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BRGM

O 6 JUIL. 2006

BIBLIOTHEQUE

Guide méthodologie d'analyse desflux d'eau de procédé dans les

carrières de granulats pratiquant ladécantation naturelle

BRGM/RP 5461 1-FRMars 2006

S. Touzé, F. Bourgeois

^

Vérificateur :

Nom : A.G. Guezennec

Date: LC f ÙC f ÙQSignature :

(Ou Original signé par)

1 1 f "

Approbateur :

Nom : P. Freyssinet

Date : g^/^lccSignature :


?=e 1

Le système de management de la qualité du BRGIM est certifié AFAQ ISO 9001:2000

UN<

P-.G.

# Géosciences pour une Terre durable

brgm

BRGM

O 6 JUIL. 2006

BIBLIOTHEQUE

Guide méthodologie d'analyse desflux d'eau de procédé dans les

carrières de granulats pratiquant ladécantation naturelle

BRGM/RP 5461 1-FRMars 2006

S. Touzé, F. Bourgeois

^

Vérificateur :

Nom : A.G. Guezennec

Date: LC f ÙC f ÙQSignature :


1 1 f "

Approbateur :

Nom : P. Freyssinet

Date : g^/^lccSignature :


?=e 1

Le système de management de la qualité du BRGIM est certifié AFAQ ISO 9001:2000

UN<

P-.G.

# Géosciences pour une Terre durable

brgm

Mots clés : Décantation naturelle, bilan fiydrique, bassin de décantation, carrière de granulats.

En bibliograptiie, ce rapport sera cité de la façon suivante :

Touzé S. et Bourgeois F. (2006) - FLUDO - Méthodologie d'analyse des flux d'eau de procédédans les carrières de granulats pratiquant la décantation naturelle - Rapport final. BRGM/RP-5461 1-FR, 47 p., 6 fig., 4 annexes.

© BRGM, 2005, ce document ne peut être reproduit en totalité ou en partie sans l'autorisation expresse du BRGM.

Mots clés : Décantation naturelle, bilan fiydrique, bassin de décantation, carrière de granulats.

En bibliograptiie, ce rapport sera cité de la façon suivante :

Touzé S. et Bourgeois F. (2006) - FLUDO - Méthodologie d'analyse des flux d'eau de procédédans les carrières de granulats pratiquant la décantation naturelle - Rapport final. BRGM/RP-5461 1-FR, 47 p., 6 fig., 4 annexes.

© BRGM, 2005, ce document ne peut être reproduit en totalité ou en partie sans l'autorisation expresse du BRGM.

Guide méthodologique de bilan hydrique de bassins de décantation

Synthèse

rette étude, à l'initiative de l'Union Nationale des Producteurs de Granulats - Action

Granulats (UNPG-AG), s'inscrit dans la continuité de la démarche d'amélioration de lagestion environnementale des eaux de procédé entreprise par les producteurs degranulats français (préservation de l'eau, protection de l'environnement), qui passe parla mesure et l'analyse de l'utilisation de l'eau de lavage d'une carrière de granulats enactivité. Le projet FLUDO fait suite à 2 projets antérieurs financés par l'UNPG surl'analyse et les techniques d'optimisation du recyclage des eaux de procédé dans lescarrières de granulats pratiquant la décantation naturelle.

Le bilan hydrique proposé dans cette étude consiste à déterminer l'échange net avecla nappe à partir des mesures d'entrées et sorties des eaux de procédé, del'évapotranspiration, des précipitations et de la variation de stock dans le bassin. Laméthode choisie pour la détermination du bilan consiste à observer les courbes devolumes cumulés puis à déterminer le débit d'échange bassin-milieu souterrain netmoyen à partir des volumes cumulés. Le débit moyen d'échange net est calculé entredeux moments où le bassin a un niveau d'eau identique ; cela permet de s'affranchirdes volumes de battement du bassin

Le protocole de mesure des différentes composantes du débit hydraulique nécessite lamise en place d'équipements de mesure spécifique :

- Mesure des débits d'alimentation et de reprise du bassin par débitmètre à effetdoppler ;

- Mesure du niveau d'eau du bassin par un capteur à ultrasons ;

- Mesure des conditions météorologiques locales (température, humidité relative,vitesse du vent, précipitations) ;

- Mesure des concentrations solides en alimentation et sortie du bassin (mesuremanuelle).

La phase d'enregistrement des données doit être de trois semaines au minimum. Lesdonnées sont enregistrées par une centrale d'acquisition avec un pas de temps de 5minutes. La première étape du traitement des données consiste à lisser l'ensemble desdonnées par la méthode des moyennes glissantes. Les données lissées doiventensuite être revues avec un il critique pour bien apprécier leur cohérence. En casd'incohérence, une analyse critique de la méthode de mesure doit être menée pour entrouver la cause. Vient ensuite la phase de calculs des volumes cumulés puis du débitd'échange net moyen.

Pour rappel, le débit d'échange net du bassin est une résultantes des entrées et dessorties entre le bassin et le sous-sol. Un échange net nul ne signifie pas pour autantqu'il n'y a pas d'échange.

BRGM/RP-54611-FR


Synthèse

rette étude, à l'initiative de l'Union Nationale des Producteurs de Granulats - Action

Granulats (UNPG-AG), s'inscrit dans la continuité de la démarche d'amélioration de lagestion environnementale des eaux de procédé entreprise par les producteurs degranulats français (préservation de l'eau, protection de l'environnement), qui passe parla mesure et l'analyse de l'utilisation de l'eau de lavage d'une carrière de granulats enactivité. Le projet FLUDO fait suite à 2 projets antérieurs financés par l'UNPG surl'analyse et les techniques d'optimisation du recyclage des eaux de procédé dans lescarrières de granulats pratiquant la décantation naturelle.

Le bilan hydrique proposé dans cette étude consiste à déterminer l'échange net avecla nappe à partir des mesures d'entrées et sorties des eaux de procédé, del'évapotranspiration, des précipitations et de la variation de stock dans le bassin. Laméthode choisie pour la détermination du bilan consiste à observer les courbes devolumes cumulés puis à déterminer le débit d'échange bassin-milieu souterrain netmoyen à partir des volumes cumulés. Le débit moyen d'échange net est calculé entredeux moments où le bassin a un niveau d'eau identique ; cela permet de s'affranchirdes volumes de battement du bassin

Le protocole de mesure des différentes composantes du débit hydraulique nécessite lamise en place d'équipements de mesure spécifique :





La phase d'enregistrement des données doit être de trois semaines au minimum. Lesdonnées sont enregistrées par une centrale d'acquisition avec un pas de temps de 5minutes. La première étape du traitement des données consiste à lisser l'ensemble desdonnées par la méthode des moyennes glissantes. Les données lissées doiventensuite être revues avec un il critique pour bien apprécier leur cohérence. En casd'incohérence, une analyse critique de la méthode de mesure doit être menée pour entrouver la cause. Vient ensuite la phase de calculs des volumes cumulés puis du débitd'échange net moyen.

Pour rappel, le débit d'échange net du bassin est une résultantes des entrées et dessorties entre le bassin et le sous-sol. Un échange net nul ne signifie pas pour autantqu'il n'y a pas d'échange.

BRGM/RP-54611-FR


Sommaire

1. Introduction 7

1.1. RAPPEL DES OBJECTIFS DU PROJET 7

1.2. PRINCIPE 7

1.2.1. Définition du système 7

1.2.2. Bilan hydrique 8

2. Le système de mesure 13

2.1. MESURE DES DEBITS 13

2.2. MESURE DU NIVEAU D'EAU 14

2.3. MESURE DES CONDITIONS METEOROLOGIQUES 15

2.4. MESURE DE LA CONCENTRATION VOLUMIQUE EN SOLIDE 15

2.5. ACQUISITION DES DONNEES 15

2.6. LANCEMENT DE LA CAMPAGNE DE MESURE 16

3. Analyse des données 17

3.1. ANALYSE PRELIMINAIRE DES DONNEES DE TERRAIN 17

3.1.1. Volumes cumulés d'évapotranspiration (EVT) 17

3. 1.2. Volumes cumulés de précipitations 18

3. 1.3. Volumes cumulés d'eau de procédé 18

3.2. BILAN HYDRIQUE 20

3.3. NATURE DE L'ECHANGE NET AVEC LA NAPPE 21

3.3.1. Étude des niveaux piézométriques 21

3.3.2.Vidange du bassin 22

3.3.3. Essai de traçage chimique 22

3.3.4. Essai de traçage isotopique de l'eau 22

4. Conclusion 25

BRGIWRP-54611-FR


Sommaire

1. Introduction 7

1.1. RAPPEL DES OBJECTIFS DU PROJET 7

1.2. PRINCIPE 7

1.2.1. Définition du système 7

1.2.2. Bilan hydrique 8

2. Le système de mesure 13

2.1. MESURE DES DEBITS 13

2.2. MESURE DU NIVEAU D'EAU 14

2.3. MESURE DES CONDITIONS METEOROLOGIQUES 15

2.4. MESURE DE LA CONCENTRATION VOLUMIQUE EN SOLIDE 15

2.5. ACQUISITION DES DONNEES 15

2.6. LANCEMENT DE LA CAMPAGNE DE MESURE 16

3. Analyse des données 17

3.1. ANALYSE PRELIMINAIRE DES DONNEES DE TERRAIN 17

3.1.1. Volumes cumulés d'évapotranspiration (EVT) 17

3. 1.2. Volumes cumulés de précipitations 18

3. 1.3. Volumes cumulés d'eau de procédé 18

3.2. BILAN HYDRIQUE 20

3.3. NATURE DE L'ECHANGE NET AVEC LA NAPPE 21

3.3.1. Étude des niveaux piézométriques 21

3.3.2.Vidange du bassin 22

3.3.3. Essai de traçage chimique 22

3.3.4. Essai de traçage isotopique de l'eau 22

4. Conclusion 25

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Liste des figures

Figure 1 : Schéma simplifié des échanges d'un bassin de décantation 8

Figure 2 : Courbes de volumes cumulés d'un bassin qui fuit vers la nappe 10

Figure 3 : Courbes des volumes cumulés d'un bassin étanche 11

Figure 4 : Exemple d'installation de débitmètres à effet doppler dans des canalisations 14

Figures : Interface du logiciel MADOSOFT 16

Figure 6 : Détermination de la relation débit-hauteur 19

Liste des annexes

Annexe 1 Caractéristiques techniques du débitmètre HYDREKA 27

Annexe 2 Caractéristiques techniques des capteurs à ultrasons US6 31

Annexe 3 Caractéristiques techniques de la station météorologique 35

Annexe 4 Caractéristiques techniques de la centrale d'acquisition MADOSIX 39

BRGM/RP-54611-FR


Liste des figures

Figure 1 : Schéma simplifié des échanges d'un bassin de décantation 8

Figure 2 : Courbes de volumes cumulés d'un bassin qui fuit vers la nappe 10

Figure 3 : Courbes des volumes cumulés d'un bassin étanche 11

Figure 4 : Exemple d'installation de débitmètres à effet doppler dans des canalisations 14

Figures : Interface du logiciel MADOSOFT 16

Figure 6 : Détermination de la relation débit-hauteur 19

Liste des annexes

Annexe 1 Caractéristiques techniques du débitmètre HYDREKA 27

Annexe 2 Caractéristiques techniques des capteurs à ultrasons US6 31

Annexe 3 Caractéristiques techniques de la station météorologique 35

Annexe 4 Caractéristiques techniques de la centrale d'acquisition MADOSIX 39

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1. Introduction

1.1. RAPPEL DES OBJECTIFS DU PROJET

Ces travaux s'inscrivent dans la continuité de la démarche d'amélioration de la gestionenvironnementale des eaux de procédé entreprise par les producteurs de granulatsfrançais (préservation de l'eau, protection de l'environnement), qui passe par la mesureet l'analyse de l'utilisation de l'eau de lavage d'une carrière de granulats en activité. Leprojet FLUDO fait suite à 2 projets antérieurs :

- Synthèse technico-économique sur l'optimisation du recyclage des eaux deprocédé dans les carrières de granulats (Gaboriau et Le Berre, 2000).

- Recyclage des eaux de procédé dans les carrières de granulats. Etude descarrières pratiquant la décantation naturelle (Bourgeois et Gaboriau, 2002)

L'objectif du projet est de mettre au point une méthodologie adaptée à l'environnementdes carrières, qui permette de réaliser un bilan hydrique à l'échelle d'un bassin dedécantation ou d'un bassin d'eau claire. La méthodologie doit permettre aux exploitantsde quantifier les échanges nets d'eau entre un bassin et le milieu extérieur. Cetteinformation peut permettre aux exploitants d'améliorer le recyclage des eaux deprocédé sur le site, et de disposer de données fiables justifiant leur consommationd'eau.

Le projet a déjà fait l'objet de deux rapports axés sur l'étude de deux sites pour la miseau point de la méthodologie d'analyse des flux d'eau d'une carrière de granulats:Bourgeois F. 2004 et Touzé S. Bourgeois F. 2006.

1.2. PRINCIPE

Le bilan hydrique visent à établir la balance entre les entrées et les sorties en eau dubassin pendant une période de temps donné

1.2.1. Définition du système

Le système étudié est un bassin de décantation d'une carrière de granulat, les limitesspatiales du système sont les bords physiques de l'excavation et la surface de l'eau.

Les différentes composantes d'entrée et de sortie du bassin sont illustrées dans LaFigure 1.

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1. Introduction

1.1. RAPPEL DES OBJECTIFS DU PROJET

Ces travaux s'inscrivent dans la continuité de la démarche d'amélioration de la gestionenvironnementale des eaux de procédé entreprise par les producteurs de granulatsfrançais (préservation de l'eau, protection de l'environnement), qui passe par la mesureet l'analyse de l'utilisation de l'eau de lavage d'une carrière de granulats en activité. Leprojet FLUDO fait suite à 2 projets antérieurs :

- Synthèse technico-économique sur l'optimisation du recyclage des eaux deprocédé dans les carrières de granulats (Gaboriau et Le Berre, 2000).

- Recyclage des eaux de procédé dans les carrières de granulats. Etude descarrières pratiquant la décantation naturelle (Bourgeois et Gaboriau, 2002)

L'objectif du projet est de mettre au point une méthodologie adaptée à l'environnementdes carrières, qui permette de réaliser un bilan hydrique à l'échelle d'un bassin dedécantation ou d'un bassin d'eau claire. La méthodologie doit permettre aux exploitantsde quantifier les échanges nets d'eau entre un bassin et le milieu extérieur. Cetteinformation peut permettre aux exploitants d'améliorer le recyclage des eaux deprocédé sur le site, et de disposer de données fiables justifiant leur consommationd'eau.

Le projet a déjà fait l'objet de deux rapports axés sur l'étude de deux sites pour la miseau point de la méthodologie d'analyse des flux d'eau d'une carrière de granulats:Bourgeois F. 2004 et Touzé S. Bourgeois F. 2006.

1.2. PRINCIPE

Le bilan hydrique visent à établir la balance entre les entrées et les sorties en eau dubassin pendant une période de temps donné

1.2.1. Définition du système

Le système étudié est un bassin de décantation d'une carrière de granulat, les limitesspatiales du système sont les bords physiques de l'excavation et la surface de l'eau.

Les différentes composantes d'entrée et de sortie du bassin sont illustrées dans LaFigure 1.

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Pluie EVT Entrée buseNiveau du

bassin I îvi± 7

Sortie buse

Apport de la nappe

Débit > 0 ti Fuite vers la nappe

Débit < 0

Echange net avec la nappe =apport+fuite

Figure 1 : Schéma simplifié des échanges d'un bassin de décantation

Le débit d'échange net avec la nappe correspond à la s o m m e des apports de la nappeet des fuites vers la nappe. Lorsqu'il est positif le flux entre dans le bassin ; le bassinest en dépression par rapport à la nappe et les flux sortant du bassin sont infinimentpetits. A l'inverse lorsqu'il est négatif le flux sort du bassin ; le bassin est en charge parrapport à la nappe, et les flux entrant du bassin sont infiniment petits. Par contrelorsque cet échange net est nul, cela peut avoir deux explications : les flux entrant etsortant sont non nuls mais se compensent ou les flux entrants et sortant sont nuls.

Le bassin possède un volume de stockage important, sa variation est à prendre encompte dans le bilan. Les variations peuvent être négatives ou positives, le volume debattement correspondant est calculé à partir des fluctuations du niveau du bassin. Pouréviter toute ambiguïté, les termes « accumulation » et « essorage » du bassin sontdéfinis de la manière suivante :

- Accumulation : montée du niveau d'eau du bassin, débit d'entrée > débit de sortie

- Essorage : baisse du niveau d'eau du bassin, débit d'entrée < débit de sortie

1.2.2. Bilan hydrique

Le bilan hydrique proposé dans cette étude consiste à déterminer l'échange net avecla nappe à partir des mesures des entrées pluie et eau de procédé, des sorties E V T eteau de procédé et de la variation de stock dans le bassin.

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Bilan hydrique instantanée

Le bilan hydrique s'écrit dans notre cas:

Qstk = Qin + Qout +Qevt + Qpréc + Qech

Où:Oech Echange net avec la nappeQstk StockQin Entrée eau de procédé

Qout Sortie eau de procédéQevt Evapotranspiration (EVT)Qpréc Précipitation

Les flux sont des valeurs algébriques, c'est à dire qu'ils prennent une valeur >0 si leflux entre dans le bassin, et une valeur <0 s'il en sort. Par définition, Qout est toujours<0.

Le débit d'échange net s'obtient par l'équation suivante :

QEch = Qstk - (Qin + Qout +Qevt + Qpréc)

Les travaux réalisés démontrent que le calcul du bilan hydrique instantané est tout àfait réalisable et forme la base de l'information nécessaire à l'analyse fine dufonctionnement d'une lagune de décantation. Cependant, cette approche va au-delà dela question posée par les exploitants, qui souhaitent connaître et justifier l'échange netmoyen, et non pas instantané, entre les bassins qu'ils exploitent et le milieu. De ce fait,l'analyse instantanée du bilan hydrique, qui recquiert un suivi et une analyse dedonnées relativement complexes, n'est pas justifiée pour les exploitants dans le cadred'une analyse du bilan hydrique moyen. Une méthode épurée consiste à observer lescourbes de volumes cumulés puis à determiner le débit d'échange bassin-milieusouterrain net moyen à partir des volumes cumulés.

Observations des courbes de volumes cumulés

Sur beaucoup de carrières de granulats, le cycle de production est hebdomadaire, cequi entraîne une alternance de phases de pompage, de rejets d'eau de procédé etd'arrêt. Ce mode de fonctionnement impose des cycles de remise à l'équilibre desbassins de décantation. Sachant cela, l'observation des volumes cumulés d'entrée etsortie mesurés (entrée et sortie de buse, évapotranspiration (EVT) et pluviométrie)permet de connaître qualitativement le débit d'échange (négatif ou positif) du bassin, etainsi la qualité du recyclage.

Par exemple dans le cas d'un bassin qui a une fuite vers la nappe, les volumes desortie cumulés vont être inférieurs aux volumes d'entrée cumulés puisqu'une dessorties n'est pas comptabilisée. A chaque nouveau pas de temps, les volumescumulés vont s'éloigner un peu plus l'un de l'autre sans jamais se croiser. La figuresuivante illustre ce cas :

BRGM/RP-54611-FR


Bilan hydrique instantanée

Le bilan hydrique s'écrit dans notre cas:

Qstk = Qin + Qout +Qevt + Qpréc + Qech

Où:Oech Echange net avec la nappeQstk StockQin Entrée eau de procédé

Qout Sortie eau de procédéQevt Evapotranspiration (EVT)Qpréc Précipitation

Les flux sont des valeurs algébriques, c'est à dire qu'ils prennent une valeur >0 si leflux entre dans le bassin, et une valeur <0 s'il en sort. Par définition, Qout est toujours<0.

Le débit d'échange net s'obtient par l'équation suivante :

QEch = Qstk - (Qin + Qout +Qevt + Qpréc)

Les travaux réalisés démontrent que le calcul du bilan hydrique instantané est tout àfait réalisable et forme la base de l'information nécessaire à l'analyse fine dufonctionnement d'une lagune de décantation. Cependant, cette approche va au-delà dela question posée par les exploitants, qui souhaitent connaître et justifier l'échange netmoyen, et non pas instantané, entre les bassins qu'ils exploitent et le milieu. De ce fait,l'analyse instantanée du bilan hydrique, qui recquiert un suivi et une analyse dedonnées relativement complexes, n'est pas justifiée pour les exploitants dans le cadred'une analyse du bilan hydrique moyen. Une méthode épurée consiste à observer lescourbes de volumes cumulés puis à determiner le débit d'échange bassin-milieusouterrain net moyen à partir des volumes cumulés.

Observations des courbes de volumes cumulés

Sur beaucoup de carrières de granulats, le cycle de production est hebdomadaire, cequi entraîne une alternance de phases de pompage, de rejets d'eau de procédé etd'arrêt. Ce mode de fonctionnement impose des cycles de remise à l'équilibre desbassins de décantation. Sachant cela, l'observation des volumes cumulés d'entrée etsortie mesurés (entrée et sortie de buse, évapotranspiration (EVT) et pluviométrie)permet de connaître qualitativement le débit d'échange (négatif ou positif) du bassin, etainsi la qualité du recyclage.

Par exemple dans le cas d'un bassin qui a une fuite vers la nappe, les volumes desortie cumulés vont être inférieurs aux volumes d'entrée cumulés puisqu'une dessorties n'est pas comptabilisée. A chaque nouveau pas de temps, les volumescumulés vont s'éloigner un peu plus l'un de l'autre sans jamais se croiser. La figuresuivante illustre ce cas :

BRGM/RP-54611-FR


160

140

120

I 80u

E 60

40

20

0

V(entrée)'

• V(sortie) ,

3 0 / 1 2 1/1 3/1 5/1 7/1 9/1 11/1 13/1 15/1 17/1 19/1

date(j)

figure 2 : Courbes de volumes cumulés d'un bassin qui fuit vers la nappe

Dans le cas contraire (apport d'eau de la nappe vers le bassin) le volume mesurécumulé entrant va être supérieur à celui sortant.

Le troisième cas correspond à un bassin étanche, qui n'a pas d'échange avec lanappe, ou alors un échange net égal à zéro (entrée nappe = sortie nappe). Dans cecas, la mise à l'équilibre du bassin peut être observée sur les courbes de volumescumulés, car toutes les composantes d'entrée et de sortie sont comptabilisées.Concrètement, les courbes de volumes d'entrée et de sortie cumulés vont être, à tourde rôle, supérieures l'une à l'autre. La figure suivante illustre ce cas :

BRGM/RP-54611-FR 10


3

E3O

250

200

150

100

50

0

V(entrée)

V(sortie)

Croisement descourbes

30/12 1/1 3/1 5/1 7/1 9/1 11/1

date(j)

13/1 15/1 17/1 19/1

Figure 3 : Courbes des volumes cumulés d'un bassin étanche

Le bassin alterne les phases d'accumulation et d'essorage. Lorsque l'installation est enfonctionnement le débit entrant augmente plus fortement que le débit sortant, il y aaccumulation. A l'inverse quand l'installation est à l'arrêt, le débit sortant augmentetandis que le débit entrant devient nul, il y a essorage. Dans le cas exposé, une remiseà l'équilibre est observée avec la m ê m e périodicité (fin de week-end) car le débit d'eaude procédé est identique sur les deux semaines. Dans la réalité, le débit d'eau deprocédé fluctue ce qui entraîne une variation de la périodicité de la remise à l'équilibre.

L'observation de ces différents cas permet de constater que le « recyclage » est unedonnée à intégrer dans le temps et que sa valeur à un temps donné ne reflète pas lerecyclage réel du bassin. L'étude de l'étanchéité du bassin ne doit donc pas sefocaliser sur la périodicité ; par contre, elle doit se concentrer sur l'alternance de phased'accumulation et d'essorage qui sont synonymes de croisement des courbes devolumes cumulés d'entrée et de sortie. Si ces courbes se croisent et se décroisentindéfiniment, l'échange net avec la nappe est nul ; ce qui est ensuite confirmé parcalcul.

Pour pouvoir observer plusieurs cycles de remise à niveau, les mesures doivent êtreeffectuées sur au moins trois semaines.

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Echange net bassin-milieu souterrain moyen

Afin de nous affranchir du battement du bassin, le débit d'échange net moyen estcalculé entre deux temps où le niveau du bassin est identique. Cette condition permetde déterminer deux niveaux de référence entre lesquels les phases d'accumulation etd'essorage se sont compensées ; le volume de battement ou Qstk dans l'équation dubilan est donc nul entre ces deux temps. Les deux temps de référence doivent avoir unintervalle minimum de 7 jours pour prendre en compte le rythme hebdomadaire defonctionnement de la carrière.

Le calcul du débit net moyen se fait directement à partir des volumes cumulés :

QEch = [V(in),2 - V(in),i + V(out)t2 - V(out),i +V(EVT)c - V(EVT)ti + V(Préc)a - V(Préc),i] / (tj-ti)

Où:Qech débit moyen d'échange net avec la nappet2 , ti temps de référence avec des niveaux de bassin identiques, t2-ti ^ 7 joursVin volume cumulé entrée eau de procédé

Veut volume cumulé sortie eau de procédéVevt volume cumulé évapotranspiration (EVT)Vpréc volume cumulé précipitation

Entre ces deux temps une certaine quantité de solide s'est accumulée dans le bassin,ce qui a pour conséquence de décaler très légèrement le niveau de référence. Leniveau de référence à t2 est augmenté de la hauteur que représentent ces dépôts.Cette hauteur est calculée à partir de la concentration en solide et de la surface dubassin :

_ N(ref) + (V(in)^ - V(in)., ) x % solide

Oùt2 , tl temps de référence avec des niveaux de bassin identiques, t2-ti ^ 7 joursN(ref) niveau de référence du bassinV(in) volume cumulé entrée eau de procédé

% solide % volumique en matière solide dans le flux d'entréeSu surface utile du bassin

Si la différence entre les deux niveaux de référence est importante, la valeur t2 estensuite re-déterminé par itération successive.

BRGM/RP-54611-FR 12


Echange net bassin-milieu souterrain moyen

Afin de nous affranchir du battement du bassin, le débit d'échange net moyen estcalculé entre deux temps où le niveau du bassin est identique. Cette condition permetde déterminer deux niveaux de référence entre lesquels les phases d'accumulation etd'essorage se sont compensées ; le volume de battement ou Qstk dans l'équation dubilan est donc nul entre ces deux temps. Les deux temps de référence doivent avoir unintervalle minimum de 7 jours pour prendre en compte le rythme hebdomadaire defonctionnement de la carrière.

Le calcul du débit net moyen se fait directement à partir des volumes cumulés :

QEch = [V(in),2 - V(in),i + V(out)t2 - V(out),i +V(EVT)c - V(EVT)ti + V(Préc)a - V(Préc),i] / (tj-ti)

Où:Qech débit moyen d'échange net avec la nappet2 , ti temps de référence avec des niveaux de bassin identiques, t2-ti ^ 7 joursVin volume cumulé entrée eau de procédé

Veut volume cumulé sortie eau de procédéVevt volume cumulé évapotranspiration (EVT)Vpréc volume cumulé précipitation

Entre ces deux temps une certaine quantité de solide s'est accumulée dans le bassin,ce qui a pour conséquence de décaler très légèrement le niveau de référence. Leniveau de référence à t2 est augmenté de la hauteur que représentent ces dépôts.Cette hauteur est calculée à partir de la concentration en solide et de la surface dubassin :

_ N(ref) + (V(in)^ - V(in)., ) x % solide

Oùt2 , tl temps de référence avec des niveaux de bassin identiques, t2-ti ^ 7 joursN(ref) niveau de référence du bassinV(in) volume cumulé entrée eau de procédé

% solide % volumique en matière solide dans le flux d'entréeSu surface utile du bassin

Si la différence entre les deux niveaux de référence est importante, la valeur t2 estensuite re-déterminé par itération successive.

BRGM/RP-54611-FR 12


2. Le système de mesure

Avant la mise en place du système de mesure, il faut définir géographiquement lesystème étudié (limite du bassin) et connaître sa géométrie (surface totale du bassin etsurface utile si une partie des sédiments affleure).

Le système de mesure à mettre en place pour effectuer le bilan hydrique est lesuivant :





2.1. MESURE DES DEBITS

La mesure de débit peut être réalisée à partir d'un débitmètre à effet doppler. Leprincipe de mesure de ces appareils repose sur les mesures simultanées de la hauteurd'eau par un capteur de pression et de la vitesse d'écoulement par effet doppler.Connaissant la section du conduit, le produit foumit directement le débit traversant.Plus les écoulements sont chargés en fines, plus la mesure de vitesse est fiable du faitdes principes de l'effet doppler. La mise en service des débitmètres nécessite uncalibrage pour la mesure de la hauteur d'eau.

L'installation des débitmètres se fait dans des canalisations ou chenaux quasi vides.Dans le cas des débitmètres situés à la sortie de l'installation de lavage (avant l'entréedans les bassins de décantation), la mise en place a lieu pendant une période d'arrêtdu site. Pour les autres cas, il est nécessaire de boucher temporairement le conduit.L'ajustement dans le fond de la canalisation se fait au moyen d'un cerclage en acier. Sil'intérieur de la canalisation n'est pas accessible, il est nécessaire de la découper pourouvrir une fenêtre (environ sur 1m). Le temps de pose est variable, d'une heure dansune canalisation accessible à V2 journée pour l'installation dans une canalisationinaccessible qu'il faut préalablement découper. Les clichés suivants (Figure 4) illustrentces deux cas de figures.

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2. Le système de mesure

Avant la mise en place du système de mesure, il faut définir géographiquement lesystème étudié (limite du bassin) et connaître sa géométrie (surface totale du bassin etsurface utile si une partie des sédiments affleure).

Le système de mesure à mettre en place pour effectuer le bilan hydrique est lesuivant :





2.1. MESURE DES DEBITS

La mesure de débit peut être réalisée à partir d'un débitmètre à effet doppler. Leprincipe de mesure de ces appareils repose sur les mesures simultanées de la hauteurd'eau par un capteur de pression et de la vitesse d'écoulement par effet doppler.Connaissant la section du conduit, le produit foumit directement le débit traversant.Plus les écoulements sont chargés en fines, plus la mesure de vitesse est fiable du faitdes principes de l'effet doppler. La mise en service des débitmètres nécessite uncalibrage pour la mesure de la hauteur d'eau.

L'installation des débitmètres se fait dans des canalisations ou chenaux quasi vides.Dans le cas des débitmètres situés à la sortie de l'installation de lavage (avant l'entréedans les bassins de décantation), la mise en place a lieu pendant une période d'arrêtdu site. Pour les autres cas, il est nécessaire de boucher temporairement le conduit.L'ajustement dans le fond de la canalisation se fait au moyen d'un cerclage en acier. Sil'intérieur de la canalisation n'est pas accessible, il est nécessaire de la découper pourouvrir une fenêtre (environ sur 1m). Le temps de pose est variable, d'une heure dansune canalisation accessible à V2 journée pour l'installation dans une canalisationinaccessible qu'il faut préalablement découper. Les clichés suivants (Figure 4) illustrentces deux cas de figures.

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Ouverture d'une fenêtre Débitmètre après pose dans Fixation du débitmètre dansdans une canalisation canalisation acier canalisation bétonacier pour mise en placedu débitmètre.

Figure 4 ; Exemple d'installation de débitmètres à effet doppler dans des canalisations.

C e type de débitmètre peut être loué à la société H Y D R E K A pour un coût unitaire de335 € H T . pour 2 semaines ou 480 € H T . pour 4 semaines, auxquels s'ajoutent desfrais de location du câble de communication R S 2 3 2 (6 €) et frais de fret deséquipements. Les débitmètres H Y D R E K A sont équipés de leur propre batterie, et ontune capacité d'enregistrement de 128000 points de mesure.

La fréquence d'échantillonnage à fixer est de 5 minutes.

Les caractéristiques des débitmètres H Y D R E K A à effet doppler sont en Annexe 1.

2.2. MESURE DU NIVEAU D'EAU

Le niveau d'eau est mesuré par un capteur émergé à ultrasons. La mise en oeuvre d'untel système est simple, il suffit de positionner le capteur perpendiculairement à lasurface de l'eau à une hauteur minimale donnée par le fournisseur. Il doit être fixésolidement, car tout mouvement du capteur perturbe la mesure. Ensuite il doit êtrecalibré puis raccordé à la centrale d'acquisition.

Il faut prendre en compte les fluctuations du bassin pour éviter que le système soitimmergé et surtout pour planifier l'échelle de mesure à prendre en compte dans l'étapede calibrage. Seul l'ordre de grandeur est important : variation de plusieurs mètres,d'un mètre ou de quelques centimètres.

Le capteur U S 6 de la société P A N A T R O N I C est commercialisé pour un coût de 920 €H T l'unité, ce qui comprend le capteur (750 € HT) , 5 0 m de câble 4-20 m A blindédouble peau filin (4 € / m ) , et une prise de connexion {70 € HT) à la centraled'acquisition M A D O S O L O . Les caractéristiques principales des capteurs U S 6 sontdonnées en Annexe 2.

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2.3. MESURE DES CONDITIONS METEOROLOGIQUES

La station météorologique est constituée d'un trépied supportant un mât sur lequel sontfixés les capteurs de température, humidité relative, vitesse du vent et pluviométrie.Elle doit être installée à proximité du bassin, il faut éviter de la positionner sur unpromontoire.

Le coût de la station météorologique, avec ses 3 capteurs (T°, HR, vitesse du vent) etdu trépied permettant l'installation du support aluminium est 1390 ¤ HT. Le coût dupluviomètre est 385 ¤ HT.

Les caractéristiques principales des capteurs de la station météorologique sontdonnées en Annexe 3.

2.4. MESURE DE LA CONCENTRATION VOLUMIQUE EN SOLIDE

La mesure de la concentration solide en entrée et en sortie de bassin est une mesureponctuelle, exprimée en g/1. A partir de cette donnée et de la densité des sédiments, lepourcentage volumique en matière solide est calculé, il est considéré constant pendanttoute l'opération.

2.5. ACQUISITION DES DONNEES

Les données sont acquises au moyen d'une centrale compacte d'acquisition dedonnées multivoies conçue pour travailler dans des conditions de terrain etd'environnement difficiles.

La centrale MADOSIX est une centrale d'acquisition 6 voies produite par IRISinstrument, elle a un coût de 1300¤. Elle est autonome (3 piles 1.5V) et pour unefréquence d'acquisition de 5 minutes, elle peut enregistrer plus de 6 semaines dedonnées lorsque 5 de ses 6 voies sont utilisées.

Le téléchargement des données est particulièrement convivial. II suffit de brancherl'ordinateur portable à la centrale d'acquisition, de lancer le programme MADOSOFTPRO qui gère la centrale d'acquisition, et les données sont récupérées sur l'ordinateuren quelques minutes tout au plus, ce temps variant avec le nombre de donnéesenregistrées. Toutes les données peuvent être exportées en fichiers .txt qui sont ainsivisualisables dans un tableur comme MSExcel.

Pour l'instrumentation des bassins, une seule centrale d'acquisition est nécessaire, elleenregistre : température, humidité relative, vent, précipitation, et niveau d'eau. Pourque cela soit réaliste, la station météorologique doit être proche de la mesure duniveau d'eau.

Les capteurs de la centrale météorologique et celui à ultrasons sont pourvus deconnections pennettant de les relier directement à la centrale d'acquisition MADOSIX.Pour l'enregistrement des données de précipitation, la centrale doit être modifiée avecun convertisseur impulsion/tension.

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2.3. MESURE DES CONDITIONS METEOROLOGIQUES

La station météorologique est constituée d'un trépied supportant un mât sur lequel sontfixés les capteurs de température, humidité relative, vitesse du vent et pluviométrie.Elle doit être installée à proximité du bassin, il faut éviter de la positionner sur unpromontoire.

Le coût de la station météorologique, avec ses 3 capteurs (T°, HR, vitesse du vent) etdu trépied permettant l'installation du support aluminium est 1390 ¤ HT. Le coût dupluviomètre est 385 ¤ HT.

Les caractéristiques principales des capteurs de la station météorologique sontdonnées en Annexe 3.

2.4. MESURE DE LA CONCENTRATION VOLUMIQUE EN SOLIDE

La mesure de la concentration solide en entrée et en sortie de bassin est une mesureponctuelle, exprimée en g/1. A partir de cette donnée et de la densité des sédiments, lepourcentage volumique en matière solide est calculé, il est considéré constant pendanttoute l'opération.

2.5. ACQUISITION DES DONNEES

Les données sont acquises au moyen d'une centrale compacte d'acquisition dedonnées multivoies conçue pour travailler dans des conditions de terrain etd'environnement difficiles.

La centrale MADOSIX est une centrale d'acquisition 6 voies produite par IRISinstrument, elle a un coût de 1300¤. Elle est autonome (3 piles 1.5V) et pour unefréquence d'acquisition de 5 minutes, elle peut enregistrer plus de 6 semaines dedonnées lorsque 5 de ses 6 voies sont utilisées.

Le téléchargement des données est particulièrement convivial. II suffit de brancherl'ordinateur portable à la centrale d'acquisition, de lancer le programme MADOSOFTPRO qui gère la centrale d'acquisition, et les données sont récupérées sur l'ordinateuren quelques minutes tout au plus, ce temps variant avec le nombre de donnéesenregistrées. Toutes les données peuvent être exportées en fichiers .txt qui sont ainsivisualisables dans un tableur comme MSExcel.

Pour l'instrumentation des bassins, une seule centrale d'acquisition est nécessaire, elleenregistre : température, humidité relative, vent, précipitation, et niveau d'eau. Pourque cela soit réaliste, la station météorologique doit être proche de la mesure duniveau d'eau.

Les capteurs de la centrale météorologique et celui à ultrasons sont pourvus deconnections pennettant de les relier directement à la centrale d'acquisition MADOSIX.Pour l'enregistrement des données de précipitation, la centrale doit être modifiée avecun convertisseur impulsion/tension.

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La fréquence d'échantillonnage à fixer est de 5 minutes, ce qui permet unenregistrement sans intervention durant plus de 3 mois.

Les caractéristiques principales de la centrale d'acquisition M O A D O S I X sont donnéesen Annexe 4.

2.6. LANCEMENT DE LA CAMPAGNE DE MESURE

Lors du lancement de la campagne de mesure, il faut s'assurer que les acquisitions dedonnées ont :

- une horloge de temps identique ;

- un pas de temps identique ;

- une heure de début d'acquisition identique.

Cette opération permet d'éviter le travail d'interpolation des données pour leursynchronisation.

La figure suivante représente l'interface du logiciel de c o m m a n d e des centralesd'acquisition M A D O S I X : M A D O S O F T . Cette interface est différente de celle desdébitmètres à effet doppler mais les paramètres à programmer sont identiques.

MADOSOFT PRO

Fichier Communica t ion Fonctions Outils An:

Centiale | Dotnief état ]

Nombre de voie{s] Jacqurabon :

Acquisition m o y e m é e tu :

"äPll .v.lr.itr

-Programmation'

Début d'acquisition :

Intervale cfaccMtition :

Fin Jacquitition :

^ Configuration |

01/01/2000

OQOftOO

Paramètre* «vanees òes v w w

|i Pt. T |

Annuler

lypodevo«:

B l 00:00Batterie: 4 . 4 V

Acqusüion stoppée

24540

MADOSIX VI.0*

S / N : 0 00001601

Figure 5 : Interface du logiciel MADOSOFT

Sur l'interface, nous pouvons lire, la date et l'heure du début de l'acquisition ainsi quel'intervalle choisi.

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3. Analyse des données

Cette section présente la méthode utilisée pour aboutir au bilan hydrique d'un bassindurant la période de mesure.

3.1 . ANALYSE PRELIMINAIRE DES DONNEES DE TERRAIN

Les données enregistrées par les centrales d'acquisition sont ensuite intégrées surExcel. L'étape suivante consiste à lisser les données qui sont sujettes à un bruitnaturel, comme celui engendré par les vaguelettes à la surface de l'eau pour la mesurede niveau. D'une manière simple, le lissage peut être effectué au moyen d'unemoyenne glissante sur 15 à 30 minutes. Une moyenne glissante substitue à une valeurdonnée la moyenne des valeurs aux alentours, dans un intervalle de largeur donné. Encas de données incohérentes, une analyse critique de la méthode de mesure doit êtremenée pour en trouver la cause.

3.1.1. Volumes cumulés d'évapotranspiration (EVT)

L'EVT est calculée à partir des mesures de température T°, d'humidité relative HR etde vitesse du vent.

Le calcul de l'EVT selon l'équation de Ham (2002):

Avec: 65,(1) = 61 0.78 exp17.269 T237.3 -H T.

ou:EVT évapotranspiration (kg.m'^.s"^)Ts Température de la surface du bassin (°CTa Température de l'air (°C)es(T) pression de vapeur saturante à la température T (Pa)RH Humidité relative (fractionU vitesse du vent à la hauteur de référence, généralement autour

d'1 m au-dessus de la surface libre du bassin (m/s)Ce Coefficient de transfert de masse (adimensionnel) = 2.8 x 10'^Rd constant des gaz parfaits = 287.04 J.kg"\K"^

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3. Analyse des données

Cette section présente la méthode utilisée pour aboutir au bilan hydrique d'un bassindurant la période de mesure.

3.1 . ANALYSE PRELIMINAIRE DES DONNEES DE TERRAIN

Les données enregistrées par les centrales d'acquisition sont ensuite intégrées surExcel. L'étape suivante consiste à lisser les données qui sont sujettes à un bruitnaturel, comme celui engendré par les vaguelettes à la surface de l'eau pour la mesurede niveau. D'une manière simple, le lissage peut être effectué au moyen d'unemoyenne glissante sur 15 à 30 minutes. Une moyenne glissante substitue à une valeurdonnée la moyenne des valeurs aux alentours, dans un intervalle de largeur donné. Encas de données incohérentes, une analyse critique de la méthode de mesure doit êtremenée pour en trouver la cause.

3.1.1. Volumes cumulés d'évapotranspiration (EVT)

L'EVT est calculée à partir des mesures de température T°, d'humidité relative HR etde vitesse du vent.

Le calcul de l'EVT selon l'équation de Ham (2002):

Avec: 65,(1) = 61 0.78 exp17.269 T237.3 -H T.

ou:EVT évapotranspiration (kg.m'^.s"^)Ts Température de la surface du bassin (°CTa Température de l'air (°C)es(T) pression de vapeur saturante à la température T (Pa)RH Humidité relative (fractionU vitesse du vent à la hauteur de référence, généralement autour

d'1 m au-dessus de la surface libre du bassin (m/s)Ce Coefficient de transfert de masse (adimensionnel) = 2.8 x 10'^Rd constant des gaz parfaits = 287.04 J.kg"\K"^

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11 convient de noter qu'il s'agit d'un modèle algébrique, à savoir que EVT < 0 si Ts < Ta(evaporation), et EVT > 0 si Ts > Ta (condensation).

Vu la faible fiabilité du calcul de cette donnée, il faut veiller à ne pas travailler dans desconditions d'EVT importantes. II faut par exemple éviter d'effectuer le bilan en périodede fortes chaleurs (> 25''C) et/ou de vent importants (> 4m/s).

Les valeurs d'EVT calculées sont en kg.m'^.s"^ ou en m^m'^.s"^ (densité de l'eau = 1).Cette valeur doit être multipliée par le pas de temps (soit 5*60 secondes) et par lasurface utile du bassin. La valeur obtenue correspond au volume EVT en m^ produitpendant un intervalle de temps pour la surface du bassin étudié.

Ces données sont ensuite cumulées pour obtenir les volumes cumulés d'EVT.

3.1.2. Volumes cumulés de précipitations

Les précipitations sont mesurées par un pluviomètre à augets basculeurs. Cet appareilde mesure, renvoie un signal qui correspond au volume de pluie cumulé produitpendant l'intervalle de temps entre deux enregistrements des données. Les donnéessont exprimées en mm de pluie.

Pour obtenir les volumes cumulés de précipitation, les valeurs sont d'abord multipliéespar la surface totale du bassin puis sommées cumulativement.

3.1.3. Volumes cumulés d'eau de procédé

Les débitmètres HYDREKA mesurent, de manière indépendante, la hauteur d'eau parun capteur de pression calibré à la pression atmosphérique, et la vitesse d'écoulementpar effet doppler. Le débit est le produit de ces deux données, il est exprimé en m%.

Ce débit représente les débits de solide et les débits d'eau de procédé entrant etsortant des bassins. II faut donc soustraire le débit de solides aux débits d'eau deprocédé :

Qcorrigé = Qinitiai X (1-C) avec Q débit d'eau de procédé et C fraction volumique de solide

Pour obtenir les volumes cumulés au cours du temps, cette donnée est multipliée parl'intervalle de temps choisi pour l'acquisition, puis additionnée cumulativement.

Limites du débitmètre sur les mesures de vitesse

Les débits qui sont établis avec des vitesses inférieures à 0,05 m/s doivent êtreconsidérés comme nuls, car l'appareil atteint ses limites de détection.

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11 convient de noter qu'il s'agit d'un modèle algébrique, à savoir que EVT < 0 si Ts < Ta(evaporation), et EVT > 0 si Ts > Ta (condensation).

Vu la faible fiabilité du calcul de cette donnée, il faut veiller à ne pas travailler dans desconditions d'EVT importantes. II faut par exemple éviter d'effectuer le bilan en périodede fortes chaleurs (> 25''C) et/ou de vent importants (> 4m/s).

Les valeurs d'EVT calculées sont en kg.m'^.s"^ ou en m^m'^.s"^ (densité de l'eau = 1).Cette valeur doit être multipliée par le pas de temps (soit 5*60 secondes) et par lasurface utile du bassin. La valeur obtenue correspond au volume EVT en m^ produitpendant un intervalle de temps pour la surface du bassin étudié.

Ces données sont ensuite cumulées pour obtenir les volumes cumulés d'EVT.

3.1.2. Volumes cumulés de précipitations

Les précipitations sont mesurées par un pluviomètre à augets basculeurs. Cet appareilde mesure, renvoie un signal qui correspond au volume de pluie cumulé produitpendant l'intervalle de temps entre deux enregistrements des données. Les donnéessont exprimées en mm de pluie.

Pour obtenir les volumes cumulés de précipitation, les valeurs sont d'abord multipliéespar la surface totale du bassin puis sommées cumulativement.

3.1.3. Volumes cumulés d'eau de procédé

Les débitmètres HYDREKA mesurent, de manière indépendante, la hauteur d'eau parun capteur de pression calibré à la pression atmosphérique, et la vitesse d'écoulementpar effet doppler. Le débit est le produit de ces deux données, il est exprimé en m%.

Ce débit représente les débits de solide et les débits d'eau de procédé entrant etsortant des bassins. II faut donc soustraire le débit de solides aux débits d'eau deprocédé :

Qcorrigé = Qinitiai X (1-C) avec Q débit d'eau de procédé et C fraction volumique de solide

Pour obtenir les volumes cumulés au cours du temps, cette donnée est multipliée parl'intervalle de temps choisi pour l'acquisition, puis additionnée cumulativement.

Limites du débitmètre sur les mesures de vitesse

Les débits qui sont établis avec des vitesses inférieures à 0,05 m/s doivent êtreconsidérés comme nuls, car l'appareil atteint ses limites de détection.

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Limites du débitmètre sur les mesures de hauteur

Lorsque le débitmètre H Y D R E K A est posé directement dans la conduite, il ne donnepas de donnée cohérente lorsque la hauteur d'eau est inférieure à 22 m m dans leconduit (hauteur du capteur).

Il faut donc vérifier les valeurs de la hauteur d'eau avant d'exploiter les résultatsdonnés sur les débits. Si des valeurs de hauteur sont inférieures à 22 m m , l'ensembledes données de débits est à retraiter.

Les étapes de traitement sont les suivantes :

1. Récupérer les valeurs de hauteur en fonction du débit2. Supprimer les points dont la hauteur < 2 2 m m3. Utiliser le S O L V E U R d'Excel avec la formule Q (m3/h) = a * [h ( m m ) ]b sur les

données remaniées hauteur-débit pour déterminer les coefficient a et b4 . Utiliser ces coefficients pour recalculer les débits pour l'intégralité des valeurs

de hauteur5. Vérifier l'adéquation entre les débits recalculés et les débits initiaux

La figure suivante est un exemple de traitement des données par cette méthode. Lespoints représentent les valeurs initiales de débit-hauteur et la courbe les valeurscorrigées.

0 40 100 200

Débit (m3/h)

300 400

Figure 6 : Détermination de la relation débit-hauteur

La valeur de l'exposant doit être cohérente avec celle d'un déversoir qui estgénéralement caractérisé par un exposant de valeur 3/2.

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3.2. BILAN HYDRIQUE

La première étape du bilan hydrique est de sommer les entrées entre elles(précipitation et entrée eaux de procédé) et les sorties entre elles (EVT et sortie eauxde procédé). Pour cela il faut s'assurer que les références temporelles sont identiques,ce qui devrait être le cas si les précautions indiquées pour de lancement desacquisitions ont été respectées. Si cela n'est pas le cas, un travail d'interpolation doitêtre mené pour synchroniser les données. Une simple interpolation linéaire peut êtreutilisée.

Une fois les volumes cumulés entrant et sortant calculés, une première interprétationdes résultats est à effectuer à partir de l'observation des courbes. Les différents cas defigures sont les suivants :

Observations

Eloignement des courbes, Vendant > V sortant

Eloignement des courbes, Vsortam > V entrant

Alternance de croisement et décroisement des courbes

Interprétation

Fuite du bassin vers la nappe

Apport de la nappe vers le bassin

Echange net nul

Une fois ces observations faites, l'étape finale consiste à calculer l'échange net avec lanappe ; pour cela il faut :

1. repérer deux temps ti et t2, avec un intervalle > 7 jours, où les bassins ont desniveaux identiques, Nref(i)

2. corriger le niveau de référence Nref(2)

3. Si la différence entre les deux niveaux de référence (Nref(2rNref(i)) estimportante, redéterminer un nouveau t2 par itérations successives, sinon lenégliger

4. calculer le débit net d'échange moyen avec la nappe, Qech

L'équation générale du calcul du bilan est la suivante :

OecH = [V(entrant)t2 - V(entrant)ti + V(sortant)i2 - V(sortant)ti] / (t2-ti)

Où:

QEch débit moyen d'échange net avec la nappe

t2 , ti temps de référence avec des niveaux de bassin identiques, t2-ti s 7 jours

Ventrant volumo cumuIé entrant

Vsortant volume cumuIé sortant (valeur algébrique)

L'équation de correction du niveau de référence est la suivante :

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3.2. BILAN HYDRIQUE

La première étape du bilan hydrique est de sommer les entrées entre elles(précipitation et entrée eaux de procédé) et les sorties entre elles (EVT et sortie eauxde procédé). Pour cela il faut s'assurer que les références temporelles sont identiques,ce qui devrait être le cas si les précautions indiquées pour de lancement desacquisitions ont été respectées. Si cela n'est pas le cas, un travail d'interpolation doitêtre mené pour synchroniser les données. Une simple interpolation linéaire peut êtreutilisée.

Une fois les volumes cumulés entrant et sortant calculés, une première interprétationdes résultats est à effectuer à partir de l'observation des courbes. Les différents cas defigures sont les suivants :

Observations

Eloignement des courbes, Vendant > V sortant

Eloignement des courbes, Vsortam > V entrant

Alternance de croisement et décroisement des courbes

Interprétation

Fuite du bassin vers la nappe

Apport de la nappe vers le bassin

Echange net nul

Une fois ces observations faites, l'étape finale consiste à calculer l'échange net avec lanappe ; pour cela il faut :

1. repérer deux temps ti et t2, avec un intervalle > 7 jours, où les bassins ont desniveaux identiques, Nref(i)

2. corriger le niveau de référence Nref(2)

3. Si la différence entre les deux niveaux de référence (Nref(2rNref(i)) estimportante, redéterminer un nouveau t2 par itérations successives, sinon lenégliger

4. calculer le débit net d'échange moyen avec la nappe, Qech

L'équation générale du calcul du bilan est la suivante :

OecH = [V(entrant)t2 - V(entrant)ti + V(sortant)i2 - V(sortant)ti] / (t2-ti)

Où:

QEch débit moyen d'échange net avec la nappe

t2 , ti temps de référence avec des niveaux de bassin identiques, t2-ti s 7 jours

Ventrant volumo cumuIé entrant

Vsortant volume cumuIé sortant (valeur algébrique)

L'équation de correction du niveau de référence est la suivante :

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_ N(reQ -h(V(in)^ - V(in) Jx%solideiNt^reijj, -

Où

t2 , tl temps de référence avec des niveaux de bassin identiques, t2-ti ^ 7 jours

N(ref) niveau de référence du bassin

V(in) volume cumulé entrée eau de procédé

% solide % volumique en matière solide dans le flux d'entrée

Su surface utile du bassin

3.3. NATURE DE L'ECHANGE NET AVEC LA NAPPE

L'analyse conduite à ce jour a permis de mettre au point une méthode de résolution quipermet d'aboutir à un débit d'échange net moyen entre le bassin et le milieu extérieur.Lorsque cet échange est négatif ou positif, le résultat est directement exploitable, il

exprime l'échange moyen entre la nappe et le milieu. En revanche, dans le cas d'unéchange net nul, il n'est pas possible de savoir si des flux existent mais se compensentou si les flux sont nuls.

Pour connaître la nature d'un l'échange net nul avec la nappe, sans pour autantquantifier ses différentes composantes, plusieurs options existent : étude des niveauxpiézométriques, vidange du bassin, essai de traçage chimique et essai de traçageisotopique. Elles sont expliquées sommairement dans ce chapitre.

3.3.1. Étude des niveaux piézométriques

Cette méthode demande d'avoir deux piézomètres directement en amont et en aval dubassin étudié et d'observer les niveaux piézométriques de la nappe en même tempsque le niveau du bassin. Le choix de l'emplacement des piézomètres est important. Ilsne doivent pas être trop loin du bassin pour s'assurer qu'ils mesurent bien les niveauxde la nappe en contact avec le bassin. Ils ne doivent pas, non plus, être trop prêts pouréviter les perturbations engendrées par la proximité des berges du bassin. Lesobservations de niveaux doivent être réalisées pendant plusieurs mois (3 moisminimum), à des périodes où il existe de fortes variations du niveau de la nappe(période de fortes pluies). Si la nappe a de faibles variations (de l'ordre de la dizaine decentimètres) tout au long de l'année, cette méthode est difficilement réalisable. Si lesniveaux du bassin et nappe évoluent de manière identique, il existe une connexionimportante entre les deux systèmes ; l'échange n'est pas négligeable. Plus le temps deréponse entre les deux systèmes est important, moins l'échange est important. Cetteméthode ne permet pas de quantifier les flux d'échanges mais de savoir si leséchanges sont importants ou faibles.

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_ N(reQ -h(V(in)^ - V(in) Jx%solideiNt^reijj, -

Où

t2 , tl temps de référence avec des niveaux de bassin identiques, t2-ti ^ 7 jours

N(ref) niveau de référence du bassin

V(in) volume cumulé entrée eau de procédé

% solide % volumique en matière solide dans le flux d'entrée

Su surface utile du bassin

3.3. NATURE DE L'ECHANGE NET AVEC LA NAPPE

L'analyse conduite à ce jour a permis de mettre au point une méthode de résolution quipermet d'aboutir à un débit d'échange net moyen entre le bassin et le milieu extérieur.Lorsque cet échange est négatif ou positif, le résultat est directement exploitable, il

exprime l'échange moyen entre la nappe et le milieu. En revanche, dans le cas d'unéchange net nul, il n'est pas possible de savoir si des flux existent mais se compensentou si les flux sont nuls.

Pour connaître la nature d'un l'échange net nul avec la nappe, sans pour autantquantifier ses différentes composantes, plusieurs options existent : étude des niveauxpiézométriques, vidange du bassin, essai de traçage chimique et essai de traçageisotopique. Elles sont expliquées sommairement dans ce chapitre.

3.3.1. Étude des niveaux piézométriques

Cette méthode demande d'avoir deux piézomètres directement en amont et en aval dubassin étudié et d'observer les niveaux piézométriques de la nappe en même tempsque le niveau du bassin. Le choix de l'emplacement des piézomètres est important. Ilsne doivent pas être trop loin du bassin pour s'assurer qu'ils mesurent bien les niveauxde la nappe en contact avec le bassin. Ils ne doivent pas, non plus, être trop prêts pouréviter les perturbations engendrées par la proximité des berges du bassin. Lesobservations de niveaux doivent être réalisées pendant plusieurs mois (3 moisminimum), à des périodes où il existe de fortes variations du niveau de la nappe(période de fortes pluies). Si la nappe a de faibles variations (de l'ordre de la dizaine decentimètres) tout au long de l'année, cette méthode est difficilement réalisable. Si lesniveaux du bassin et nappe évoluent de manière identique, il existe une connexionimportante entre les deux systèmes ; l'échange n'est pas négligeable. Plus le temps deréponse entre les deux systèmes est important, moins l'échange est important. Cetteméthode ne permet pas de quantifier les flux d'échanges mais de savoir si leséchanges sont importants ou faibles.

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3.3.2. Vidange du bassin

Cette méthode nécessite d'an-êter l'installation afin de n'avoir aucune entrée et sortied'eaux de procédé puis de baisser le niveau du bassin de plus d'un mètre parpompage. Ce procédé permet de rompre artificiellement l'équilibre entre le bassin et lanappe. La méthode consiste à observer l'évolution du niveau, si

- le niveau du bassin augmente > apport de la nappe

- le niveau du bassin diminue -+ fuite vers la nappe

- le niveau reste identique bassin étanche

Le temps d'observation peut être calculé à partir de la surface du bassin et d'un débitd'échange maximal négligeable. A partir de la vitesse de remplissage ou de vidage, ledébit d'échange peut être calculé.

Cette méthode demande un arrêt prolongé de l'installation et l'existence d'une zone detransfert de l'eau pompée.

3.3.3. Essai de traçage chimique

Le traçage chimique classique, type traçage à la fluorine, n'est pas adapté au contexte« bassins de décantation de carrières de granulats » à cause de la trop forte dilutiondes produits dans les bassins. C'est aussi bien le cas pour un traçage amont-bassinque bassin-aval. Dans tout les cas, la dilution du traceur dans un bassin de plus d'unhectare est telle, qu'elle ne peut être sujette à interprétation.

Le traçage peut s'opérer sur une zone géographique ciblée du bassin. Par exemple,des essais de perméabilité peuvent être faits sur une zone délimitée d'une berge. Cesessais se font au moyen d'une cloche dans laquelle est injecté un traceur. Le suivi dela perméabilité se fait par un piézomètre situé juste derrière la berge étudiée. Cetteméthode permet de tester uniquement la perméabilité de la zone étudiée, les résultatsne sont pas forcement applicables au reste du bassin.

3.3.4. Essai de traçage isotopique de l'eau

L'eau, en fonction de son histoire, n'a pas la même distribution en isotopes del'oxygène et de l'hydrogène. Les variations de concentrations sont dues à desphénomènes de changement de phases : condensation et evaporation.

Dans la plupart des cas, au moment de sa mise en service, le bassin est alimenté parde l'eau de la nappe. Au fur à mesure, les particules fines vont colmater le bassin, etles échanges entre la nappe et le bassin vont diminuer.

Si les conditions listées ci-dessous sont réunies, le bassin et la nappe vont avoir unmarquage isotopique différent.

- bassin étanche depuis plus d'un an ;

BRGM/RP-54611-FR 22


3.3.2. Vidange du bassin

Cette méthode nécessite d'an-êter l'installation afin de n'avoir aucune entrée et sortied'eaux de procédé puis de baisser le niveau du bassin de plus d'un mètre parpompage. Ce procédé permet de rompre artificiellement l'équilibre entre le bassin et lanappe. La méthode consiste à observer l'évolution du niveau, si

- le niveau du bassin augmente > apport de la nappe

- le niveau du bassin diminue -+ fuite vers la nappe

- le niveau reste identique bassin étanche

Le temps d'observation peut être calculé à partir de la surface du bassin et d'un débitd'échange maximal négligeable. A partir de la vitesse de remplissage ou de vidage, ledébit d'échange peut être calculé.

Cette méthode demande un arrêt prolongé de l'installation et l'existence d'une zone detransfert de l'eau pompée.

3.3.3. Essai de traçage chimique

Le traçage chimique classique, type traçage à la fluorine, n'est pas adapté au contexte« bassins de décantation de carrières de granulats » à cause de la trop forte dilutiondes produits dans les bassins. C'est aussi bien le cas pour un traçage amont-bassinque bassin-aval. Dans tout les cas, la dilution du traceur dans un bassin de plus d'unhectare est telle, qu'elle ne peut être sujette à interprétation.

Le traçage peut s'opérer sur une zone géographique ciblée du bassin. Par exemple,des essais de perméabilité peuvent être faits sur une zone délimitée d'une berge. Cesessais se font au moyen d'une cloche dans laquelle est injecté un traceur. Le suivi dela perméabilité se fait par un piézomètre situé juste derrière la berge étudiée. Cetteméthode permet de tester uniquement la perméabilité de la zone étudiée, les résultatsne sont pas forcement applicables au reste du bassin.

3.3.4. Essai de traçage isotopique de l'eau

L'eau, en fonction de son histoire, n'a pas la même distribution en isotopes del'oxygène et de l'hydrogène. Les variations de concentrations sont dues à desphénomènes de changement de phases : condensation et evaporation.

Dans la plupart des cas, au moment de sa mise en service, le bassin est alimenté parde l'eau de la nappe. Au fur à mesure, les particules fines vont colmater le bassin, etles échanges entre la nappe et le bassin vont diminuer.

Si les conditions listées ci-dessous sont réunies, le bassin et la nappe vont avoir unmarquage isotopique différent.

- bassin étanche depuis plus d'un an ;

BRGM/RP-54611-FR 22


- pas de contact avec la nappe dans l'ensemble du circuit (par exemple pas de bassind'eau clair non étanchéifié) ;

- pas d'apport d'eau extérieure au système ou alors apport négligeable par rapportaux précipitations et à l'évapotranspiration.

La méthode consiste donc à faire des analyses sur les isotopes de l'eau en plusieurspoints pour voir si un marquage différent est observé entre le bassin et la nappe. Lesanalyses sont à réaliser sur les rapports isotopiques D/H de l'hydrogène de l'eau (5D)et 180/160 de l'oxygène de l'eau (5180). Si un marquage significativement différentest observé, l'échange avec la nappe est négligeable.

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- pas de contact avec la nappe dans l'ensemble du circuit (par exemple pas de bassind'eau clair non étanchéifié) ;

- pas d'apport d'eau extérieure au système ou alors apport négligeable par rapportaux précipitations et à l'évapotranspiration.

La méthode consiste donc à faire des analyses sur les isotopes de l'eau en plusieurspoints pour voir si un marquage différent est observé entre le bassin et la nappe. Lesanalyses sont à réaliser sur les rapports isotopiques D/H de l'hydrogène de l'eau (5D)et 180/160 de l'oxygène de l'eau (5180). Si un marquage significativement différentest observé, l'échange avec la nappe est négligeable.

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4. Conclusion

A partir d'un suivi métrologique, une méthode pratique d'estimation de l'échangemoyen net entre la lagune et le milieu a été mise au point. Cette méthode nécessite lesuivi des débits entrants et sortants, l'enregistrement des conditions météorologiqueset des niveaux d'eau. L'analyse s'oD(5ére entre deux temps où les niveaux d'eau sontidentiques. Cette approche pennet de ne pas avoir à se soucier du terme "stock d'eau"du bilan eau. Par ce biais, les exploitants peuvent en un minimum de trois semainesmesurer l'échange net moyen, et ainsi apporter des éléments quantitatifs importants dupoint de vue du recyclage des eaux de lavage des granulats.

La méthode développée dans cette étude permet d'estimer le débit d'échange netmoyen à un temps donnée entre le bassin et le milieu extérieur. Dans le cas d'unéchange net nul, la méthode ne permet pas de différencier les différentes composantesde l'échange. Pour connaître la nature de l'échange net avec la nappe, plusieurs pistesexistent : étude des niveaux piézométriques, vidange du bassin, essai de traçagechimique et essai de traçage isotopique.

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4. Conclusion

A partir d'un suivi métrologique, une méthode pratique d'estimation de l'échangemoyen net entre la lagune et le milieu a été mise au point. Cette méthode nécessite lesuivi des débits entrants et sortants, l'enregistrement des conditions météorologiqueset des niveaux d'eau. L'analyse s'oD(5ére entre deux temps où les niveaux d'eau sontidentiques. Cette approche pennet de ne pas avoir à se soucier du terme "stock d'eau"du bilan eau. Par ce biais, les exploitants peuvent en un minimum de trois semainesmesurer l'échange net moyen, et ainsi apporter des éléments quantitatifs importants dupoint de vue du recyclage des eaux de lavage des granulats.

La méthode développée dans cette étude permet d'estimer le débit d'échange netmoyen à un temps donnée entre le bassin et le milieu extérieur. Dans le cas d'unéchange net nul, la méthode ne permet pas de différencier les différentes composantesde l'échange. Pour connaître la nature de l'échange net avec la nappe, plusieurs pistesexistent : étude des niveaux piézométriques, vidange du bassin, essai de traçagechimique et essai de traçage isotopique.

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Annexe 1 :

Caractéristiques techniques du débitmètreHYDREKA

BRGM/RP-54611-FR 27


Annexe 1 :

Caractéristiques techniques du débitmètreHYDREKA

BRGM/RP-54611-FR 27


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Annexe 2 :

Caractéristiques techniques des capteurs àultrasons US6

BRGM/RP-54611-FR 31


Annexe 2 :

Caractéristiques techniques des capteurs àultrasons US6

BRGM/RP-54611-FR 31


CAPTEURS ULTRASONS

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Annexe 3 :

Caractéristiques techniques de la stationmétéorologique

BRGM/RP-54611-FR 35


Annexe 3 :

Caractéristiques techniques de la stationmétéorologique

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Trépied

Humidité ettempérature Humidité capteur WE600

Temperature capteur WE700Abris météo WE770Capteur d'humiditaTyps. CapacitifSome 4-2C mAGamme Oà 100% RHPrécision ±2% R HAlimentation. 10-36VDCConsommation- 3mA plus la sortieTemporisation: 3 secondes minimumtempératured'utilisation. -40"à *S5~CC

Captif cfc t<*mpwa(un>Some 4-20 mAGamme. -50 Cro *50'CPrécision. ±0 ( ' CAlimentation 10-36 VDCConsommation ióenüque à la sonieTempcnsanort 5 secondes minimumtempérature d'utilisation. -40' à +tO0'C

Abris mótéoDin&nstor.s diamètre 4 Douces

AnémomètreVitesse du vent -capteur W E 5 5 0

Sortie: 4-20m.iGamme: 0 n So m sPrécision: ±01 mis.tliittcnhinon: i0-$o l'DCCo/totwimniwt: identiiiue a lu sortieTemporisation: ) secondes minimum

-40-û \?

Vue d'ensemble dupluviomètre àaugets

Vue sur les 2augets

Duimètre : S "'rccision : 3"n avec une

ioniêtrique de HMlmin h et S"« aveciiHen>ite plu\ i omet ri que de 2iK>mm hC onLici : 3 W . 2 S \ " A C . ( U 5 ALivré avec lOm de câble 2 conducteurs

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Annexe 4 :

Caractéristiques techniques de la centraled'acquisition MADOSIX

BRGM/RP-54611-FR 39


Annexe 4 :

Caractéristiques techniques de la centraled'acquisition MADOSIX

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Centrale d'acquisition autonome6 voies de mesureConnexion possible d'un m o d e m

M A D O SIX est une cerníale J'acquisition per formantepennettani d'enrcjçistier simultanément les signauxfournis par 6 capteurs.ü m faible encombrement et sa mise en pince rapide entont un outil de terrain très pratique.

Le logiciel M A D O S O F T Pro, particulièrement conuvul, permet une gestion complète du la centralesous e i m n m n c m e m Windows* 95/lJK/Me/2l.HHi :

• Définition des \ oies • Programmation de lacentr.de • Déchargement des données

• Paramétrage des capteurs • Test sur site • Visualisation des données etexport en tlchier "txt"

Caractéristiques techniques :• Intervalle d'enregistrement : programmable de 10 secondes à 99 heures

• Type de mémoire : interne non volaille

• Capacité mémoire : 24500 mesures

• Ginvertjsseur : 24 bits

• Alimentation (interne) : 3 piles alcalines R20 (1.5V - Taille D )

• Autonomie : emiron 1 an (mec 4 capteurs 4/2(1 m A et un intervalle de mesure de 1 heure}

• Dimensions : 260 x 200 x 100 m m (Lx 1 x h)

• Poids : 1.5 kg (avec pues)

• Température de fonctionnement : 20 ° C à +70 °C

• Boîtier : polycarbonate - IP 6~

Principaux atouts :• L.i centrale M A D O SIX possède en standard 4 \oies 4/20 m A et 2 \oies tension. Moyennant

l'ajout d'un module interne, 1 \oie tension peut être dédiée à un compta^ permettant ainsid'enregistrer des signaux impulsionncls (fournis par un pluviomètre par exemple...).

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ô Géosciencss pour une Terre durable

brgmCentre scientifique et technique

Service Environnement et Procédés3, avenue Claude-Guillemin

BP 6009 - 45060 Orléans Cedex 2 - France - Tél. : 02 38 64 34 34

ô Géosciencss pour une Terre durable

brgmCentre scientifique et technique

Service Environnement et Procédés3, avenue Claude-Guillemin

BP 6009 - 45060 Orléans Cedex 2 - France - Tél. : 02 38 64 34 34

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