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Présentation de projet de thèse�LBE, Séminaire du 05/06/2024

Sujet : Suivi et modélisation des dynamiques des réservoirs multiressources pour l’agriculture irriguée

Encadrement:

Nassim AIT-MOUHEB, Directeur, UMR GEAU/INRAE

Jérôme HARMAND, Co-Directeur, LBE/INRAE

Gabrielle RUDI, Co-encadrante, AgroParisTech

Alain RAPAPORT, Co-encadrant, MISTEA/INRAE

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Carmelo JEAN-LOUIS, Doctorant, UMR GEAU/INRAE

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Plan de la présentation

  • Contexte et Objectifs de la thèse
  • Mécanismes en jeu dans le réservoir
  • Sites expérimentaux et suivi de qualité
  • Approches de modélisation
  • Conclusion

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Contexte: Projet SESQIA

  • Changement climatique => déficit hydrique dans les territoires viticoles d'Occitanie
  • Augmentation de la fréquence et l'intensité des sécheresses (Vincente-Serrano et al., 2014)
  • Prévision d'une diminution de 30 % des précipitations moyennes annuelles dans le bassin méditerranéen notamment au printemps et en été (Cramer et al.,2018)

*mélange de ressources: Eaux Usées Traitée, Eaux pluviales

**SESQIA ==> Stockage d'Eau, Suivi Qualité, pour Irrigation Agricole

Recours aux eaux non conventionnelles* stockées en hiver pour une utilisation en été pour i)sécuriser l'accès à la ressource, ii) prélèvement d'eaux conventionnelles, iii) l'impact des stations d'épuration et iv) les risques sanitaires liés à l'utilisation des EUT

Projet SESQIA**: Apporter des éléments de réponse sur l'évolution de la qualité des eaux stockées et la faisabilité technique des réservoirs multi-ressources

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Objectifs

  • Objectif général: Etudier et modéliser l'évolution de la qualité des eaux de deux réservoirs d'eaux usées traitées dans une perspective d'application aux réservoirs multiressources

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  • Objectifs spécifiques:
  • Suivre l'évolution de la qualité des eaux stockées dans deux réservoirs d'eaux usées traitées en région méditerranéenne, le réservoir de la station d'épuration de la commune de Rocquefort-dès-Corbières et celui de la commune de Murviel-lès-Montpellier.
  • Procéder à la construction et à la validation d'un modèle dynamique permettant la représentation de l'évolution de la qualité de l'eau et de l'hydrodynamique des réservoirs et des modèles réduits pour aborder les questions d'optimisation.
  • Etudier l'applicabilité de l'ensemble de la méthodologie aux réservoirs multi-ressources.

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Mécanismes en jeu dans le réservoir

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Aussi Paramètres d'intérêt:

-Agronomique=> Azote, Phosphore, conductivité

- Opérationnel=>algues

-Environnemental=> Pesticides

Arrêté du 18 décembre 2023

Eaux Usées Traitées => Cocktail de substances: Matières organiques, micropolluants organiques, métaux lourds

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Utilisation d'indicateurs microbiologiques et physicochimiques pour l'évaluation de la qualité

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Mécanismes en jeu dans le réservoir

(Friedler, 2003)

Principaux mécanismes (Friedler, 2003, Eme et Molle, 2013)

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  • Développement Algal
  • Dégradation de la matière organique par voie aéorobie et anaéobie
  • Destruction des pathogènes
  • Sédimentation
  • Stockage des métaux lourds

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Cycle Stratification/déstratification, brassage des couches homothermes:=>liée principalement aux échanges i) d'énergies thermiques (bilan radiatif, bilan de chaleurs latente et sensible) ii) et /ou d'énergie mécanique (courant circulaire vertical causé par la transmission des contraintes de turbulences atmosphériques au plan d'eau)

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Stratification directe stable en été et plus stable pour les plans d'eau de fortes profondeurs

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Bloque les échanges verticaux (o2 reste en surface, les sédiments de fond ne peuvent être remontés et consommés en surface)

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(Touchart, 2002)

Mécanismes en jeu dans le réservoir

Thompson & Imberger (1980)

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Les sites expérimentaux

Réservoir EUT

Parcelle à irriguer

  • Géométrie différente
  • Technologie de traitement différente

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Rocquefort

Murviel

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35 m

31 m

N

Site de Roquefort Dès Corbières

Capacité 3000 m3, Profondeur 3,7 m

  • La STEP de Roquefort est assez récente et dispose d’un niveau de rejet conforme à son autorisation notamment pour le phosphore et l’azote (faibles concentrations),

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  • STEP Boues activées et traitement chlore-ferrique pour 2000 Equivalents habitants.

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  • Irrigation de 15 ha vigne avec des tours d’eau réguliers en continus ou après maximum 10 jours d’arrêt.

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Objectifs (stage M1 Samia GOUBERT, 3 mois de juin à août):

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  • Tester le protocole expérimental d'échantillonnage.

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  • Suivi spatial et temporel des qualités physico-chimiques, bactériologiques et microcontaminants (Département, INRAE et Projet Agropolis fondation).

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  • Lancement de la modélisation CFD pour l’hydrodynamique du réservoir.

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===> Quatre campagnes de prélèvements ont eu lieu durant la période d’irrigation de 2023 : le 15 juin, le 6 juillet, le 17 juillet et le 7 août.

Stage (Roquefort)

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Sites de Murviel Lès Montpellier

Capacité 2700 m3, Profondeur 1,5 m

  • La station d'épuration de Murviel-lès-Montpellier est équipée d’un filtre planté de roseaux à aération forcée pour une capacité nominale de 3000 Equivalents Habitants.

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  • Une lagune de stockage à surface libre (2700 m3).

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  • A noter que la 3ème lagune a été dimensionnée initialement à une faible profondeur (1,5m) pour améliorer la qualité bactériologique des eaux usées traitées.

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  • Besoins annuels de 300 m3 pour la plateforme expérimentale pour le moment.

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  • Apports en N plus importants (30 mg/L en moyenne)

 

Analyses externes (Eurofins hydrology)

Spores of sulfate-reducing bacteria

Escherichia coli

Bactériophages ARN-F

Enterococci

log(CFU/ml)

log(CFU/100ml)

log(UFP/100ml)

log(CFU/100ml)

Analyses sur les eaux usées traitées

3,0 ± 1,1

3,6 ± 1,0

1,5 ± 1,0

2,8 ± 1,3

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Instrumentation des sites

Station Campbell: Pluvio, humidité, vent, pression, température air, température eau

Désherbage et essai d'infiltration

Mesure des débits entrant et sortant

Relevé au DGPS

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Distribution spatiale des échantillons: 18 prélèvements à 0.3, 0.75 et 1.20 m pour une tranche d'eau d'environ 1,5 m et mesure de tous les paramètres à ces différentes profondeurs.

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Fréquence d'échantillonnage: Toutes les deux semaines

Mesure in situ pour pH, T et OD

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Mesure d'OD pour une journée type (24 h) en été et en hiver en un point de la surface et aux différentes profondeurs de mesure

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Chronique de température à différentes profondeurs sur la saison

Echantillonnage et méthodes de prélèvement

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Echantillonnage et méthodes de prélèvement

Enterocoques (germes/100ml)

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Escherichia coli (germes/100 ml)

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DCO max (mg O2/l)

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DBO5 max (mg O2/l)

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Bacteriophages (PFP/ml)

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Spores (UFC/100 ml)

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Nitrates(mg/l)

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Ammonium (mg/l)

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Phosphore Total(mg/l)

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Conductivite(microS/cm)

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pH

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MES (g)

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Turbidité (FNU)

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T(deg celcius)

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OD (mg/l)

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Intensité lumineuse

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Chlorophylle A

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Micropolluant/ pesticides

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Mesurés

Pas mesurés

Liste des paramètres d'intérêt

Pompe de prélèvement

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Quelques résultats préliminaires (Murviel)

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Modélisation

---> dynamical mass balance :

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time variation mass inflow mass outflow mass of A

of the mass = of A into - of A from +/- produced/

of A the reactor the reactor consumed

via reactions

Modèle d'état

Réacteur

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Friedler et Mannina(2003,2008)

Modélisation

Bilan de masse et autres (I, facteurs d'activation)

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Champs de vitesse dans le réservoir au niveau du fond pour une hauteur d’eau de 2.5 m

Champs de vitesse dans le réservoir au niveau de la surface pour une hauteur d’eau de 2.5 m

Modélisation des lignes de courant dans le réservoir

Modélisation CFD (Roquefort)

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Conclusion/Perspectives

  • Réservoir EUT => système complexe avec beaucoup de mécanismes et de variables à suivre
  • Mesure de la Chlorophylle A et de l'intensité lumineuse
  • Invasion du bassin de Murviel par des macrophytes

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