L’objectif de cette thèse est le développement et la validation d’un outil numérique permettant d’évaluer la performance d’un ouvrage de décantation. L’approche Euler-Lagrange est retenue pour la modélisation de l’écoulement et du transport solide. De nouvelles conditions d’interaction particule/paroi permettent de restreindre le dépôt aux zones présentant des caractéristiques géométriques et hydrodynamiques favorables. Le modèle numérique est confronté à quatre jeux de données expérimentales. L’ensemble de ces expérimentations permettent d’investiguer une large gamme des paramètres représentatifs de l’écoulement et du transport solide. La comparaison des résultats numériques et expérimentaux permet de conclure sur la capacité du modèle à prévoir l’abattement des particules dans un ouvrage de décantation avec une précision de l’ordre de 5 pourcents lorsque les dépôts ont lieu sur l’ensemble du fond et de 10 pourcents dans le cas de dépôts localisés dans des zones préférentielles. / The objective of this thesis is the development and the validation of a numerical tool to estimate the trapping efficiency of settlers. The Euler-Lagrange approach is chosen to simulate the flow and the sediment transport. New particle/wall interaction conditions are developed to take into account the geometric and hydrodynamic characteristics to enable the deposit. The numerical model is compared to four sets of experimental data. All these experiments enable to study a wide range of parameters that describe the flow and the solid transport. The comparison between the numerical and experimental results shows that the model is able to estimate the trapping efficiency of particles in a settler with an accuracy of about 5 percent when the particles settle all over the bed of the basin and about 10 percent in case of located deposits.

MPH / Department of Public Health / See the attached abstract below

Vi lever i ett samhälle med pågående urbanisering. Nyexploateringar och förtätningar istadsmiljöer bidrar till minskad infiltration och evapotranspiration samt ökad ytavrinning avregn- och smältvatten; så kallat dagvatten. Det är viktigt att kvantifiera denna diffusaföroreningskälla i urbana miljöer då bland annat näringsämnen och tungmetaller transporterasmed dagvattnet, vilket bidrar till försämrad status i recipienter. Enföroreningsbelastningsmodell för näringsämnen i dagvatten på nationell nivå används avSvenska miljöemissionsdata (SMED). Beräkningsmetoden använder empiriskt framtagnaavrinningskoefficienter och belastningsschabloner som varierar beroende påmarkanvändningsslag. Flödesproportionell provtagning av totalhalter kväve, fosfor, bly, koppar, zink, kadmium ochsuspenderad substans genomfördes under nio veckor i ett av Uppsalas störstadagvattenavrinningsområden. Syftet var att kvantifiera områdets föroreningsbelastning för attutvärdera och föreslå förbättringar till SMED:s beräkningsmetod som enligt tidigare studierhar stora osäkerheter, men även för att ge underlag till placering av eventuella reningsåtgärderi området. Provtagningen kompletterades med en modellutvärdering där beräkningsmetodenskänslighet med avseende på markanvändning och inkludering av basflöde testades. Även enmer fysikaliskt förankrad modell för näringsämnestransport i naturliga avrinningsområdenanvändes i modellutvärderingen. Resultaten visade att bly, koppar och zink transporteras till Fyrisån i koncentrationer somöverskrider föreslagna regionala riktvärden för dagvatten. För koppar och zink är även dentotala belastningen på recipient högre än tidigare modellerade värden. Då tungmetaller, menäven fosfor, till stor del transporteras i partikulär form bör en eventuell reningsåtgärd iavrinningsområdet fokusera på att avskilja partikulärt material. Åtgärden bör även placerasuppströms industrin GE Healthcare Bio-Sciences AB där föroreningskoncentrationerna spädsut genom att stora volymer kyl- och regenereringsvatten tillförs dagvattennätet. Vidare visade modellutvärderingen att när SMED:s beräkningsmetod applicerades på detstuderade avrinningsområdet överskattades volymavrinningen från dagvattnet jämfört medprovtagningsresultaten medan medelkoncentrationen för kväve underskattades. För fosfor gavprovtagningsresultaten och beräkningsmetoden samstämmiga svar. Sammantagetöverskattade modellen fosforbelastningen något men underskattade kvävebelastningen. Förkväve har basflödet visat sig stå för en betydande del av belastningen och bör därför iframtiden inkluderas i SMED:s beräkningsmetod. Även den markanvändningskarta somanvänds i metoden bör bytas ut på grund av dess inaktualitet samt att modellutvärderingenvisade relativt stora känsligheter i resultaten för ändring i markanvändning. / We live in a society with an ongoing urbanization. New development projects anddensifications in urban areas contribute to reduced infiltration and evapotranspiration and anincreased surface runoff from rain and melt water, i.e. stormwater. It is essential to quantifythis diffuse source of pollution in urban environments since nutrients, heavy metals and otherpollutants, are transported by the stormwater and contribute to recipient degradation. Anutrient pollution load model in stormwater is used by Swedish environmental emission data(SMED) on a national level. The SMED computational method utilizes empirical runoffcoefficients and standard concentrations, which vary depending on the catchment land-use. Flow proportional sampling of total concentrations of nitrogen, phosphorus, lead, copper,zinc, cadmium and suspended solids was conducted during nine weeks in one of the largeststormwater catchments in Uppsala city, Sweden. The study aimed at quantifying the pollutionload of the catchment in order to evaluate and suggest improvements to the SMEDcomputational method, which contains large uncertainties according to previous studies.Furthermore, the study aimed at providing a basis for potential treatment measures in thecatchment. The sampling was complemented with a model evaluation where the sensitivity ofthe computational method was tested with respect to land-use input and the inclusion ofbaseflow. The model evaluation also included a comparison with a more physically basedmodel for nutrient transport in natural catchments. The results revealed that lead, copper and zinc are discharged into the Fyris River inconcentrations exceeding proposed regional guideline values. For copper and zinc the totalpollution loads on the recipient are higher than previously modeled values. As heavy metalsand phosphorus are transported largely in particulate form the potential treatment measureshould have the ability to effectively separate particulate matter from the stormwater matrix.Due to emissions of large volumes of cooling and regeneration water from the industry GEHealthcare Bio-Sciences AB, the stormwater pollutants are diluted. The treatment measureshould therefore be placed upstream from the industry. When applying the SMED computational method on the studied catchment, the modeloverestimated the runoff volume from stormwater compared to the sampling results, while theaverage nitrogen concentration was underestimated. Regarding phosphorus concentrations,the model and the sampling results concurred relatively well. This resulted in a higherphosphorus, but lower nitrogen, pollution load predicted by the model. It can partly beattributed the fact that baseflow transport of nitrogen is a significant part of the total pollutionload, and should thus be included in the SMED computational method in future calculations.Another model improvement would be to replace the outdated land-use map currently beingused in the method as the model evaluation indicated a relatively large sensitivity in theresults with regards to alterations in the land-use type input.