Erodimètre in situ

L’érosion des fonds sédimentaires est un processus clé de la dynamique sédimentaire, mais aussi dans l’évolution de la qualité de l’eau, et en particulier dans la remobilisation de contaminants piégés dans les sédiments. Ce processus est contrôlé par les contraintes hydrodynamiques qui s’exercent sur les sédiments, et qui peuvent être déterminées par les courantomètres ADV, les profileurs ADCP ou le système SAMPLE, mais aussi par la nature et la rhéologie du sédiment qui va définir son érodabilité. L’érodimètre a été développé par Ifremer pour pouvoir mesurer à la fois les contraintes critiques d’érosion et les flux de sédiments (sables et vases) associés à ces érosions. Il peut être utilisé in situ ou au laboratoire, pour des études de processus. Les sédiments étudiés sont carottés in situ ou issus des culots de tassement expérimentaux et apportés à l’érodimètre situé à proximité, pour limiter le remaniement des sédiments lors du transport.

 

Exemples de mesures en laboratoire (à gauche) et in situ (à droite)

 

Schéma simplifié du fonctionnement de l'érodimètre

Principe de mesure 

L’échantillon de sédiment est prélevé, avec éventuellement l’eau surnageante, en préservant l’interface, soit manuellement sur estran découvert à l’aide d’un tube de carotte de 9 cm de diamètre intérieur, soit en mer à l’aide d’un carottier multitube « Bowers & Connelly ». Il est possible de faire un « profil érodimétrique » par des découpes successives de la carotte. Pour éviter une évolution quelconque de l’interface, les 3 premiers centimètres de l’échantillon sont immédiatement transférés dans le support que l’on insère ensuite à la base du canal de l’érodimètre, afin d’être soumis sans tarder à un écoulement contrôlé, en circuit fermé. La surface de l’échantillon est ajustée au niveau du fond du canal à l’aide du piston supportant le sédiment. La hauteur et l’inclinaison de ce piston sont réglées par quatre vis. Pour élargir la gamme des contraintes il est possible d’obtenir une hauteur d’écoulement de 20 ou 15 mm au-dessus de la partie active, en modifiant la paroi supérieure. Le canal, long de 150 cm et large de 8 cm, est en matériaux transparents afin de pouvoir visualiser l’échantillon. Le débit dans le circuit est augmenté par paliers à l’aide d’une pompe commandée par un variateur de fréquences. Le forçage est paramétré par la contrainte de cisaillement déduite, par calibration, du débit. La turbidité dans le circuit est mesurée en continu, autorisant la détermination du seuil de mise en suspension, l’homogénéisation de la turbidité étant très rapide. Un piège à sables, placé juste en aval de l’échantillon, et la mesure de la turbidité permettent l’estimation du flux d’érosion. La mesure de la différence de pression de part et d’autre de la zone active permet de tenir compte de la rugosité de l’échantillon. Un enregistrement de ces différents paramètres est réalisé pour chaque test.

Caractéristiques techniques des éléments du système 

  • La pompe est une KSB ETAPRIME CBN10 4.11/112 en acier inoxydable pour résister à l’eau de mer, elle peut débiter 2,5 l/s dans la configuration actuelle du circuit.
  • Le débitmètre électromagnétique placé à la sortie de la pompe est un Endress+Hauser Promag 30F de diamètre nominal 25 mm.
  • Le variateur de fréquences commandant la pompe est un HITACHI SJ100-022NFE dont la gamme utilisée va de 0.5 à 50 Hz permettant d’obtenir le débit maximum de 2,5 l/s, il peut alimenter des moteurs de 2.2 kW.
  • Le transmetteur de pression différentielle est un EFFA GA-075-D-2 dont l’étendue de mesure va de –200 à +200 Pa. Les prises de pressions sont reliées à deux séries d’orifices situées dans la paroi inférieure, l’une en entrée et l’autre en sortie de la zone active de la cellule de mesure.

 

 

 

 

  • Le turbidimètre est un Seapoint de 880 nm de longueur d’onde, possédant 4 gains différents, sa réponse est linéaire jusqu’à 750 FTU. La photodiode reçoit la lumière diffractée par les particules situées à moins de 5 cm de sa fenêtre suivant un angle compris entre 15 et 150 degrés.
  • Le piège à sables est une ouverture carrée située en aval de l’échantillon et de même largeur que le canal. Il retient les sables érodés se déplaçant principalement par charriage et qui ne sont pas pris en compte par le turbidimètre dans la détermination des flux d’érosion. Une grille est placée en entrée afin d’éviter l’entraînement dans le piège des flocs de sédiments fins venant de l’échantillon. Il se termine par un tube gradué permettant d’évaluer le volume de sable retenu pour chaque palier; ce sable est ensuite pesé et sa composition granulométrique est déterminée.

 

 

Le turbidimètre (à gauche) et le piège à sable (ci-dessus) permettant la détermination de la contrainte critique et des flux d'érosion

 

 

A gauche, un échantillon avant le test ; à droite, le même échantillon après le test

Exemple d’exploitation des résultats : 

 
Exemple d'utilisation de l'érodimètre : 

L’érodimètre a été utilisé, en novembre 2007, à l’occasion d’une campagne de mesures en sédimentologie (érodimétrie), dans le lagon sud de Nouvelle-Calédonie. Nous vous invitons à visionner la vidéo réalisée à cette occasion.

Références bibliographiques : 

Le Hir, P., Cann, P., Jestin, H. and Bassoullet, P. (2006). Instrumentation légère pour la mesure de l'érodabilité des sédiments vaseux ou sablo-vaseux. IXèmes Journées Nationales Génie Civil-Génie Côtier, (Eds) Aber-Wrac'h.

Le Hir, P., Cann, P., Waeles, B., Jestin, H. and Bassoullet, P. (2008). Chapter 11 Erodibility of natural sediments: experiments on sand/mud mixtures from laboratory and field erosion tests. Proceedings in Marine Science. T. Kusuda, H. Yamanishi, J. Spearman and J. Z. Gailani, Elsevier. Volume 9: 137-153.