Soutenance mémoire
La croissance rapide de l’urbanisation associée à une forte augmentation de la population mondiale vivant dans les zones urbaines se traduit depuis plusieurs décennies par une croissance des surfaces imperméables en ville (Chambers et al., 2016). L’espace urbain regroupe aujourd’hui plus de 70% de la population dans les pays développés, ce qui a accru l’impact des Rejets Urbains de Temps de Pluie (RUTP) sur les écosystèmes aquatiques. Dans les mégapoles (e.g. Pékin, Londres et Paris) où la population totale dépasse les dix millions de personnes, la population a connu une croissance plus rapide que dans les zones rurales (Aguilar et al., 2003). L’impact de cette forte population urbaine est considéré comme négatif pour l’environnement et une solution à ce problème nécessiterait une restructuration et une modification de la façon dont les gens y vivent et s’y comporte pour aboutir à une ville durable (Newman, 2006). Les volumes et les flux d’eau générés par temps de pluie sont tels qu’ils ne peuvent pas être traités dans leur totalité par les stations d’épuration (STEP) en milieu urbain. Une partie des rejets produits par temps de pluie en milieu urbain est donc rejetée dans l’environnement. Celle-ci est définie sous le nom de RUTP. Les RUTP constituent un vecteur significatif de polluants d’origine anthropiques qui sont responsables en grande partie de la dégradation des milieux aquatiques et de la qualité de l’eau (Gromaire-Mertz et al., 1999; Gasperi, 2006; Gasperi et al., 2008; Lamprea, 2009; Becouze-Lareure, 2010; Leutnant et al., 2016).
Depuis ce diagnostic de l’impact des RUTP sur les milieux naturels récepteurs, des stratégies spécifiques pour diminuer les émissions des polluants produits par temps de pluie et les stocks de polluants disponibles dans le réseau d’assainissement ont été établies (bassin de rétention, de stockage et d’infiltration) pour la gestion des eaux pluviales. Les investissements se chiffrent à plusieurs milliards d’euros (Gasperi, 2006). Ils visent aujourd’hui à la protection et à la préservation du milieu naturel mais aussi à l’application de la directive européenne relative au traitement des eaux urbaines résiduaires (Directive 91/271/CE du 21 mai 1991) qui impose le traitement des surverses unitaires pour les événements non exceptionnels. Par ailleurs, une autre directive cadre européenne sur l’eau (Directive 2000/60/CE du 23 octobre 2000) vise au bon état écologique des eaux souterraines et superficielles en Europe et exige la réduction ou la suppression des rejets de certaines substances classées comme dangereuses ou prioritaires incluant des éléments traces métalliques (ETM), pesticides et hydrocarbures. Les normes de qualité environnementale sont imposées par ces directives.
Bref historique sur les réglementations sur la qualité de l’eau en milieu urbain
Depuis toujours, l’eau joue un rôle primordial dans notre vie quotidienne. Elle a permis d’augmenter la qualité de vie dans les villes. Elle a été et sera toujours un facteur favorisant le développement de l’immobilier, de l’industrie, de l’agriculture, du transport, de l’énergie…Les empires Romain et Vénitien, la civilisation Egyptienne se sont développées a proximité de grands fleuves tels que le Tigre, l’Euphrate ou le Nil. Les Romains ont été également les premiers à construire des réseaux de transport d’eau à usage domestique (aqueducs). De nombreuses villes, devenues des mégapoles de nos jours (Paris, Londres, Moscou, Le Caire, New Dehli, Stockholm,…), sont construites sur les rives de fleuves ou de lacs.
L’augmentation de la population des villes et de l’urbanisation nécessite toujours plus d’eau, produit de plus en plus d’eaux usées et accroît le taux de pollution des eaux pluviales de ruissellement. Pour atteindre les exigences réglementaires imposées par les politiques de protection de l’environnement et de préservation de la qualité de l’eau, l’étendue et l’efficacité des réseaux de collecte d’eaux pluviales ont été accrues. Des précautions ont été prises pour éviter ou au moins limiter les débordements et inondations lors de fortes pluies. Des services de l’eau et de l’assainissement se sont développés pour garantir une eau de consommation de qualité et un traitement des eaux usées et pluviales par les réseaux d’assainissement. Souvent, malheureusement, le développement de ces services s’est fait par différents sous-systèmes : l’eau de consommation d’abord, puis l’assainissement, sans se soucier du cycle en milieu naturel de l’eau .
Depuis plusieurs décennies la croissance de la population mondiale vivant dans les zones urbaines se traduit par une croissance de l’urbanisation et de l’industrialisation. Cette croissance a nécessité une extension des réseaux secondaires de collecte d’eaux pluviales pour éviter les débordements et les inondations par temps de pluie. Dans ces milieux, le cycle de l’eau suit un trajet différent de celui du milieu naturel .
Origine des eaux de ruissellement urbaines et typologie des polluants transportés
Le contact de la pluie avec les surfaces imperméabilisées en région urbaine, sur les routes, sur certains champs « nus » et sols déjà saturés d’eau représente l’origine des eaux de ruissellement . Depuis plusieurs décennies le remplacement du sol et de la végétation par des surfaces imperméables augmente. Ceci est une conséquence de la croissance de la population mondiale vivant dans les zones urbaines (Chambers et al., 2016) . En effet, la diminution de la quantité d’eau de pluie infiltrée dans les sols et l’augmentation du ruissellement ont des répercussions sur le milieu urbain conduisant à une dégradation progressive de la qualité de l’eau (Lamprea, 2009). Depuis les années 60, de nombreuses recherches ont permis de caractériser et quantifier les polluants transportés dans les RUTP pour répondre au mieux aux objectifs de déterminer les impacts environnementaux sur les milieux naturels ainsi que d’évaluer les risques sanitaires pour les usages domestiques (arrosage, alimentation des toilettes, lavages de voitures) et usages récréatifs en zones urbaines (fontaines, canaux et lacs artificiels). Elles ont montré que les eaux de RUTP sont une des principales sources de pollution des cours d’eau à cause des fortes concentrations en polluants qu’elles transportent (Fam et al., 1987; Gromaire Mertz et al., 1999) D’après Bertrand-Krajewski (2006), les polluants transportés par les RUTP en milieu urbain peuvent être séparés en 7 familles :
• Les solides flottants (pollution visuelle) ;
• Les MES ;
• Les matières oxydables (matières organiques) ;
• Les nutriments (azote, phosphore) ;
• Les micros polluants minéraux (ETM) ;
• Les micros polluants organiques (hydrocarbures, composés aromatiques, PCB, pesticides, médicaments…) ;
• Les micro-organismes (pollution bactériologique).
Les polluants se trouvent sous forme adsorbée sur les MES ou bien sous forme dissoute. Des techniques (filtration, décantation) visant la rétention des matières en suspension sont de plus en plus élaborées pour que la charge solide polluante soit diminuée dans les cours d’eau naturels encaissants.
Généralement les concentrations en polluants en milieu urbain sont très variables et dépendent de plusieurs paramètres (Bertrand-Krajewski, 2006) :
• La pollution atmosphérique,
• Les caractéristiques spécifiques des évènements pluvieux (fréquence, intensité et durée),
• La taille et le type des bassins versants (reliefs, éléments paysagers, type de sols…)
• Le type d’activités anthropiques développées dans les bassins versants,
• La composition des surfaces imperméables.
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Table des matières
INTRODUCTION
1. Contexte de l’étude
2. Objectifs de l’étude
3. Organisation du mémoire
4. Références
CHAPITRE 1: REVUE BIBLIOGRAPHIQUE
1. Revue bibliographique
1.1 Bref historique sur les réglementations sur la qualité de l’eau en milieu urbain
1.2 Origine des eaux de ruissellement urbaines et typologie des polluants transportés
1.3 Transport des eaux de ruissellement urbain
1.4 Les réseaux d’assainissement urbain
1.5 Origine de la pollution urbaine
1.5.1. Pollution apportée par l’atmosphère
1.5.2. Pollution apportée par les surfaces imperméables
1.6 Les eaux usées
1.7 Échantillonnage des RUTP
1.8 Modélisation des flux de polluants
1.8.1 Description du modèle BUWO
1.8.2 La loi exponentielle d’accumulation (Buildup)
1.8.3. Loi logarithmique d’accumulation (Buildup)
1.8.4 Le transfert par érosion et lessivage) des polluants (Washoff)
1.8.5 L’évaluation de la performance du modèle
1.9 Présentation des polluants étudiés
1.9.1 Les polluants de base et les paramètres de la qualité des eaux (non métalliques)
1.9.2 Les éléments traces métalliques
1.9.2.1 Source d’émissions des ETM
1.9.2.2 Niveaux de contaminations métalliques des RUTP
1.9.2.3 Niveaux de contaminations métalliques des eaux usées par temps sec
1.9.2.4 Niveaux de contaminations métalliques des eaux de ruissellement
1.9.2.5 Niveaux de contaminations métalliques des eaux météoriques
1.9.2.6 Niveaux de contaminations métalliques des retombées atmosphériques sèches
1.10 Impacts des RUTP sur le milieu récepteur
1.10.1 Atteinte au cours d’eau
1.10.2 Atteinte à l’état écologique
1.10.3 Atteinte due aux activités anthropiques
1.11 Normes de qualité environnementale (NQE)
1.11.1 Niveau Européen
1.11.2 Niveau national
1.12 Références
CHAPITRE 2: MATERIELS ET METHODES
2. Matériels et méthodes
2.1 Description des sites d’étude
2.1.1 Bassin versant de l’Egouttier
2.1.2 Bassin versant d’Ormes
2.1.3 Bassin versant de la Corne,
2.2 Prélèvement des eaux et mesures in situ
2.3 Analyse des MES
2.4 Analyse du carbone organique dissous
2.5 Analyses des cations et anions majeurs
2.6 Analyse de la DCO
2.7 Analyse de la DBO5 et DBO28
2.8 Calcul des flux de polluants
2.9 Analyse des métaux
2.9.1 Calcul de la concentration totale des polluants
2.10 Références
CHAPITRE 3:
3. Characteristics of urban runoff and its impact on hydrosystems. Example of
a medium city (Orléans, France)
3.1 Résumé du chapitre3
3.2 Abstract
3.3 Introduction
3.4 Material and methods
3.4.1 Study site description
3.4.2 Water sampling and field measurement
3.4.3 Laboratory analysis
3.5 Results and discussion
3.5.1 Physico-chemical Parameters
3.5.2 Trace element conbcentration
3.5.3 Comparison of dissolved phase and solid phase
3.6 Conclusion
3.7 Acknowledgments
3.8 References
CHAPITRE 4:
4. Impacts of urban runoff on the Loire River (Orléans, France)
4.1 Résumé du chapitre 4
4.2 Abstract
4.3 Introduction
4.4 Material and methods
4.4.1 Physical and hydrological characteristics of the Loire River basin
4.4.2 Sampling methodology and analyses
4.5 Results and discussion
4.5.1 Specific fluxes calculations
4.5.2 Annual loads calculations
4.6 Conclusion
4.7 Reference
CHAPITRE 5:
5 Applied conceptual buildup/washoff models to estimate water quality
parameters fluxes: case of Orléans city, France
5.1 Résumé du chapitre 5
5.2 Abstract
5.3 Introduction
5.4 Material and methods
5.4.1 Study site description
5.4.2 Runoff water sampling and field measurements
5.4.3 Laboratory analysis
5.4.4 Elemental Flow calculations
5.4.5 BUWO model descriptions
5.4.6 Pollutant washoff model
5.4.7 Model calibration and verification methods
5.5 Results and discussion
5.6 Conclusions and perspectives
5.7 References
CHAPITRE 6:
6.A Calibrated Quantitative-Qualitative MIKE URBAN (SWMM and
MOUSE) model for urban runoff of a medium city (Orléans, France)
6.1 Résumé du chapitre 6
6.2 Abstract
6.3 Introduction
6.4 Materials and methods
6.4.1 Study area catchment
6.4.2 Model description
6.4.2.1 Description of the MIKE URBAN SWMM model
6.4.2.2 Description of the MIKE URBAN MOUSE model
6.5 Results and discussion
6.5.1 Calibration for runoff quantity coefficients
6.5.1.1 MIKE URBAN MOUSE model
6.5.3 Calibration of water quality coefficients
6.6 Conclusion
6.7. References
CONCLUSIONS
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