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Jun 19, 2023

Vitesses de sédimentation des solides organiques grossiers

Scientific Reports volume 13, Numéro d'article : 12436 (2023) Citer cet article 116 Accès aux détails des métriques La vitesse de sédimentation d'une particule fait partie intégrante de la modélisation des eaux pluviales et

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 12436 (2023) Citer cet article

116 Accès

Détails des métriques

La vitesse de sédimentation d’une particule fait partie intégrante de la modélisation et de la conception des eaux pluviales. La vitesse de sédimentation peut être utilisée pour prédire le devenir et le transport des particules des eaux pluviales et pour déterminer si les particules contribuent à la charge en éléments nutritifs dans un bassin versant. La prévision de la vitesse de sédimentation des particules inorganiques est généralement bien documentée et bien comprise. Les propriétés physiques des particules organiques ont tendance à varier considérablement et il n’existe actuellement aucune norme établie ni équation empirique pour estimer la vitesse de sédimentation des particules organiques. Cet article présente des données provenant d'expériences sur la vitesse de sédimentation des feuilles et des graines d'arbres afin de mieux comprendre comment les particules organiques se déposent dans le contexte d'équations de vitesse de sédimentation telles que celle développée par Ferguson et Church. L'analyse des données collectées a montré que le deuxième des deux coefficients de traînée (C2) utilisés dans l'équation de Ferguson et Church était sensible au type et à la forme des particules. En faisant la moyenne de C2 par type et espèce de particule, il existait une corrélation entre la vitesse de sédimentation observée et la vitesse de sédimentation prédite par l'équation de Ferguson et Church (R2 = 0,83). Grâce à ces résultats, les modélisateurs et concepteurs d’eaux pluviales comprennent mieux comment représenter les particules organiques courantes en termes de vitesse de sédimentation. Des recherches supplémentaires sur une plus grande variété de types et d’espèces de particules organiques élargiraient l’ensemble de données présenté ici.

L'urbanisation a posé des défis uniques en matière de gestion de l'eau dans les villes dominées par des surfaces imperméables. La nécessité de traiter, de stocker et d’infiltrer l’eau pour le bénéfice des humains et de l’environnement est primordiale alors que les populations urbaines continuent de croître et que le changement climatique intensifie les événements météorologiques1. Les eaux pluviales, c'est-à-dire les eaux de pluie qui s'écoulent sur des surfaces imperméables, sont connues pour être un vecteur de polluants particulièrement large. Les eaux pluviales transportent des polluants chimiques, physiques et biologiques dans les eaux réceptrices, dégradant la qualité de l'eau et l'habitat aquatique2.

Les eaux pluviales sont traitées à l'aide de mesures de contrôle des eaux pluviales (SCM), qui sont des structures conçues pour infiltrer, stocker ou traiter les eaux de ruissellement sur la base de principes scientifiques de base3. Dans les zones résidentielles urbaines, les gros débris inorganiques et organiques sont des polluants très préoccupants2. Les particules organiques et inorganiques grossières sont constituées de métaux4, de sédiments contenant des nutriments liés5 et de matériaux qui lessivent les nutriments6.

De nombreux SCM résidentiels urbains dépendent de la sédimentation pour traiter les eaux pluviales3, ce qui fait de la vitesse de sédimentation un paramètre clé dans la conception et l'évaluation. Par exemple, les bassins d’eaux pluviales sont un SCM très courant le long des routes et des parkings. Les bassins d’eaux pluviales réduisent le total des matières en suspension et du phosphore total entrant dans les plans d’eau en aval en stockant les eaux pluviales et en permettant aux sédiments de se déposer au fond du bassin avant de libérer l’eau à la sortie7.

La vitesse de sédimentation (w) est une propriété physique des particules qui dépend de leur taille, de leur forme et de leur densité. La vitesse de sédimentation pour une gamme de tailles de particules peut être utilisée dans la modélisation du traitement des eaux pluviales pour estimer l'efficacité de piégeage des bassins8. La sédimentation peut également être estimée avec une plage de valeurs de vitesse de sédimentation, et ces informations sont nécessaires pour savoir dans combien de temps un bassin d'infiltration se remplira et devra être dragué.

Plusieurs études explorent et prédisent les vitesses de sédimentation des particules minérales non sphériques9,10,11,12. La vitesse de sédimentation peut être calculée pour des particules de diamètre (D) et de densité (SG) connus à l'aide de la loi de Stokes13. Les calculs de la loi de Stokes supposent que la particule qui tombe est sphérique, ce qui est généralement valable pour les particules minérales ou sédimentaires. Les coefficients de traînée C1 (applicables à l'écoulement laminaire) et C2 (applicables à l'écoulement turbulent) peuvent être ajustés pour prédire les vitesses de sédimentation des minéraux non sphériques11.