Instrumentation et dispositif de collecte d’échantillons d’eau du pilote

Pour caractériser les performances hydrologiques et épuratoires des noues, le dispositif pilote a été doté d’une instrumentation comportant plusieurs capteurs positionnés au niveau du simulateur de ruissellement, au sein du sol des noues, au niveau des sorties de surface (en aval du caniveau dans la galerie de mesure) et de subsurface (en aval des drains dans la galerie de mesure) de la noue standard et au niveau de la sortie de subsurface de la noue de filtration (en aval des drains dans la galerie de mesure). Il est à noter que la sortie de surface de la noue de filtration n’a pas été équipée d’instruments de mesure en raison de l’absence d’écoulement au niveau de cette sortie (l’eau injectée s’infiltre en totalité dans

c _Sédiment + eau de toiture Flux d’eau arrivant de la cuve principale Perceuse Cuve de 200 L Pompe péristaltique Débit : 69 L/h b d a

cette noue pour toutes les configurations expérimentales testées). Les instruments de mesure et de collecte des eaux rattachés au pilote, pour l’essentiel connecté à une centrale d’acquisition de données (CR3000, Campbell Scientific), sont les suivants (Figure 3.33) :

- Deux débitmètres électromagnétiques (DN 50) au sein du simulateur de ruissellement (voir précédemment), un débitmètre électromagnétique en aval du caniveau de la noue standard, un débitmètre électromagnétique en aval des drains de la noue standard et un débitmètre électromagnétique en aval des drains de la noue de filtration (modèle WaterMaster, DN 25, ABB) (Figure 3.34 a). Ces appareils permettent de mesurer les débits et les volumes de passage avec une incertitude inférieure à 5% dans leurs plages de mesure respectives (données constructeur). Les gammes théoriques de débits mesurées sont [0,044 ; 21,9]L/s pour le DEM en DN 50 et [0,013 ; 5,5]L/s pour le DEM en DN 25. Ces gammes sont valables dans des conditions d’injection de fluide sous pression, ce qui n’est pas ou peu le cas sur le pilote. En effet, la colonne d’eau de 2,5 m s’exerçant sur le simulateur de ruissellement en sortie de cuve permettait, couplée à l’injection de l’eau par la pompe de relevage, d’alimenter le simulateur à des débits nettement supérieurs (> 5 L/s) à celui de l’évènement simulé le plus intense (0,8 L/s). En revanche, l’écoulement était de type gravitaire en sortie d’ouvrage, conditionnant le débit maximal mesurable par le DEM à la hauteur d’eau le séparant de la sortie dont il assurait la mesure de débit. Dès lors, la gamme de mesure du DEM en sortie de caniveau a été revue à [0,013 L/s ; 0,7 L/s] et celle des DEM en sortie de drains à [0,013 L/s ; 0,3 L/s]. Sur le plan fonctionnel, les mesures des DEM servaient à caractériser les réponses hydrauliques des noues (évolution du débit en fonction du temps) et à calculer à la fois des bilans volumiques et des bilans de masse (flux de polluants entrant et sortant des noues).

- Trois systèmes à augets basculeurs (un par sortie de noue instrumentée, modèle 3039, Précis Mécanique) permettant de mesurer des débits dans la gamme [0 ; 0,028]L/s avec une précision de 5% après calibration. La calibration de chaque système à augets (volume d’un auget = 20 mL) a été réalisée à plusieurs reprises au cours de l’étude (novembre 2017, janvier 2018 et mars 2018) en versant un volume de 500 mL d’eau. Le bon fonctionnement des augets a été validé lorsque le nombre de basculements se situe dans l’intervalle [24 ; 26], assurant une précision de mesure de l’appareil de l’ordre de 5%. Sur le pilote, ces systèmes ont été positionnés en aval des DEM (Figure 3.34 c) et étaient prévus pour prendre leur relais lors des phases où les réponses hydrauliques des noues étaient caractérisées par des faibles débits (≤ 0,028 L/s). En effet, le couplage des mesures de débit des systèmes à augets basculeurs avec celles des DEM permettait de disposer d’une gamme de mesure étendue entre 0 et 0,3 L/s (sortie de drains) ou entre 0 et 0,7 L/s (sortie de surface). Par ailleurs, un système de réduction des débits, constitué d’une rondelle en PVC, est positionné en amont de chaque système à augets pour limiter les flux d’eau les alimentant (les mesures n’étant pas conservées pour les débits > 0,028 L/s) (Figure 3.34 b). Cet élément a pour

Chapitre 3. Matériels et méthodes

but de préserver la mécanique des augets, indispensable pour conserver une mesure précise dans le temps. Comme pour les DEM, les mesures des systèmes à augets basculeurs servent à caractériser les réponses hydrauliques des noues et à calculer à la fois des bilans volumiques et des bilans de masse.

Figure 3.33. Instrumentation du pilote

- Trois échantillonneurs automatiques d’eau (un par sortie de noue instrumentée, modèle 3710, ISCO), programmés pour prélever des échantillons composites en fonction d’un volume de passage (asservissement au débit). La collecte de tels échantillons, représentatifs de l’ensemble des rejets liés au traitement de l’évènement par la noue, permettait de caractériser les EMC des polluants étudiés et d’estimer leurs flux évènementiels. Pour cela, les échantillonneurs sont reliés à un boîtier relais (SDM-CD16AC, Campbell Scientific) (Figure 3.33), pilotant le déclenchement des prélèvements à partir des instructions envoyées par la centrale CR3000, sur la base des mesures de débits traités en direct par un programme d’acquisition en langage CRBasic. Les intructions de prélèvement variaient suivant le type d’essai simulé en entrée de noue et étaient basées sur les réponses hydrauliques obtenues lors des essais de caractérisation des performances hydrologiques des noues. Les préleveurs sont aussi reliés à la centrale d’acquisition pour enregistrer les instants des échantillonnages, par le biais de leur sortie 12 V (signal transformé en 4 V à l’aide d’un pont diviseur de tension, la centrale CR3000 ne mesurant que des tensions ≤ 5 V). Concernant le déroulement d’un prélèvement, il consistait en un pompage par la pompe péristaltique du préleveur d’un volume d’eau de 500 mL dans un bac de collecte PVC spécifiquement conçu sur le modèle de Garnier et al. (2016) (Figure 3.34 c). Le contenu de ce bac était renouvelé en permance de par son profil, et agité en continu pour limiter la sédimentation des particules (Figure 3.34 c).

Figure 3.34. Caractéristiques du dispositif de mesure des débits/volumes sortant d’une noue (un dispositif par sortie instrumentée) et du système associé de pélèvement automatisé des eaux. a. Vue d’ensemble du système. b.

Ouverture circulaire de 8,5 mm de diamètre pour réguler le flux d’eau entrant dans le système à augets basculeurs. c. Bac de collecte des eaux en fonctionnement. d. Echantillonneur automatique relié en amont à un

bac de collecte et en aval à un déviateur de flux. e. Déviateur de flux répartissant équitablement chaque prélèvement dans deux flacons de 10 L

Chaque prélèvement était ensuite équitablement réparti entre un flacon de 10 L en PEHD (polyéthylène haute densité) et un flacon de 10 L en verre, par le bais d’un déviateur de flux (Figure 3.34 d et Figure 3.34 e). Ce double flaconnage était requis pour estimer les EMCs des ETMs et du glyphosate (flacon en PEHD) et celles des HAPs (flacon en verre). Au total, chaque échantillonneur était programmé pour réaliser jusqu’à 40 prélèvements de ce type par évènement. Il est à noter que les entrées des noues n’étaient pas équipées de préleveurs. Les prélèvements s’effectuaient manuellement en fonction du temps (toutes les 12 min), soit directement dans la

Chapitre 3. Matériels et méthodes

cuve à l’aide d’une canne de prélèvement (essais avec eaux RR et RRM), soit à l’entrée de chaque noue (essais avec eaux RRMS).

- 44 sondes capacitives de teneur en eau volumique (modèle EC-5, METER). Chaque noue dispose de 22 EC-5 réparties majoritairement par profil verticaux de 4 sondes (Figure 3.35). Les profils ont principalement été positionnés dans la partie centrale de chaque noue, cette dernière étant une zone de concentration des écoulements et donc présentant potentiellement les plus grandes variations de teneur en eau. Un profil vertical de sondes par talus et deux sondes EC-5 supplémentaires dans le talus directement alimenté par la rampe latérale ont été introduits pour détecter les éventuelles variations de teneur en eau dans les talus.

Figure 3.35. Emplacements des sondes de teneur en eau EC-5. a. Positions dans la noue standard (profil en long). b. Positions dans la noue de filtration (profil en long). c. Positions dans la partie centrale de la noue standard (profil en travers). d. Positions dans la partie centrale de la noue de filtration (profil en travers). Les

EC-5 dans les talus sont enfouies aux mêmes profondeurs que dans la partie centrale, exceptés les profils verticaux à une sonde (enfouie à 25 cm de profondeur)

Toutes les sondes ont été introduites lors du montage par couche du sol des noues pilotes, avec un angle de 45° par rapport au fond de la noue pour limiter l’accumulation d’eau à la surface de leur tête (dans le cas de faibles flux) (Rujner et al., 2016). De même, les câbles les reliant à la centrale d’acquisition ont été positionnés dans des plans horizontaux pour limiter les risques d’écoulements préférentiels. Chaque sonde délivre une mesure de teneur en eau volumique après transformation du signal de sortie (en mV) par une formule mathématique (formule fournie par le constructeur ou formule obtenue après étalonnage en laboratoire). Dans cette étude, nous avons retenu la formule donnée par le constructeur pour traiter les données brutes. En effet, les résultats des étalonnages de 8 EC-5 réalisés dans des cylindres remplis de sable n’ont pas mis en évidence de différences contrastées avec l’étalonnage préconisé par le constructeur, en prenant en compte un IC95 de ± 0,03 cm3.cm-3 (Figure 3.36). Sur le plan de la mesure, les EC-5 sont caractérisées par un faible volume de mesure, environ 0,2 L, par une résolution de 0,01 cm3.cm-3 et par une incertitude de mesure de ± 0,03 cm3.cm-3. 10 cm 25 cm 50 cm 75 cm 10 cm 25 cm 50 cm 75 cm z ^{124 cm} z 114 cm 124 cm 84 cm Loam limoneux Sable Gravier Gravier c d x 1 m 3 m 5 m x4 x4 x4 x4 x4 x1 x1 0 m 7 m Talus Talus x 1 m 3 m 5 m x4 x4 x4 Partie centrale x4 x4 x1 x1 7 m 0 m Talus Talus a b Partie centrale

Etalonnage sondes EC-5 (METER) - sable

300 400 500 600

0.00

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

0.30

0.35

 étalonnage sonde 2

 étalonnage sonde 3

 étalonnage sonde 4

 étalonnage sonde 5

 étalonnage sonde 6

 étalonnage sonde 1

 équation METER

 étalonnage sonde 7

 étalonnage sonde 8

 0.03 cm

.cm

Mesure EC-5 (mV)

T

en

eu

r e

n

eau

r

é

el

le

(

cm

.c^m

)

Figure 3.36. Résultats des courbes d’étalonnage de 8 sondes EC-5 et comparaison avec la droite d’étalonnage donnée par le constructeur (incertitude de ± 0,03 cm3.cm-3)

- 34 tensiomètres (modèle STCP-850, SDEC). Chaque noue dispose de 17 tensiomètres, répartis principalement par profils verticaux dans le plan longitudinal et horizontaux dans le plan vertical (3 STCP-850 par profil, à 25 cm, 50 cm et 75 cm de profondeur), 20 cm en aval des profils d’EC-5. Ces instruments, permettant de mesurer une succion (un potentiel matriciel), sont composés d’une canne tensiométrique incluant un réseau de capillaires et un capteur de pression, reliée à une bougie poreuse. Ils ont été mis en eau avant leur introduction dans le sol, par immersion complète de la bougie poreuse dans de l’eau pendant 12 h puis par remplissage/mise en dépression pour extraire les bulles d’air contenues dans la bougie et le réseau de capillaires/remplissage avec de l’eau dégazée. Cependant, les données acquises par ces instuments n’étant pas satisfaisantes – mauvais contact hydraulique entre le sable (sol trop grossier) et la bougie poreuse d’une part, et écoulement préférentiel probable le long des cannes tensiométriques (mise en pression très rapide de tous les tensiomètres lors d’un essai, signe d’une arrivée d’eau) positionnées dans le loam limoneux d’autre part – elles n’ont pas été exploitées dans la suite de ce travail.

- Une station météorologique située à proximité du pilote (à moins de 200 m), comprenant notamment deux pluviomètres (un à auget basculeur et un hydrostatique) (Figure 3.33). Elle permet d’estimer les volumes d’eau apportés par les pluies sur le pilote, ce dernier n’étant pas couvert.

Par ailleurs, les caractéristiques des pas de temps d’acquisition et des procédures de post-traitement pour déclencher les préleveurs et obtenir les débits, volumes et teneurs en eau sont détaillées dans le Tableau 3.8.

Chapitre 3. Matériels et méthodes

Tableau 3.8. Caractéristiques de l’instrumentation du pilote et détails sur la procédure de post-traitement

Paramètres Technologie ΔPa Post-traitement

Pluie Pluviomètres 10 min et

30 s

Voir Flori (2016)

Débit entrée REF (Qe3) DEM (4-20 mA) 10 s Qe3 = Qe1^b – Qe2

Q moyenné sur 1 et 5 min

Débit entrée FILT (Qe2) DEM (4-20 mA) 10 s Qe2 moyenné sur 1 et 5 min

Débits de fuite

REF et FILT (Qf)

DEM (4-20 mA) Augets (contact sec)

10 s Ax^b ≤ 0,028 L/s : Qf = Qaugets

Ax^b > 0,028 L/s : Qf = QDEM^c

Volume entrée REF (Ve3) DEM (0-5 V) 10 s Ve3 = Ve1^d– Ve2

Volume entrée FILT (Ve2) DEM (0-5 V) 10 s Ve2

Volume sorties REF et

FILT (Vfdrain, Vfsurface)

DEM (0-5 V) Augets (contact sec)

10 s Ax^b≤ 0,28 L/10s : Vf = Vaugets^e

Ax^b > 0,28 L/10s : Vf = VDEM^f

Vfdrain = Vaugets + VDEM

Vfsurface = Vaugets + VDEM

Teneur en eau volumique

θv

Mesure de la permittivité diélectrique

1 min Formule constructeur (polynôme de

degré 1) Volume de déclenchement

de la collecte (Vp)

Asservissement au

volume de passage (Vi)

en direct QDEM^c≤ 0,026 L/s : Vi = Vaugets^e

QDEM^c> 0,026 L/s : Vi = VDEM^f

a pas de temps d’acquisition ; b débit mesuré par le débitmètre positionné en sortie de cuve ; c débit mesuré par un système à augets basculeurs ; d débit mesuré par un DEM ; e volume d’eau mesuré par le DEM en sortie de cuve ; f volume d’eau mesuré par un système à augets basculeurs ; g volume d’eau mesuré par un DEM