Soutenance mémoire
Les éléments traces métalliques
Les éléments traces métalliques (ETM) correspondent aux éléments métalliques qui sont présents dans la croûte terrestre à des concentrations inférieures à 0,1% soit 1000 mg.kg−1. Ils sont fréquemment désignés par le terme « métaux lourds » en raison de la forte masse atomique de certains d’entres eux, ou bien « métaux toxiques » du fait de leur caractère toxique. La plupart des ETM ne sont que très faiblement volatiles et ne sont pas biodégradables. Ces deux principales caractéristiques confèrent aux ETM un grand pouvoir d’accumulation dans tous les compartiments de la biosphère.
Origine des eaux de ruissellement et leur pollution en milieu urbain
Les eaux de ruissellement prennent leur origine lors du contact de la pluie avec les surfaces urbaines qui sont pour la plupart imperméables. Les dernières décennies ont été témoins de l’augmentation du pourcentage des surfaces imperméables, conséquence de la concentration de la population dans les zones urbaines, ce qui a conduit à une modification des flux hydrologiques et à une dégradation de la qualité des cours d’eau. En effet, le remplacement du sol et de la végétation par des surfaces imperméables, diminue l’infiltration de l’eau dans les nappes phréatiques et augmente les quantités d’eaux et de polluants introduits dans les cours d’eau. Depuis les années 60, de nombreuses recherches ont été conduites en Europe et aux États-Unis sur la caractérisation et la quantification des polluants transportés dans les eaux de ruissellement urbaines (Yaziz et al., 1989; Rossi, 1998; , EPA-US; Gromaire et al., 2001; Eriksson et al., 2007). Ces recherches ont eu pour objectif de déterminer les impacts environnementaux que les eaux de ruissellement peuvent occasionner lors d’une introduction directe aux milieux naturels (cours d’eau, nappes, sols et sédiments), ainsi que d’évaluer les risques sanitaires qu’elles peuvent engendrer, lors d’une éventuelle réutilisation pour les usages domestiques (arrosage, alimentation des toilettes, lavages de voitures) et usages récréatifs en zones urbaines (fontaines, canaux et lacs artificiels). Les résultats de ces études ont mis clairement en évidence que les eaux de ruissellement sont une des principales sources de pollution des cours d’eau à cause des fortes concentrations en polluants qu’elles transportent. Parmi les différents types de polluants présents dans les eaux de ruissellement on peut néanmoins faire un classement en 7 familles (Tassin and Thevenot, 1993) :
i). Les déchets solides flottants, pollution visuelle,
ii). la matière oxydable entraînant une désoxygénation brutale des eaux de surface,
iii). les matières en suspension (MES),
iv). les sels nutritifs (ammonium, nitrate, entre autres) entraînant une eutrophisation des eaux de surface,
v). les micropolluants minéraux essentiellement constitués des métaux lourds comme Zn, Cd, Cu, Pb, Cr, Ni, entre autres,
vi). les micropolluants organiques qui représentent une grande diversité : hydrocarbures aliphatiques, hydrocarbures aromatiques polycycliques, composés de synthèse comme les pesticides, les polychloro byphényles (PCB), les phtalates (plastifiants), les solvants organiques volatiles.
vii). et enfin, les micro-organismes éventuellement pathogènes contenus dans les déchets fécaux apportés par les animaux domestiques.
La pollution des eaux de ruissellement provient d’une part du lessivage de l’atmosphère, et d’autre part du lessivage des surfaces imperméables (chaussées, toits, trottoirs et parkings) contaminées par la pollution atmosphérique et par la pollution liée aux activités humaines (industries, circulation routière,..). Les polluants transportés par les eaux de ruissellement urbaines sont très variables et dépendent considérablement :
– de la qualité atmosphérique,
– des caractéristiques spécifiques des événements pluvieux,
– de la taille et du type de la zone d’étude,
– du type d’activités développées dans le secteur,
– et de la composition des surfaces imperméables
Eaux de ruissellement de toiture
Parmi les surfaces imperméables présentes en milieu urbain, les toitures ont été considérées comme les surfaces génératrices de plus du 50% du volume total d’eau de ruissellement, et comme une des principales sources non-ponctuelle des polluants (Chang and Crowley, 1993; Förster, 1996a; Chebbo and Gromaire, 2004). Au cours des dernières années, les études conduites sur les eaux de ruissellement de toiture ont montré que ces eaux sont caractérisées par de faibles concentrations en matières en suspension et en matières organiques, mais par de fortes concentrations en métaux (tableau 1.13) dues au lessivage et à la corrosion des matériaux de toiture et de leurs accessoires. La pluie joue un rôle fondamental dans la qualité des eaux de ruissellement de toiture. De ce fait, le lessivage des matériaux de toiture est favorisé par le pH acide de la pluie qui peut aider à la désorption et la solubilisation de certains éléments, notamment les éléments métalliques (King et Bedient, 1982 cité Chang and Crowley (1993)).
Variation de la concentration en polluants
Les différentes études conduites sur les eaux de ruissellement de toitures (Yaziz et al., 1989; Mottier and Boller, 1992; Gromaire-Mertz, 1998; Förster, 1999; Chang et al., 2004) ont permis d’identifier les différents facteurs qui peuvent intervenir dans la variation des concentrations en polluants des eaux de toitures. Ces facteurs sont les suivants :
– La nature de la toiture (type de matériel de la toiture et des gouttières, type d’accessoires présents dans la toiture, âge et degré de corrosion du toit),
– les dépôts atmosphériques de temps sec,
– les caractéristiques de l’événement pluvieux (intensité, antécédent de temps sec),
– la météorologie (saison, direction du vent, vitesse du vent),
– les propriétés physico-chimiques des polluants (solubilité, Kow, constante de Henry. . .).
– et la qualité de l’eau de pluie.
De ce fait, de fortes variations dans les concentrations en polluants ont été observées d’une étude à l’autre, d’une pluie à une autre et au cours d’un même événement pluvieux. Les variations aux cours d’un événement pluvieux ont été largement étudiées (Yaziz et al., 1989; Förster, 1996a, 1999; Schriewer et al., 2008). Les études conduites sur ce sujet ont montré la présence de fortes concentrations en polluants au début de la pluie. Ce phénomène est connu sous le nom de premier flot ou « first flush ». Ainsi Yaziz et al. (1989), à partir d’une étude effectuée en Malaisie sur l’a qualité des eaux de ruissellement de toitures a montré que la conductivité, les matières en suspension ainsi que la turbidité diminuent tout au long de l’événement. Förster (1999), lors d’un étude conduite sur 5 matériaux de toitures différents (zinc, fibro-ciment, béton, argile, goudron), a également observé des concentrations en MES, fluoranthène, pyrène et lindane plus importantes au début de certains événements pluvieux et pour certains types de matériaux de toiture. Schriewer et al. (2008) observent le phénomène de premier flot en termes de masse en zinc pour 93% des événements pluvieux parmi 29 étudiés. Selon Zinder et al., (1988) cité par Zobrist et al. (2000) l’origine du premier flot est due à une combinaison de trois processus :
– la quantité de matière déposée sur le toit pendant la durée de temps sec précédent et qui est lessivée lors de la pluie tombée,
– la quantité de polluants produits par la corrosion des surfaces de la toiture et qui sont également lessivés par la pluie,
– la concentration en polluants présents dans l’atmosphère qui diminue lorsque la pluie augmente en raison du lessivage des particules, des aérosols et des gaz piégés par les gouttes de pluie.
Il existe cependant un certain nombre de substances qui vont présenter une concentration constante durant le ruissellement, c’est le cas des substances présentes dans la phase dissoute (Mottier and Boller, 1992) ou des substances qui ne sont entrainées qu’au bout d’un certain temps, comme le mécoprop qui ne se dissout que lorsque le toit est suffisamment humide (Boller, 2003).
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Table des matières
Introduction générale
1 La qualité de l’eau en milieu urbain
1.1 Présentation des polluants étudiés
1.1.1 Les éléments traces métalliques
1.1.1.1 Sources d’émission
1.1.1.2 Toxicité
1.1.1.3 Outils d’identification
1.1.1.4 Réglementation
1.1.2 Les hydrocarbures aromatiques polycycliques
1.1.2.1 Sources d’émission
1.1.2.2 Toxicité
1.1.2.3 Outils d’identification de l’origine des HAP
1.1.2.4 Réglementation
1.1.3 Pesticides
1.1.3.1 Utilisation
1.1.3.2 Pollution des eaux
1.1.3.3 Toxicité
1.1.3.4 Réglementation
1.1.3.5 Pesticides étudiés
1.2 Origine des eaux de ruissellement et leur pollution en milieu urbain
1.2.1 Pollution apportée par l’atmosphère
1.2.2 Pollution apportée par les surfaces imperméables
1.2.2.1 Eaux de ruissellement de toiture
1.2.2.2 Eaux de ruissellement de chaussées
1.2.3 Conclusions
1.3 Transport des eaux de ruissellement et des polluants au sein des réseaux d’assainissement
1.3.1 Pollution transportée par les effluents à l’exutoire des réseaux d’assainissement en temps de pluie
1.3.1.1 Réseaux séparatifs
1.3.1.2 Réseaux unitaires
1.3.1.3 Eaux résiduaires urbaines
1.3.2 Milieu aquatique récepteur
1.4 Conclusions
2 Méthodologie
2.1 Description des sites expérimentaux
2.1.1 Bassin versant du Pin Sec
2.1.2 Bassin versant des Gohards
2.1.3 Ruisseau des Gohards
2.2 Instrumentation des sites
2.2.1 Mesures de pluie
2.2.2 Mesures de débit
2.2.3 Prélèvements
2.2.3.1 Retombées atmosphériques totales
2.2.3.2 Eaux de ruissellement de toitures
2.2.3.3 Eaux de ruissellement de chaussée
2.2.3.4 A l’exutoire des réseaux d’assainissement
2.2.3.5 Ruisseau des Gohards
2.3 Analyses des échantillons
2.3.1 Analyses des eaux
2.3.2 Analyses des sédiments
2.3.3 Estimation de l’incertitude des mesures
2.3.3.1 Analyses chimiques
2.3.4 Caractérisation des particules par Microscopie Electronique à Balayage
2.4 Outils d’analyse
2.4.1 Représentation graphique des données par boîte à moustaches
2.4.2 Analyses en composantes principales
2.4.3 Les Tests statistiques
2.4.4 La technique du bootstrap
3 Évaluation de la qualité de l’air et des retombées atmosphériques
3.1 Campagnes d’acquisition de données
3.2 Suivi de la qualité de l’air
3.2.1 Pollution par les oxydes d’azote
3.2.2 Pollution par le monoxyde de carbone
3.2.3 Pollution par l’ozone
3.2.4 Pollution par les PM10
3.2.5 La pollution par le dioxyde de soufre
3.2.6 Résumé des concentrations
3.2.7 Représentativité de la qualité de l’air au Pin Sec sur l’agglomération nantaise
3.2.8 Conclusion
3.3 Suivi des polluants dans les retombées atmosphériques totales
3.3.1 Paramètres globaux
3.3.2 Éléments traces métalliques
3.3.3 Micropolluants organiques (HAP et pesticides)
3.3.4 Flux de métaux
3.3.4.1 Flux journaliers
3.3.4.2 Influence des conditions météorologiques
3.3.4.3 Comparaison avec les flux journaliers estimés à l’ile d’Yeu et à Valorena
3.3.4.4 Flux annuels
3.3.5 Conclusions
3.4 Identification et analyses des particules atmosphériques
3.4.1 Poussières atmosphériques
3.4.2 Particules présentes dans l’eau de pluie
3.4.2.1 Conclusion
3.5 Conclusions générales
4 Caractérisation de la pollution apportée par les surfaces imperméables
4.1 Campagnes d’acquisition des données
4.2 Caractéristiques pluviométriques des campagnes
4.3 Détection des polluants dans les eaux de ruissellement
4.3.1 Analyse des données
4.3.1.1 Paramètres globaux et éléments traces métalliques
4.3.1.2 Influence des caractéristiques pluviométriques sur les concentrations en polluants
4.3.1.3 Micropolluants organiques (HAP et pesticides)
4.3.2 Comparaison des résultats avec d’autres études
4.3.3 Évaluation du degré de contamination des eaux de ruissellement
4.3.4 Flux de substances polluantes des eaux de ruissellement urbaines
4.3.5 Conclusions
4.4 Observations au microscope électronique à balayage
4.4.1 Matériaux des couvertures de toits
4.4.2 Observations des couvertures des toits
4.4.3 Caractérisation des particules des eaux de ruissellement de toitures
4.4.4 Conclusion
4.5 Conclusions générales
5 Transport des substances polluantes dans les réseaux d’assainissement séparatifs
5.1 Campagnes d’acquisition des données
5.1.1 Réseaux d’eaux pluviales
5.1.2 Réseau d’eaux usées
5.2 Caractéristiques pluviométriques des événements pluvieux
5.3 Évolution du débit aux exutoires des réseaux séparatifs
5.3.1 Réseaux d’eaux pluviales
5.3.2 Réseau d’eaux usées
5.4 Suivi de qualité des eaux transportées par temps sec et par temps de pluie aux exutoires des réseaux séparatifs
5.4.1 Réseaux d’eaux pluviales
5.4.1.1 Analyse des paramètres globaux et des éléments traces métalliques
5.4.1.2 Analyse des micropolluants organiques (HAP et pesticides)
5.4.1.3 Influence des conditions météorologiques
5.4.1.4 Étude de la qualité des eaux de ruissellement
5.4.1.5 Étude comparative entre les concentrations en substances polluantes et les valeurs recensées dans la littérature
5.4.1.6 Flux de substances polluantes par surface active
5.4.1.7 Observations au MEB
5.4.1.8 Conclusions
5.4.2 Réseau d’eaux usées
5.4.2.1 Paramètres globaux
5.4.2.2 Éléments traces métalliques
5.4.2.3 Micropolluants organiques (HAP et pesticides)
5.4.2.4 Influence des conditions météorologiques
5.4.2.5 Flux de substances polluantes
5.4.2.6 Conclusions
5.5 Comparaison réseaux d’eaux pluviales et d’eaux usées
5.6 Conclusions générales
6 Récapitulatif des résultats et évaluation de la qualité du ruisseau des Gohards
6.1 De l’atmosphère jusqu’au réseau d’assainissement
6.1.1 Concentrations en substances polluantes
6.1.2 Flux annuel de substances polluantes
6.2 Qualité des eaux et des sédiments du ruisseau des Gohards
6.2.1 Caractérisation des eaux
6.2.1.1 Temps sec
6.2.1.2 Temps de pluie
6.2.2 Caractérisation des sédiments
6.2.3 Étude de la qualité des eaux et de sédiments du ruisseau des Gohards
6.2.4 Conclusion
7 Conclusions et perspectives
7.1 Synthèse des principaux résultats
7.2 Perspectives
Références bibliographiques
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