Modeling the deposition of solid particles in urban discharge driven to sea by submarine outfall

Abstract

Le travail présenté dans cette thèse consiste à l’étude des rejets en mer, par émissaire marin, des eaux usées urbaines des collectivités littorales. Nous focalisons notre étude sur les rejets chargés de matières en suspension. Ces matières risquent de déposer autour du point de rejet et créent une zone très polluée. Dans ce contexte, nous procédons à la modélisation de la déposition des particules transportées en suspension par les rejets urbains dans la zone proche du point de rejet dite « champ proche ». Ceci est fait dans le but de mieux comprendre ce phénomène et de pouvoir déterminer, en conséquence, le niveau de traitement à l’amont ainsi que la configuration du dispositif de rejet en fonction des capacités du milieu récepteur à assimiler la pollution solide. Nous avons réalisé ce travail en trois parties. Dans la première partie, nous avons étudié les rejets urbains dans les zones littorales, les caractéristiques des eaux usées urbaines et celles des particules solides transportées par ces eaux. Nous avons aussi étudié la relation entre les différents critères de qualité des eaux du milieu récepteur et le rejet urbain ainsi que le rôle de l’émissaire marin dans la réduction de l’impact environnemental du rejet sur le milieu marin. Dans la deuxième partie, nous nous concentrons sur la zone proche de l’émissaire marin. Il s’agit du jet turbulent issu du rejet. Dans ce contexte, nous étudions le comportement hydrodynamique du jet et nous le modélisons. Ceci est fait par l’établissement d’un modèle Lagrangian pour l’étude du champ proche (modèle de la phase liquide). Dans la troisième partie, nous construisons un modèle pour anticiper la déposition des particules solides transportées par les rejets urbains (modèle de la phase solide). Ce modèle se base sur le phénomène de concentration préférentielle. Il est couplé avec le modèle Lagrangian du comportement hydrodynamique du jet, conçu dans la deuxième partie. Le modèle est validé par des données expérimentales représentant le taux de déposition longitudinale des jets horizontaux et inclinés flottants dans un milieu stationnaire, en présence de co-courant et les jets horizontaux non flottants dans un milieu stationnaire. Nous terminons ce travail par une analyse de sensibilité pour étudier les effets d’un certain nombre de paramètres du jet et du milieu ambiant sur le comportement hydrodynamique du jet et sur le taux de déposition.In this study, we are interested in the problem of marine wastewater discharge via the submarine outfall. We emphasize on the urban discharge laden with suspended solids. These suspended solids may depose around the discharge point in the sea and create a highly polluted zone. The objective of this study is the modeling of deposition of suspended solids from urbandischarge in the zone near the discharge point, called nearfield, in order to understand the phenomenon and determine thereafter the treatment level upstream in addition to the configuration of the discharge point depending on the capacity of receiving milieu to assimilate the solid pollution. The work is realized in three parts. In the first part, we studied the management of urban discharge in coastal areas, including the characteristics of urban wastewater, and those of solid particles transported by wastewater. We studied also the relation between the receiving water quality criteria and urban discharge in addition to the role played by the submarine outfall in the reduction of environmental impact of the urban discharge on the marine milieu. In the second part, we concentrate on the zone near the submarine outfall that means the turbulent jet issued from the discharge. We study the hydrodynamic behaviour of the jet, the modeling of this behaviour. Then we present our Lagrangian model designed for the study of nearfield (liquid phase model). In the third part, we construct a model to anticipate the deposition of solid particles driven to the sea by the urban discharge (solid phase model). This model is based on the phenomenon of preferential concentration and is coupled with the Lagrangian model of hydrodynamic behaviour of the jet designed in the second part. The model is validated by experimental data presenting the longitudinal deposition rate of horizontal and inclined jets in stationary ambient, in presence of coflow in addition to the case of horizontal non-buoyant jets in stationary ambient. Finally, a sensitivity analysis is performed where we studied the effects of many parameters of the jet ad the ambient milieu, on the hydrodynamic behaviour of the jet and on the deposition rate