Pollution caused by urban flooding : Experimental modelling of pollutant transport due to punctual releases | Pollutions causées par les inondations urbaines : Modélisation expérimentale du transport de polluants issus de déversements locaux

Inglés. Pollution caused by urban flooding remains overlooked by both the scientific community and management stakeholders, compared to other well-studied risks (such as the destabilisation and sweeping away of vehicles, urban furniture, buildings, and pedestrians). The effect of complex hydrodynamic processes in a flooded street network on pollutant transport has been scarcely studied. This PhD investigates the pollutant transport coming from punctual releases of matter such as chemical or biological substances found in street runoff that could infiltrate homes, close to inhabitants. The PhD is based on laboratory experiments carried out in a simplified and reduced-scale urban street network model. We examine a steady-state flood flow, already studied in previous works. The novelty of this PhD lies in examining pollutant transport within this flow. To do so, we measure mass discharges and concentration fields within streets, within an urban block with openings, and at the outlets of the street network, using conductimetry and colorimetry techniques. The first objective of the PhD is to identify the predominant hydrodynamic effects on pollutant transport and the influence of pollutant release locations. The second objective is to identify parameters governing the dynamics of polluted water introduced through openings into an urban block by varying the number of openings and the duration of the pollutant release. The main results of the PhD are as follows. (i) The distribution of pollutant mass discharges in the several streets differs from that of water discharges, both within the streets and at the outlets of the street network. This is explained by a mode of the pollutant transport that is spatially heterogeneous within the street network. The most intense mixing occurs downstream of intersections. Turbulent diffusion and dispersion due to secondary currents are the dominant mixing modes, contributing to the homogenisation of pollutant concentration. At intersections, pollutant transport is primarily driven by advection in both longitudinal and transverse directions. The pollutant plumes merge or separate following the time-averaged flow streamlines. Consequently, (ii) the pollutant distribution in the street network is highly sensitive to the exact release location relative to the bifurcation and crossroad dividing streamlines. (iii) A simplified model is proposed to describe and predict pollutant distribution at intersections, and its accuracy depends on the ability to ix precisely locate the dividing streamlines in intersections. (iv) In a porous urban block, the number of openings significantly affects maximum concentrations within the block, as well as filling times, residence times, and spatio-temporal concentration variations. (v) The initial filling duration strongly influences the flushing time of polluted water after the pollution source stops. However, the renewal rate of pollution or clear water remains constant, regardless of the filling duration, and is solely governed by the hydrodynamics of the porous urban block. (vi) An adaptation of the aggregated dead zone model is finally proposed to fit the spatially averaged concentration within the block. A link between these results and health risk implications is also explored at the end of the PhD.

Francés. Les pollutions causées par les inondations urbaines s'inscrivent dans une problématique largement négligée par la sphère scientifique et celle des gestionnaires, contrairement à d'autres risques déjà bien étudiés (déstabilisation et entraînement des véhicules, du mobilier urbain, des bâtiments, des piétons). Notamment, l'effet des processus hydrodynamiques complexes dans un réseau de rues inondées sur le transport de polluant a été très peu étudié. Cette thèse s'attache donc à explorer le transport de polluants issus de déversements locaux, représentant principalement des matières chimiques ou biologiques présentes dans les eaux de ruissellement à la surface des rues et susceptibles de pénétrer dans les bâtiments, au plus près des habitants. Ce travail s'appuie sur des expériences de laboratoire conduites sur un modèle urbain représentant un réseau de rues très simplifié et à échelle réduite. Nous explorons un écoulement d'inondation en régime stationnaire, déjà étudié dans des travaux précédents. L'originalité de cette thèse réside donc dans l'étude du transport d'une pollution dans cet écoulement. Pour cela, nous mesurons les débits massiques et les champs de concentration au sein des rues, au sein d'un îlot urbain percé d'ouvertures, ainsi qu'en sortie du réseau de rues, à partir de techniques de mesure par conductimétrie et colorimétrie. Le premier objectif de la thèse est d'identifier les effets prédominants de l'hydrodynamique sur ce transport ainsi que l'influence du lieu de rejet sur la répartition de polluant dans les différentes rues. Le deuxième objectif de la thèse est d'identifier les paramètres qui gouvernent la dynamique d'une eau polluée introduite par des ouvertures dans un îlot urbain, en faisant varier le nombre d'ouvertures de cet îlot ainsi que la durée de rejet de pollution. Les principaux résultats de cette thèse sont alors (i) la distribution des débits massiques de polluant dans les différentes rues diffère de celle des débits d'eau, à la fois dans les rues et en sortie du réseau de rues. Cela s'explique par un mode de transport de polluant qui est spatialement hétérogène dans le réseau de rues. On constate que le mélange le plus intense a lieu dans les rues en aval des intersections. La diffusion turbulente et la dispersion par les courants secondaires y sont les deux modes de mélange dominant et contribuent toutes deux à l'homogénéisation de la concentration de polluant. Aux intersections, le transport des polluants est principalement causé par l'advection dans les directions longitudinale et transversale. Les panaches de polluant se fusionnent ou se séparent simplement, suivant les lignes de courant de l'écoulement moyenné en temps. En conséquence, (ii) la distribution des polluants dans le réseau de rues est très sensible à la position exacte du rejet par rapport à la position des lignes de division des bifurcations et carrefours de rues. (iii) Un modèle simplifié est proposé pour décrire et prédire la distribution de polluant aux intersections, et sa précision dépend de la capacité à localiser précisément les lignes de division. (iv) Dans le cas d'un îlot urbain (pâté de maison) poreux, le nombre d'ouvertures influence fortement les concentrations maximales atteintes au sein de l'îlot urbain, ainsi que les temps de remplissage et de résidence, ainsi que les variations spatio-temporelles des concentrations. (v) La durée de remplissage initial joue un rôle important sur le temps de vidange de l'eau polluée suite à l'arrêt de la source de pollution. En revanche, le taux de renouvellement de la pollution ou de l'eau claire est constant, indépendamment de la durée de remplissage, et est piloté exclusivement par l'hydrodynamique de l'îlot urbain poreux. (vi) Une adaptation du modèle de zone morte agrégée est enfin proposée pour valider la possibilité d'ajustement des concentrations moyennées spatialement dans l'îlot.