Thèse
Auteur :
Martin Laurent

Date de soutenance :
06 décembre 2001

Directeur(s) de thèse :
Poulin Michel
Even Stéphanie
Brissaud F.
Caussade B.
Hervouet Jean-Michel
Ledoux Emmanuel
Mouchel Jean-Marie
Poulin Michel



École :

MINES ParisTech
Intitulé de la thèse : Fonctionnement écologique de la Seine à l'aval de la station d'épuration d'Achères: données expérimentales et modélisation bidimensionnelle


Résumé : Les travaux du PIREN-Seine, dans lesquels s'inscrit mon travail de thèse, se sont dès le début orientés
vers la recherche d'une description du fonctionnement écologique du système aussi déterministe que
possible. Dans ce but, l'approche adoptée consiste à décrire les organismes et constituants ainsi que les
processus qui ont une influence sur la qualité de l'eau dans le réseau hydrographique. La modélisation a été
l'un des outils utilisés pour améliorer notre connaissance des processus et ainsi aider les différents acteurs de
l'eau à la prise de décision. Pour étudier l'impact des rejets urbains dans les zones fortement influencées par
l'activité humaine, il a été décidé de mettre en oeuvre un modèle bi-dimensionnel plan capable de simuler de
façon précise le devenir des différents polluants rejetés en Seine.
Grâce à la collaboration entre l'École des Mines et la Direction Études et Recherches d'Électricité de
France, nous avons pu utiliser le code de calcul hydrodynamique aux éléments finis, TELEMAC 2D,
d'E.D.F. Une première étape a consisté à mettre en oeuvre ce modèle dans le bief de Seine caractérisé par
les rejets de la station d'épuration d'Achères pour estimer les vitesses de l'écoulement et les hauteurs d'eau à
l'étiage et de connaître, entre autres, le temps de résidence de l'eau pour quelques situations permanentes de
bas débit.
Les travaux antérieurs du PIREN-Seine ont largement montré que la pollution d'origine organique était
étroitement liée aux particules. Bien que l'essentiel du flux de matériel particulaire soit transporté au cours
des crues, l'étude du transport en période d'étiage ne doit pas être négligée. La dilution des rejets urbains
par l'eau de Seine est plus faible en période d'étiage. Le dépôt est plus intense, le matériel qui le constitue
est fortement pollué et les zones de stockage sont plus nombreuses. Il nous est donc apparu important de
simuler convenablement le transport solide pour la Seine à l'étiage. Nous avons alors modifié le modèle de
transport bi-dimensionnel d'EDF, SUBIEF 2D. La navigation, intense dans cette partie du fleuve, joue un
rôle considérable sur les temps de résidence des particules et ainsi sur le devenir des produits contaminants
peu ou non solubles. Nous avons donc développé un module de remise en suspension qui prend en compte
de façon précise la circulation fluviale : la modélisation du courant de retour, du champ de vitesses généré
sur le lit de la rivière par les jets d'hélice, l'utilisation d'une formulation énergétique des processus de
dépôt/érosion basée sur la capacité de transport d'un écoulement, nous permet de reproduire les
concentrations en MES mesurées dans la colonne d'eau sur l'ensemble du domaine lors des différentes
campagnes organisées. Nous en tirons des informations sur la quantité de particules sédimentées dans le
bief, la localisation des dépôts frais et le temps de transfert moyen des particules en périodes de basses eaux.
Nous appuyant sur le modèle hydraulique et de transport précédemment défini, nous avons mis en place un
module biologique reprenant le schéma conceptuel du modèle RIVE utilisé dans le PIREN-Seine. Nous
simulons le cycle de l'oxygène en relation avec celui du carbone. Les processus modélisés sont le
développement phytoplanctonique, la dégradation de la matière organique par les bactéries hétérotrophes et
la production/consommation d'oxygène associée. Une ré-aération à l'interface air-eau est aussi prise en
compte. Le modèle simule les évolutions de 24 variables d'état relatives à la colonne d'eau et à la vase non
consolidée déposée sur le lit du fleuve. Les processus d'échange entre la colonne d'eau et les sédiments,
qu'ils soient diffusifs ou contraints par le dépôt et l'érosion, ont été introduits explicitement dans le modèle.
La couche de vase est également le siège de réactions biologiques.
Les résultats des simulations pour différents étiages sont confrontés aux données expérimentales dont
nous disposons. Ces résultats montrent que la conceptualisation retenue pour le modèle de simulation de la
qualité de l'eau est adaptée à la simulation des processus qui dominent dans ce secteur. Une comparaison
entre le modèle ProSe, développé à l'École des Mines de Paris, dans ses versions mono-dimensionnelles et à
tube de courant, et le modèle bi-dimensionnel TELEMAC-SUBIEF a été réalisée. Cette intercomparaison
permet, d'une part, de valider les développements réalisés au sein de SUBIEF 2D, le modèle ProSe ayant
été validé dans de nombreuses situations et, d'autre part, de montrer les différences de comportement des
modèles mono et bi-dimensionnels dans le secteur d'étude.

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