Transport pollution chimique dissoute

 

 

►Rappels sur les effets des nitrates/nitrites sur les poissons

 

    Nous avons souhaité modéliser le transport d'un polluant chimique dissous au sein d'une zone portuaire. En effet, ce type de pollution est typique d'un port et est très présente dans ce type de zones. Ce type de pollution est constitué d'anions et de cations, issus soit des bateaux (peinture de zinc par exemple), soit des poissons (nitrites/nitrates, voir explication dans la partie "Modélisation de notre zone d'étude" ici). Nous avons focalisé notre analyse sur le transport des nitrates, sachant que cette étude pourrait être appliquée aux autres ions en solution dans le port.

 

    Les nitrates ($NO_3^-$) et les les nitrites ($NO_2^-$) sont des éléments polluants présents de façon systématique les milieux aquatiques. Ces polluants ont pour origine les rejets de déjections animales dans l'étang de l'Or, mais aussi directement en mer par les poissons. Il est intéressant de remarquer que les concentrations de ces nitrites/nitrates ne doivent toutefois pas dépasser une certaine valeur limite : au delà, ces constituants deviennent nocifs  pour les différents poissons présents dans le milieu concerné.

    En effet, les excréments des poissons sont riches en ammoniaque ($NH_3$) et en ions amonium ($NH_4^+$). La toxicité des ions amonium dépend du pH mais nous n'entrerons pas dans ces détails. L'ammoniaque va alors réagir avec le dioxygène ($O_2$) dissout dans l'eau de mer pour former les nitrites et les nitrates. Un des problèmes engendrés par cette formation de nitrites est que ces éléments empêchent les poissons d'assimiler l'oxygène nécessaire à leurs survies. Les nitrates quant à eux favorisent l'apparition d'algues vertes qui vont venir s'attacher sur les murs du port mais aussi sur les bateaux ce qui est plus gênant et détériore par conséquent la peinture de la coque des bateaux.

 

 

►Un peu de chimie à propos des nitrates/nitrites

 

    Les équations chimiques régissant ces phénomènes sont rappelées ci-dessous :

$NH_4^+ +2H_2O -> NO_2^- + 8H^+ +6e^-$   x2

$O_2+4H^++4e^- ->2H_2O$ x3

 

    Le bilan de ces équations redox donne l'équation suivante, c'est la nitrosation :

$2NH_4^++3O_2 -> 2NO_2^-+4H^++2H_2O$

    De plus, selon certaines conditions les nitrites formés vont pouvoir réagir à nouveau avec l'oxygène dissous dans l'eau pour donner des nitrates selon l'équation suivante, c'est la nitration :

$2NO_2^-+O_2 -> 2NO_3^-$

 

 

    Et le bilan final s'écrit alors :

$2NH_4^++4O_2 -> 2NO_3^-+4H^++2H_2O$

 

    Il semble légitime de supposer que la quantité molaire de $O_2$ dissoute est nettement supérieure aux quantités molaires d'ammoniaque et d'ions amonium dissous. On peut donc penser qu'au bout d'un certain temps tous les $NH_3$ et $NH_4^+$ seront consommés par le $O_2$ dissous dans l'eau pour former des nitrites et enfin des nitrates. Nous considérerons les réactions totales et rapides. De ce fait, l'étude sera faite en partant d'une concentration relative en nitrites/nitrates de 1. Nos études qui suivent permettent de simuler un déversement accidentel ponctuel de polluant dans le port.

 

 

 

 

Etude nitrites/nitrates vent NE

    Nous rappelons que cette étude ainsi que la suivante permettent de simuler un déversement accidentel ponctuel de polluant dans le port.

►Fichier des paramètres de cette étude (fichier .cas) vent de 60 km/h du Nord-Est barrage ouvert

 

    Vous trouverez ici le fichier .cas en intégralité qui pilote le logiciel Telemac  pour simuler le transport des nitrites/nitrates avec un vent de Nord-Est.

fichier .cas de cette étude

 

►Zones de stockage d'un polluant dissous (Nitrites/Nitrates) dans le port vent Nord-Est de 60 km/h avec le barrage ouvert

 

    Pour cette étude, il n'est pas nécessaire d'étudier la configuration barrage fermé, car avec un vent du Nord-Est ou Nord-Ouest la côte de l'eau au barrage n'atteint jamais les +35cm NGF (comme démontré dans la partie Résultats>Etude courantologique, ici). Par conséquent, lorsque le vent souffle depuis le nord le barrage restera toujours ouvert.

    Cette étude est faite dans l'hypothèse où aucune pollution n'arrive dans l'arrière port : ni par le grau, ni par le canal venant de la mer. A l'instant initial, un polluant est injecté à la concentration 1 de façon uniforme sur toute la surface de la zone étudiée. Nous faisons ensuite calculer le logiciel Telemac avec les écoulements classiques. Ceci va nous permettre de savoir où réside le plus longtemps le polluant dans l'arrière port. Bien sûr, ceci n'est pas, en réalité, entièrement vrai, puisque l'étang va constituer une source de polluant quasi-infinie au même titre que la mer.

Ainsi, les résultats affichés sur cette page représentent la concentration en polluant qui reste dans le port, exprimée en pourcentage par rapport à la valeur initiale fixée à 100%.

    L'illustration 36 ci-dessous permet de comprendre ce qui se passe lorsque le vent souffle depuis le Nord-Est.

 

Illustration 36 : Évolution de la concentration d'un polluant dissous dans le temps

 

 

Interprétation :

    L'animation permet de remarquer que le vend de Nord-Est permet une dilution du polluant beaucoup plus rapide que dans le cas d'un vent de Sud-Est (cas suivant). Ceci semble logique puisque pour un vent de Nord-Est souffle depuis les terres vers la mer (et donc vers la voie d'évacuation des polluants) comme le montre l'illustration 37 suivante :

 

Illustration 37 : Simulation de la surface libre pour t=61000s

 

    Sur les illustrations suivantes 38 et 39 sont représentées les allures des champs de concentrations pour différents temps (t=16.520 puis t=60.060s). Et nous pouvons remarquer une élévation de la surface libre orientée dans le même sens que le vent.

 

Illustration 38 : Concentration dans le port à t=16.520s         Illustration 39 : Concentration dans le port à t=60.060s

 

 

Interprétation :

  • A t=16.520 s, la concentration dans l'aile Ouest vaut environ 0.57 soit une baisse de 43% durant les 16520 premières secondes. Dans l'aile Est la concentration relative vaut 0.87 soit une baisse moins rapide de seulement 13% par rapport à l'état initial.

 

  • Au bout de t=60.060 s, dans l'aile Est (aile droite) on a une concentration relative de 0.46 soit une baisse de 54% par rapport à l'état initial. En revanche, dans l'aile Ouest la concentration relative vaut 0.17 à t=60.060s soit 83% de la concentration initiale. 

 

  • Nous observons donc que le polluant reste beaucoup plus longtemps dans l'aile "Est" sous l'action d'un vent de Nord-Est. Ces concentrations relatives seront à comparer avec les concentrations relatives du cas suivant (vent de sud-est).

 

 

 

 

 

 

 

Etude nitrites/nitrates vent SE

 

►Fichier des paramètres de cette étude (fichier .cas) vent de 60 km/h du sud-est barrage ouvert

fichier cas de l'étude

 

►Zones de stockage d'un polluant dissous (Nitrites/Nitrates) dans le port vent Sud-est de 60 km/h avec le barrage ouvert

 

    L'illustration 40 ci-dessous permet de visualiser les zones où les polluants chimiques dissous vont avoir tendance à résider le plus longtemps. Ici aussi initialement un polluant à la concentration 1 est répartit sur tout la surface étudiée. La grandeur représentée sur les graphiques est la concentration relative en polluant dissous restante à la fin de la simulation ebn pourcentage.

 

    Les conditions pour ces simulations sont un vent de Sud-Est de 60 km/h, une côte de +0.1m NGF à la frontière Sud du domaine, ainsi qu'un débit de 30$m³/s$ entrant par le grau. De plus, nous tenons compte de la marée avec une période de 43.200s soient 12h comme dans les cas précédents.

 

Illustration 40 : Animation des courants et du polluant en fonction du temps dans le port

 

Interprétation :

    Nous remarquons sur l'illustration 40 comme attendu que les zones où le polluant peut potentiellement s'accumuler (pour un vent de Sud-Est) sont les deux ailes latérales du port (lieux où les bateaux sont stationnés). En effet, les polluants dissous résident le plus longtemps dans les zones présentant de fortes recirculations et/ou où les courants sont quasiment nuls.

    Le fait que le polluant reste plus longtemps dans les ailes gauche et droite du port est relativement gênant d'une part pour les poissons qui auront du mal dans ces zones à assimiler le $O_2$ nécessaire à leur bonne santé ; mais aussi car la formation de nitrates favorise la formation d'algues vertes qui s'attachent aux carènes des navires.

 

 

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   Illustration 41 : Zones de recirculation à t=16520s                 Illustration 42 : Zones de recirculation à t=60060s

 

 

Interprétation :

    Sur les illustrations 41 et 42 ci-dessus, nous observons que les zones de stockage des polluants sont les zones de recirculation, mais aussi évidemment les zones où la vitesse est négligeable devant les autres vitesses du domaine. En effet, si on on prend la moyenne des vitesses dans l'aile Est du port, on trouve une vitesse de 0.02 m/s, soit une vitesse quasiment 20 fois plus petite que celle dans le grau. Le fait d'avoir une vitesse si faible est un avantage en termes de tangage, mais un inconvénient en termes de renouvellement de l'eau dans le port. Les nitrites et nitrates ont par conséquent du mal à s'échapper des ces zones latérales ce qui engendre les problèmes déjà évoqués plus haut dans cette section.

    En termes de concentrations relatives, une concentration de 0.5 (contre 0.46 pour un vent de Nord-Est) est trouvée dans l'aile Est à t=60.060s contre une concentration de 0.22 (contre 0.17 pour un vent de Nord-Est) dans l'aile Ouest.

   Finalement pour un temps relativement grand de simulation, le polluant dissous est mieux évacué du port avec un vent de Nord-Est que avec un vent de Sud-Est et cela dans les deux ailes latérales. En effet, pour l'aile Est à t=60.060s pour un vent de Nord-Est la concentration est 2.7 fois plus petite que pour le vent de Sud-Est. Et pour l'aile Ouest pour un vent de Nord-Est la concentration est 4.9 fois plus petite.

 

 

►Zones de stockage d'un polluant dissous (Nitrites/Nitrates) dans le port vent Sud-Est de 90 km/h avec le barrage fermé

 

    Lorsque le barrage est fermé (côte au barrage de l'eau supérieure à +35cm NGF), un débit de 0 $m^3/s$ est imposé au niveau du grau (frontière nord).

   Dans cette simulation nous imposons la même marée de 12 heures de période et d'amplitude de 0.2m. Les deux différences avec le cas précédent sont que maintenant nous imposons un vent de Sud-Est d'intensité 90 km/h, et donc nous avons une configuration barrage fermé.

   De plus, le vent de 90 km/h a été imposé avec un coefficient d'influence du vent valant $2,513.10^{-6}$ puisque selon le manuel utilisateur de TELEMAC pour une vitesse supérieure à 19.22m/s (environ 70 km/h) ce coefficient est indépendant de la vitesse du vent. On obtient alors les résultats ci-après sur les illustrations 43 et 44.

 

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Illustration 43 : Concentration en traceur à t=16520s et barrage fermé  Illustration 44 : Concentration en traceur à t=60060s barrage fermé

 

 

►Interprétations de nos résultats

 

    Il est maintenant intéressant de comparer les résultats en configuration barrage fermé avec les résultats du cas barrage ouvert. On remarque que pour t=16.520s et t=60.060s le port entier (excepté pour le grau) contient une forte concentration en polluant dissous lorsque le barrage est fermé. Si nous zoomons sur le grau en analysant les courants nous nous apercevons que celui-ci est le siège d'inversion de courants qui entraînent le polluant vers le port. Pour mieux se le représenter il est possible de regarder l'illustration 45 suivante :

 

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Illustration 45 : des courants dans le grau avec barrage fermé, vent=90km/h Sud-est

 

    Nous remarquons sur l'image 45 ci-dessus qu'il existe un point de fuite pour le polluant à l'Est du grau. C'est par cet endroit que le polluant arrive à s'échapper du grau. L'écoulement étant quasiment stationnaire sur des périodes courtes (de l'ordre de 10 fois inférieures à la période de la marée), on peut considérer que le polluant dissous suit quasiment les lignes de courant sur cette courte période. Par conséquent la ligne noire permet de retracer la trajectoire d'un particule polluée. On remarque qu'elle fait le tour du grau avant d'être éjectée vers l'arrière port.

 

► Comparaison barrage ouvert/barrage fermé

    Si on compare avec les résultats obtenus en barrage ouvert nous remarquons que le débit entrant par le grau de 30 $m^3/s$ joue un rôle très important dans le renouvellement de l'eau dans le port. En effet, si nous comparons les résultats à t=60 060s, il n'y a quasiment plus de pollution lorsque le barrage est ouvert alors qu'il reste encore des nitrites/nitrates quand le barrage est fermé. Finalement, avec un temps de tempête dirigé Sud-Est (et donc le barrage fermé), les poissons attendent avec impatience le retour du beau temps sans vent (et donc avec le barrage ouvert) pour que les nitrites soient évacuées du port.

 

 

 

 

 

Synthèse des résultats

 

 

    Afin d'avoir une vue globale de nos résultats en ce qui concerne le transport de pollution chimique dissoute au sein du port de Carnon, nous les avons rassemblés dans le tableau 46 suivant. Les résultats recensés sont les concentrations au niveau de l'aile Ouest et de l'aile Est entre deux temps distincts. Ces résultats permettent d'avoir une idée de l'influence du vent et de la marée sur l'évacuation d'un polluant. Typiquement, le temps de résidence du polluant dans le port est de l'ordre du jour.

 

  Vent SE 60km/h Vent SO 60km/h Vent NE 60 km/h Vent NO 60km/h

Aile Est

16 500s

C=0.85 C=0.73 C=0.87 C=0.82

Aile Ouest

16 500s

C=0.54 C=0.26 C=0.57 C=0.59

Aile Est

60 000s

C=0.5 C=0.16 C=0.46 C=0.6

Aile Ouest

60 000s

C=0.22 C=0.04 C=0.17 C=0.06

Illustration 46 : transport et évacuation de polluants dissous (exemple : nitrates)

 

Légende :

En rouge : les deux plus importantes concentration en polluants dissous

En vert : les deux plus faibles concentrations en polluants dissous

 

Interprétation :

    La concentration affichée dans l'Illustration 46 est en g/L.

    Nous remarquons globalement que après une marée et demie (t=60 000s) le polluant a quasiment disparu de l'aile Ouest. En ce qui concerne l'aile Est, il semble que le polluant dissous ait plus de difficultés pour s'évacuer et cela quelque soit la direction et l'intensité du vent. Il faut attendre un peu plus longtemps afin que la marée évacue le polluant dans cette aile Est.

    Nous pouvons, pour finir, comparer ces valeurs avec la norme française en vigueur concernant ce  type de pollution (décret 2001-1220 du 20 décembre 2001). Cette norme s'établit à 50 mg/L pour une eau qui est destinée à la consommation humaine. Ainsi, il apparaît comme nous nous y attendions que le taux de nitrates dans le port engendre une eau non potable. Cela est un résultat général pour l'ensemble des ports français.

 

► Perspectives et solutions pour améliorer l'évacuation des polluants dissous

    Étant donnés les résultats dans l'aile Est recensés dans l'illustration 46, il serait intéressant d'accélerer la disparition du polluant en installant par exemple des matrices cristallines comme évoquées dans la partie suivante. Par contre, il semblerait que l'aile Ouest soit moins sujette à une concentration du polluant dissous, par conséquent aucune installation supplémentaire semble requise.