Certaines biotechnologies “vertes” utilisées pour le traitement des eaux usées domestiques, telles que les filtres plantés verticaux, ont recours à des organismes ingénieurs du sol, comme les vers, afin d’améliorer leur efficacité. En effet, les réseaux de galeries de vers influencent la circulation de l'eau dans le sol ainsi que les processus biophysiques impliqués dans la clarification des eaux usées. Cependant, les relations entre vers, substrat et écoulement de l’eau restent encore mal comprises. L’objectif de cette thèse est de préciser ce lien, plus spécifiquement entre les galeries de vers oligochètes terrestres épigés et les modifications qu’elles induisent sur l’écoulement et le transport de soluté dans un sol.
Pour étudier les paramètres morphologiques et hydrauliques des réseaux de galeries de vers, nous travaillons avec un substrat artificiel imitant le sol utilisé dans les filtres plantés, placé dans des colonnes de 40 cm de haut et 12 cm de diamètre. Un mélange, à masse égale, de E. fetida, E. andrei et D. hortensis est ajouté aux colonnes pour une densité de 0,5 g de vers adultes/m². Ce projet s'appuie sur la technique de tomographie à rayons X pour étudier la morphologie 3D et l'évolution dans le temps du réseau de galeries créé par ces vers. Nous effectuons également des tests hydrauliques pour caractériser l’évolution de paramètres tels que la conductivité hydraulique ou le coefficient de dispersion sur ces mêmes colonnes.Les études par tomographie à rayons X et par tests hydrauliques sont menées en parallèle afin d'identifier les variables morphologiques du réseau qui influencent l'écoulement de l'eau. Les volumes des réseaux de galeries ainsi observés atteignent 60 cm³ au bout de 4 jours et jusqu’à 120 cm³ en un mois, ce qui représente respectivement 1,4 % et 2,8 % du volume du substrat placé dans la colonne. Ces volumes sont principalement concentrés dans les 15 premiers centimètres des colonnes. L’étude temporelle de la morphologie des réseaux a permis de mettre au point une méthodologie pour estimer le temps nécessaire à leur renouvellement. Dans notre cas, une grande partie du réseau présent dans la colonne est renouvelée en une semaine. La présence de galeries dans le substrat ne modifie pas significativement la conductivité hydraulique saturée ni la sorptivité. En revanche, les galeries modifient le transport de soluté en augmentant le coefficient de dispersion hydraulique d’un facteur 2, mais sans modifier le temps de séjour moyen dans le substrat. Cette étude a permis de montrer que ni le volume de galeries ni le coefficient de décroissance de celles-ci selon la profondeur n’explique la variation du coefficient de dispersion hydrodynamique. Des travaux complémentaires menés avec des cylindres creux et perforés, placés dans des colonnes de substrat (appelés galeries artificielles), ont permis de mettre en évidence que l’orientation des galeries peut expliquer jusqu’à 50 % de la variation du coefficient de dispersion.
Finalement cette thèse apporte une quantification précise de l’évolution temporelle du volume de réseau de galeries d’oligochètes terrestres. Dans cette étude interdisciplinaire, les nouveaux liens établis entre vers, substrat et écoulement, apportés sont à la fois d’ordre méthodologique, en identifiant les traçages comme test sensible à la macroporosité des réseaux de galeries, d’ordre écologique en quantifiant la dynamique d’un réseau de galeries et hydrodynamique en identifiant la dispersion comme paramètre clé de l’influence des vers. |
Some ‘green’ biotechnologies used for domestic wastewater treatment, such as vertical constructed wetlands, use soil-engineering organisms, such as worms, to improve their efficiency. Indeed, worm burrow networks influence water circulation in the soil as well as the biophysical processes involved in wastewater clarification. However, the relationships between worms, substrate and water flow are still poorly understood. The aim of this thesis is to clarify this link, more specifically between the burrows of epigeic terrestrial oligochaete worms and the changes they induce in soil flow and solute transport.
To study the morphological and hydraulic parameters of worm burrow networks, we work with an artificial substrate that mimics the soil used in constructed wetland, placed in columns 40 cm high and 12 cm in diameter. An equal mixture of E. fetida, E. andrei and D. hortensis is added to the columns at a density of 0.5 g of adult worms/m². This project uses X-ray tomography to study the 3D morphology and evolution over time of the burrow network created by these worms. We also carry out hydraulic tests to characterise the evolution of parameters such as hydraulic conductivity and dispersion coefficient on these same columns. X-ray tomography and hydraulic tests are conducted in parallel to identify the morphological variables of the network that influence water flow. The volumes of the burrow networks observed reach 60 cm³ after 4 days and up to 120 cm³ in one month, which represents 1.4% and 2.8% of the volume of the substrate placed in the column, respectively. These volumes are mainly concentrated in the first 15 centimetres of the columns. The temporal study of network morphology has enabled the development of a methodology for estimating the time required for their renewal. In our case, a large part of the network present in the column is renewed within a week. The presence of burrows in the substrate does not significantly alter saturated hydraulic conductivity or sorptivity. However, the burrows do alter solute transport by increasing the hydraulic dispersion coefficient by a factor of 2, but without altering the average residence time in the substrate. This study showed that neither the volume of the burrows nor their depth-dependent decay coefficient explains the variation in the hydrodynamic dispersion coefficient. Additional work carried out with hollow, perforated cylinders placed in substrate columns (called artificial burrows) showed that the orientation of the burrows can explain up to 50% of the variation in the dispersion coefficient.
Finally, this thesis provides a precise quantification of the temporal evolution of the volume of terrestrial oligochaete burrow networks. In this interdisciplinary study, the new links established between worms, substrate and flow are methodological, identifying tracers as a sensitive test for the macroporosity of burrow networks, ecological, quantifying the dynamics of a burrow network, and hydrodynamic, identifying dispersion as a key parameter of worm influence. |