................................... 52
6.1.3.Répétition de l’essai ............................................................................................. 58
6.1.4.Labyrinthe et dispositifs de cassure ..................................................................... 60
6.2. Ouvrage en chutes successives ...................................................................................... 63
6.2.1.Débits observés 63
6.2.2.Effets sur le taux d’oxygène dissous dans l’eau ................................................... 63
6.3. Ouvrage en conduite forcée ........................................................................................... 66
6.3.1.Débits observés .................................................................................................... 66
6.3.2.Effets sur le taux d’oxygène dissous dans l’eau67
6.4. Comparaisons et enseignements .................................................................................... 69 6.4.1.Introduction .......................................................................................................... 69
6.4.2.Importance de la profondeur aval et de la longueur déversante ......................... 70
6.4.3.Effets de l’éclatement de la lame d’eau ............................................................... 71
7. Conclusions .................................................................................................................. 73
7.1. Résultats des recherches ................................................................................................ 73
7.2. Perspectives ................................................................................................................... 75
7.3. Conclusion générale ...................................................................................................... 76
8. Bibliographie ................................................................................................................ 78
 
Annexes

 
 















 Table des figures 
Figure 1 : Déviation de l'Aube sur la commune de Juvanze .................................................................... 3 
Figure 2 : Exemple de bras mort ............................................................................................................. 4 
Figure 3 : Vie aquatique et besoins en O2 [16] ....................................................................................... 5 
Figure 5 : Variation de la concentration en oxygène dissous en fonction de la salinité [13] .................. 6 
Figure 4 : Variation de la tion d'oxygène dissous dans l'eau en fonction de la température 
[13] .......................................................................................................................................................... 6 
Figure 6 : Comparatif entre les zones rurales et urbanisées [5] ............................................................. 8 
Figure 7: Exemple de cours d'eau eutrophié ........................................................................................... 9 
Figure 8 : Illustration du principe de jet plongeant et annotations associées ...................................... 12 
Figure 9 : Trajectoire des bulles dans le bassin aval .............................................................................. 14 
Figure 10 : Variation de la vitesse d'une bulle en fonction de son diamètre ........................................ 15 
Figure 11 : Vue d'un bassin de réception du seuil oxygénant de Petit‐Saut [17].................................. 20 
Figure 12 : Seuil vue de l'aval en fonctionnement [17] ......................................................................... 21 
Figure 13 : Aération par pulvérisation [18] ........................................................................................... 21 
Figure 14 : Système à écoulement descendant [18] ............................................................................. 22 
Figure 15 : Esquisse d'un système "en escalier" ................................................................................... 25 
Figure 16 :  d'un  "en labyrinthe" ............................................................................... 25 
Figure 17 : Esquisse d'un système de conduite forcée  26 
Figure 18 :  du dispositif expérimentale .................................................................................. 33 
Figure 19 : Evolution des débits en fonction de la hauteur d'eau ........................................................ 34 
Figure 20 : Débit et hauteur d'eau au cours du temps (D=150 mm) .................................................... 35 
Figure 21 : débit en fonction de la charge (D=100mm) ........................................................................ 35 
Figure 22 : Débit et hauteur d'eau en fonction du temps (D=100mm) ................................................. 36 
Figure 23 : Epaisseur de la lame déversante au cours du temps .......................................................... 37 
Figure 24 : Taux de saturation de l'eau en oxygène dissous ................................................................. 38 
Figure 25 : Schéma de principe Labyrinthe ........................................................................................... 40 
Figure 26 : Mise en place Labyrinthe .................................................................................................... 42 
Figure 27 : Repère de calcul .................................................................................................................. 44 
Figure 28 : Mise en place et fonctionnement chutes ............................................................................ 45 
Figure 29 : Mise en place conduite forcée ............................................................................................ 46 
Figure 30 : Dispositif d'essai  49 
Figure 31 : Instrumentation de la cuve ................................................................................................. 50 
Figure 32 : Oxymètre, sonde et boitier  51 
Figure 33 : Pompes de remplissage ....................................................................................................... 52 
Figure 34 : Débit en fonction du temps Labyrinthe .............................................................................. 55 
Figure 35 : Résultats d'essai labyrinthe  56 
Figure 36 : Détermination des écarts relatifs ........................................................................................ 59 
Figure 37 : Dispositif de cassure en situation  60 
Figure 38 : Gain pour r en présence de cassures .................................................................................. 61 
Figure 39 : Débit en fonction du temps chutes ..................................................................................... 63 
Figure 40 : Résultats d'essais chutes successives  64 
Figure 41 : Débit en fonction du temps conduite forcée ...................................................................... 66 

Un pour Un
Permettre à tous d'accéder à la lecture
Pour chaque accès à la bibliothèque, YouScribe donne un accès à une personne dans le besoin