Study of transverse mixing in non uniform open channel flow
Etude du mélange transverse en écoulement à surface libre non uniforme
Résumé
Estimating the transverse mixing in rivers is essential for a better estimation of pollutant dispersion, and the determination of concentration levels in order to anticipate sanitary risks. It is usually estimated using a simple model that supposes uniform flow conditions in the main flow direction (constant flow velocity and depth along the direction of the flow), and introduces a "transverse mixing" coefficient that quantifies transverse mixing efficiency. River studies usually assume uniformity, and report values of the coefficient much higher than in laboratory studies for which the uniformity condition is verified, without explanation. The work presented here aims at verifying if the flow longitudinal non-uniformity (accelerated or decelerated), oftenly observed in rivers and not studied in laboratory, can increase the transverse mixing. In situ tracing experiments are undertaken in the Durance river, a piedmont river that exhibits a strong longitudinally non uniform flow. A first field experiment reveals the increase of the transverse mixing coefficent as the non-uniformity parameter increases. A new equation including the flow non-uniformity parameter fits our experimental data with high accuracy, and explains the high values of the transverse mixing coefficient in rivers. A second field experiment focuses on the difficulties of properly estimating the characteristic quantities of the mean flow and its impacts on the measured value of the transverse mixing coefficient. Finally, in situ tracing experiments in a straight laboratory channel with controlled conditions confirms the increase of the transverse mixing efficiency in an accelerated flow compared to a uniform flow. Further experimentations are required in order to understand the physical mecanism responsible for this increase in a non uniform flow, and to determine a more general empirical law for predicting the value of the transverse mixing coefficient in a river.
Ce travail de thèse s’inscrit dans une problématique de modélisation et gestion des rejets en rivière, et plus particulièrement sur la façon dont les rejets se mélangent au sein d’une section perpendiculaire à l’écoulement. La prédiction de ce mélange est essentielle pour estimer les niveaux de concentration à l’aval des rejets et anticiper les impacts sanitaires et environnementaux. Elle se fait habituellement à l’aide d’un modèle simplifié qui suppose un écoulement uniforme longitudinalement (vitesse et profondeur constantes le long du cours d’eau), et introduit un coefficient dit « de mélange transverse », qui quantifie l’efficacité du mélange. Les études en rivière supposent l’uniformité longitudinale de l’écoulement, et rapportent des valeurs de ce coefficient souvent bien supérieures à celles en laboratoire pour lesquelles l’uniformité longitudinale de l’écoulement est vérifiée, et ce, sans explication plausible. L’objectif de cette thèse est de vérifier si le mélange transverse en rivière est accentué par un écoulement non-uniforme (accéléré ou décéléré) souvent observé sur le terrain, et non étudié en laboratoire. Pour répondre à cet objectif, des expériences de traçages in-situ ont eu lieu dans la Durance, une rivière de piémont présentant des écoulements non-uniformes longitudinalement. Une première campagne de mesure en rivière met en évidence une augmentation du coefficient de mélange transverse avec l’augmentation du paramètre de non-uniformité longitudinale de l’écoulement, aboutissant à une loi empirique permettant de prédire et d’expliquer les fortes valeurs du coefficient en rivières. Une deuxième campagne montre ensuite la forte influence de la résolution spatiale des mesures utilisées pour moyenner les paramètres hydrauliques du modèle simplifié, ainsi que le paramètre de non-uniformité. Enfin, une étude en conditions contrôlées de laboratoire, produisant des écoulement accélérés, confirme l’augmentation du coefficient de mélange transverse par rapport à un écoulement uniforme. Des expérimentations plus poussées restent cependant requises afin de comprendre les mécanismes associés à l’augmentation de l’efficacité du mélange en écoulement non uniforme, ainsi que pour établir une loi opérationnelle permettant de prédire le coefficient de mélange transverse dans une de rivière de piémont.
Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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