Autoépuration en eau courante : évaluation de l’oxygénation dans les cascades en marches d’escalier Self-purification in running water: experimental evaluation of the oxygenation capacity of stepped cascade

Résumé

Dans les écosystèmes aquatiques, l’oxygène dissous est consommé par les processus chimiques et biologiques de l’autoépuration (oxydoréduction, dégradation de la matière organique,...) ainsi que par la respiration des espèces aquatiques. L’autoépuration sera donc favorisée par une amélioration de l’aération et le taux d’oxygène dissous constituera un indicateur de la qualité de l’eau. Les structures hydrauliques telles que les cascades jouent le rôle de système d’aération en favorisant l’absorption dans l'eau de l’oxygène atmosphérique. Afin d’évaluer le potentiel d’aération de ces ouvrages aux faibles débits, une étude a été réalisée sur une cascade de laboratoire représentative des petits cours d’eau et équipée de plusieurs marches modulables en nombre et en taille. Le transfert d’oxygène dans les cascades est fortement dépendant de l’aire de l’interface d’échange rapporté au volume d’eau, du type d’écoulement diphasique et de la turbulence dans le fluide. Du point de vue hydrodynamique, trois régimes d’écoulement ont été identifiés pour un débit inférieur à 3 L•-s^-1, deux régimes de type nappe et un régime de transition. L’efficacité du transfert d’oxygène mesurée varie de 15 % à 40 % en fonction du débit d’eau, du nombre et de la longueur des marches de la cascade. Les résultats ont montré une amélioration de l’aération avec le débit (en régime nappe) et avec le nombre de marches. Sur les différents systèmes de cascades étudiés, une relation de linéarité entre le nombre de marches et l’efficacité d’aération a été constatée. L’ajout de graviers sur les marches provoque une légère amélioration de la capacité d’aération, dépendant du niveau d’immersion des graviers. À hauteur donnée, l’augmentation de la longueur des cascades défavorise le transfert d’oxygène.

Mots-clés :

• Oxygénation,
• cascade,
• aération,
• transfert d’oxygène,
• efficacité d’aération,
• rivière,
• eau courante

Abstract

In aquatic ecosystems, dissolved oxygen is consumed by the chemical and biological processes involved in natural self-purification (oxidation-reduction, degradation of organic matter,…) and by the respiration of the aquatic species. The self-purification can be enhanced by water aeration improvement and the dissolved oxygen level is thus an indicator of the water quality. Hydraulic structures such as cascades play the role of an aeration system by improving the dissolution of atmospheric oxygen in water. To estimate the aeration potential of these structures in low discharges corresponding to small natural streams, a study was realized on a laboratory cascade model equipped with a modular number of size-adjustable steps. Oxygen transfer in stepped cascades is strongly dependent on the interfacial exchange area per water volume, the multiphase flow structure and the turbulence in the fluid. From the hydrodynamic point of view, three flow regimes were identified for a flow rate lower than 3 L•s^-1: two nappe regimes and one transition regime. The measured oxygen transfer efficiency varies between 15% and 40% depending on water flow rates, and the number and length of steps in the cascade. The results showed an improvement of the aeration with the flow rate (in the nappe flow) and with the number of steps. On the various studied systems of cascades, a linear relation between steps number and aeration efficiency was demonstrated. The addition of gravel on the step surfaces increases the cascade aeration capacity slightly, depending on the immersion level of the gravel. For a given total height, an increase in the cascade length disadvantages the oxygen transfer.

Keywords:

• oxygenation,
• stepped cascade,
• aeration,
• oxygen transfer,
• aeration efficiency,
• river,
• running water