Sédimentation dans le bassin

La sédimentation ou décantation regroupe l'ensemble des phénomènes qui conduisent à la formation et au dépôt de particules en suspension sous l'action de la pesanteur. C'est ce phénomène qui va permettre de clarifier de l'eau en la laissant séjourner dans un bassin. Les mécanismes qui régissent ce phénomène sont complexes, en effet, l'interaction entre les particules est difficile à appréhender et intervient de façon important puisque plus les particules s'agglomèrent et plus la sédimentation est facilitée. Dans notre cas, le phénomène de sédimentation va s'opérer et permettre la diminution des matières en suspension dans l'eau. La quantité des éléments transportés dépend des caractéristiques du fluide, vitesse et viscosité, et de celles des particules elles-mêmes, taille, forme, densité. Ainsi, une particule en chute libre est soumise à la gravité, la poussée d’Archimède et à la force de traînée. Lorsque l’équilibre de ces forces est atteint, la vitesse limite de la particule est la vitesse de sédimentation Ws. On l'exprime de la manière suivante :

$Ws=\frac{(s-1) g d^2}{18\nu}$

 

$Ws$ : vitesse de sédimentation (m/s)
$s$ : $\frac{\rho s }{\rho eau}$
$\rho$ : masse volumique (kg/m3)
g : gravité (9,81 m/s2)
d : diamètre de la particule (m)
$\nu$ : viscosité cinématique (m2/s)

 

Nous allons chercher à connaître l'efficacité de la sédimentation dans le bassin en fonction des particules présentes dans l'eau et de la taille du bassin. Dans cette étude, nous négligerons les interactions entre les particules. Pour cela, nous allons comparer le temps de sédimentation nécessaire aux particules présentes dans l'eau pour décanter au temps de séjour de l'eau dans le bassin. Le temps de sédimentation sera calculé à partir de la vitesse de sédimentation et de la hauteur d'eau, et le temps de séjour de l'eau dans le bassin sera obtenu en utilisant la vitesse de l'eau dans le bassin et la longueur du bassin.

 

  • Les matières en suspension

La nature des matières en suspension joue un rôle très important dans la vitesse de sédimentation comme nous l'avons précisé précédemment. Nous allons donc donner les caractéristiques des particules que l'on trouve dans les bassins d'assainissement routier.

Dans sa thèse sur les potentialités de dépollution de l'eau et des sédiments de bassin d'assainissement routier par les plantes [15], Frédéric Triboit réalise une étude granulométrique des sédiments de 19 bassins d'assainissement  du sud-est de la France. Les résultats sont plus ou moins différents selon les bassins, mais on peut dégager une moyenne de ces résultats présentée dans le tableau ci-dessous.

  argiles limons sable
Taille de la particule (µm) <2 2-20 >20 
Diamètre moyen dans les mesures (µm) 1.5 15 400
Masse volumique (kg/m3) 1700 1620 1600
Part dans les sédiments du bassin 5% 30% 65%

Grâce à ces données, nous avons pu calculer la vitesse de sédimentation des différentes catégories de sédiments, puis en déduire le temps de sédimentation en considérant que la hauteur d'eau moyenne est de 1,5 m. Les résultats sont compilés dans le tableau ci-dessous.

 

  argiles limons sables
Ws (m/s) 7.8 e-7 6.9 e-5 1,2 e-2
temps de sédimentation (s) 1,9 e6 2,2 e4 1,25 e2

 

  • Différence entre le temps de séjour et le temps de sédimentation

Le temps de séjour dans le bassin varie en fonction des événements pluvieux. Nous avons décidé de nous intéresser à deux cas comme pour l'analyse de l'efficacité du traitement par les plantes.

Le premier cas concerne un événement pluvieux biennal de 3 heures, et le deuxième se situe entre deux événements pluvieux.

La vitesse pendant le premier cas est de 0,022 m/s en moyenne (voir la page données nécessaires à la modélisation). La longueur du bassin est de 50 m c'est ainsi que nous avons pu établir que le temps de séjour de l'eau dans le bassin durant un épisode pluvieux du type biennal est de 2500 s c'est à dire de 41 min.

125 s < 2500 s < 22000 s < 1900000 s

En comparant ce temps de séjour aux temps de sédimentation des différentes classes de taille de particules comme ci-dessus, on remarque que dans le cadre du premier cas étudié, seules les particules les plus grosses (les sables) sont en mesure de décanter avant de sortir du bassin. Cela semble cohérent, car le temps de séjour de 41 min est faible pour permettre une bonne décantation des particules en suspension. Même si les limons et les argiles ne décantent pas, le phénomène de décantation dans le bassin est tout de même intéressant puisque les sables sont la classe granulométrique la plus représentée dans le bassin, et qu'un événement pluvieux biennal est tout de même très intense et donc pas représentatif de ce qu'on peut observer tout au long de l'année.

 

Pour le second cas, entre deux épisodes pluvieux, nous n'allons pas parler de vitesse d'eau puisque qu'on peut considérer le bassin comme immobile (pas d'entrées d'eau donc pas de sorties d'eau, seul le volume mort est utilisé). Nous allons nous baser sur un temps de séjour, de 7 jours correspondant à un intervalle entre deux pluies d'une semaine. dans ce cas, le temps de séjour de l'eau dans le bassin est de 604800 s.

125 s  < 22000 s < 604800 s < 1900000 s

Si on compare ce temps de séjour aux temps de sédimentation des différentes particules, on observe que dans ce cas, les limons décanteraient tout comme les sables. Par contre, les argiles sont toujours en suspension au moment où l'eau sortira du bassin. En effet, le temps de séjour nécessaire pour que les argiles décantent est de 22 jours. Cela représente un temps important entre deux pluies. On peut donc considérer que le bassin ne permettra pas la décantation des argiles de manière générale. Celle-ci ne s'opérera que durant de longues périodes sans pluie (>21jours).

 

  • Comparaison des résultats au diagramme de Hjuström

Le diagramme de Hjuström (ci-dessous) permet de considérer l'attitude des différentes particules en fonction de la vitesse du courant. Dans le premier cas (pluie biennale), la vitesse de l'eau dans le bassin est de 22 cm/s. C'est une vitesse importante, mais d'après ce graphique, elle ne permet pas l'érosion et donc la mise en suspension de particules qui se seraient déposées préalablement ce qui est très intéressant. Cependant, c'est une vitesse qui reste tout de même trop importante pour permettre le dépôt de toutes les particules. Ainsi, ce diagramme confirme ce que nous avons pu constater préalablement, à savoir que durant une pluie biennale, seuls les sables décanteront et dans le cadre d'une vitesse quasiment nulle entre deux pluies, les limons et les sables décanteront mais pas les argiles.

Diagramme de Hjuström simplifié

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