Dimensionnement de zones humides artificielles

Nous avons utilisé les méthodes mises au point par MARIA A. ECONOMOPOULOU et VASSILIOS A. TSIHRINTZIS ([1] et [2]) pour dimensionner les deux principaux types de zones humides artificielles. Nous avons créé une feuille Excel pour automatiser le dimensionnement. Le principe et les différentes étapes du dimensionnement ont été détaillés dans la feuille Excel ci-dessous:

Fichier excel pour le dimensionnement de zones humides artificielles

Il est important de comprendre que les méthodes de dimensionnement proposées ne sont pas des méthodes de dimensionnement précises. En effet, elles permettent seulement d'avoir un ordre de grandeur de la surface nécessaire et des performances de la zone humide artificielle. Il n'existe aucune méthode de dimensionnement "précise", car les phénomènes mis en jeu sont complexes et difficiles à représenter.
Les auteurs de la méthode de dimensionnement proposent d'utiliser une loi cinétique d'ordre 1 par rapport aux nitrates pour la dénitrification, alors que d'autres paramètres entrent en jeu (comme la concentration en matière organique dans les eaux). Cependant, ces paramètres sont très difficiles à évaluer.

De plus, si on examine bien le bilan en polluants utilisé (proposé par Reed et al. [3]):


On se rend compte que la zone humide artificielle a été identifiée à un type de réacteurs idéaux en Génie des Procédés: le réacteur piston. Un réacteur piston correspond à plusieurs hypothèses: écoulement de type piston, pas de mélange axial.

Enfin, les lois proposées sont basées sur l'expérience et tentent de généraliser des conditions qui peuvent être très différentes d'un cas à l'autre.
Cependant, la méthode de dimensionnement est très bonne, il faut juste prêter un regard critique quant aux résultats. Pour montrer, l'écart qu'il peut y avoir entre une zone artificielle avec les performances voulues et une zone humide artificielle réelle, Economopoulou, M. A. et Vassilios A. Tsihrintzis [2] ont comparé les aires prédites par leurs méthodes pour plusieurs zones humides existantes de type SFS avec les aires réelles.

Extrait de [1]. Comparaison de l'aire prédite par la méthode avec l'aire réelle pour des zones humides de types SFS.

Considérations à prendre en compte lors du dimensionnement d'une zone humide artificielle:

Il est important d'implanter des zones humides artificielles sur des terrains très plats, car pour qu'une zone humide soit très efficace, il faut des pentes très faibles de l'ordre de 10-4 à 10-5. Si jamais le terrain n'est pas assez plat, il faudra l'aplanir.
On considère que si une zone humide est bien dimensionnée alors:
Avec, S: la pente de l'eau à la surface de la zone humide, L: la longueur dans le sens de l'écoulement de la zone humide, y: profondeur de la zone humide.
Dans les zones humides artificielles, y est généralement compris entre 0,1 et 0,6.
De manière générale, ce seront les zones humides artificielles de type SFS qui occuperont le moins de place pour les pentes très fortes. Cependant, pour des pentes de plus en plus fortes, les zones humides artificielles seront de plus en plus longues et de moins en moins larges.
Pour des zones humides de type FWS, il est préférable de choisir une végétation dans la zone humide très dense, ce qui permettra de stocker d'avantage d'eau dans la zone humide est d'augmenter ses performances. Le rapport L/W est généralement compris entre 2 et 5. On jouera sur le paramètre L/W, si on veut diminuer la surface occupée par la zone humide. En effet, plus L/W est grand, plus y augmente et donc plus la surface diminue (car S=V/y). Cependant, en contrepartie, la zone humide deviendra de plus en plus longue.
Le choix entre SFS et FWS dépendra donc de la surface disponible. S'il est possible de mettre une zone humide suffisamment longue dans le sens de l'écoulement, il vaudra peut être mieux mettre en place une zone humide de type SFS qui permet de supprimer les problèmes d'odeurs.
Pour des pentes très faibles et s'il n'y a pas d'habitants à proximité (qui pourraient être génés par l'odeur), il sera préférable d'utiliser une zone humide artificielle de type FWS.
Des considérations météorologiques doivent aussi être prises en compte. En effet, les zones humides de types SFS sont peu sensibles à la température par rapport aux zones humides de type FWS. Dans les régions froides ou en milieu tempéré, avec des hivers froids, il sera préférable de mettre une zone humide de type SFS. Dans les régions plus chaudes, il sera au contraire préférable de mettre une zone humide type FWS dont les performances seront améliorées grâce à la température.


Dimensionnement de zones humides artificielles:

Nous allons dimensionner des zones humides artificielles pour réaliser du post-traitement en sortie de station d'épuration pour réduire la pollution azotée. Nous nous intéresserons à deux cas particuliers:
- la station d'épuration de Brive
- la station d'épuration d'Allassac

Dans le dimensionnement, il faut prendre en compte l'influence de la température du courant entrant qui est normalement dans le cas de l'utilisation des zones humides pour le post-traitement différente de la température ambiante. Economopoulou, M. A. et Vassilios A. Tsihrintzis ont proposés une méthode pour prendre en compte cette différence. Ne disposant pas de données de température en sortie de station d'épuration, nous avons considéré que la température de l'eau dans la zone humide artificielle était la même que la température ambiante dans les deux cas.

Pour les deux cas, nous avons dimensionné les zones humides pour atteindre un taux d'abattement de la pollution azotée de 50% pour une température de 15°C (en hiver le taux d'abattement sera moins grand et le contraire en été). Le matériau de remplissage utilisé est du gravier de taille moyenne.

Références:

[1] Economopoulou, M. A. et Vassilios A. Tsihrintzis, V.A., 2003, "Design methodology and area sensitivity of horizontal subsurface flow constructed wetlands", Water Resour. Manage. 17, 147-174

[2] Economopoulou, M. A. et Vassilios A. Tsihrintzis, V.A., 2004, "Design methodology of Free Water Surface constructed wetlands", Water Resour. Manage. 18, 541-565

[3] Reed, S. C., Crites, R.W. et Middlebrooks, E.J., 1995, Natural Systems for Waste Management and Treatment, 2nd edn. McGraw-Hill, Inc, New York, U.S.A.

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Fonctionnement Dimensionnement: STEP de Brive