Soutenance mémoire
L’eau en milieu urbain : enjeux et approches à travers son histoire
Pour des raisons de confort et de santé, l’homme vit aujourd’hui abrité de l’eau dans un milieu en général asséché….lorsqu’il n’est pas contraint d’habiter sur l’eau.
Les villes se sont construites dans un esprit d’opposition à la nature, et l’eau, la plupart du temps, a subi sa relation avec l’homme. Les ouvrages créés par l’homme, relatifs à l’eau, sont en effet porteurs d’une longue histoire empreinte d’une quête croissante de maîtrise et d’appropriation. Rome a indéniablement marqué de son sceau l’anthropisation d’un vaste territoire, et de nombreux vestiges encore visibles tels que des réseaux routiers, des réseaux de drains ou des aménagements portuaires en sont aujourd’hui les témoins.
Les progrès réalisés dernièrement par la recherche archéologique et notamment l’archéomorphologie ont par ailleurs élargi notre connaissance des dispositifs mis en place pour la domestication des eaux qui s’est orientée selon trois directions : le franchissement de l’eau, la modification des cours d’eau et l’exploitation de la ressource.
Les passages à gué sont les dispositifs de franchissement des cours d’eau les plus anciens ; ils ont par exemple, été retrouvés en accompagnement de grands chemins de planches « trackways » présents dans les tourbières du Nord de l’Europe dès le Néolithique (5500 ans av. J.C) ; ils se sont ensuite largement développés au fil des siècles. Ces installations ont été complétées par les bacs mis en place sur des cours d’eau trop profonds à l’époque romaine, et en parallèle par le pont qui s’est finalement imposé et dont les premières traces sont antérieures aux invasions romaines.
La modification des cours d’eau et la protection de l’habitat urbain vis-à-vis des crues représentent un autre domaine d’expérimentation de la domestication de l’eau : de nombreux dispositifs « collectifs »ont été installés depuis l’époque gallo-romaine pour détourner des cours d’eau, renforcer des berges ou créer des ouvrages de défense contre les crues. Les interventions se sont exprimées aussi de manière plus individuelle avec des constructions réalisées sur vide sanitaires ou sur pilotis améliorant la résilience des habitats. Ainsi Vienne, qui à l’âge de fer (-800 av J.C) étaitparcourue par divers chenaux déposant des alluvions, s’est retrouvée au 1 er siècle av. J.C. avec un chenal unique, et une rive droite urbanisée sur une esplanade entièrement crée par des remblais et des fondations de 4m de hauteur, équipés de drains et de vides sanitaires formés d’amphores permettant l’assèchement des sols, un port étant aménagé sur la rive opposée.
A partir du XI siècle les aménagements ayant pour but de maintenir les cours d’eau dans leurs lits ont commencé à se développer à grande échelle, avec notamment la construction des premièreslevées de laLoire. Quelques siècles plus tard, les travaux ont pris une autre ampleur avec la création par Colbert en 1669 du corps de commissaire des Ponts et Chaussées qui se sont engagés (parmi d’autres travaux publics), dans une longue entreprise de régulation des rivières, de construction de canaux, ou de travaux portuaires.
Enfin l’intervention de l’homme sur l’eau repose sur son exploitation pour le transport, l’énergie, pour l’agriculture, et ses propres besoins ; elle a donné lieu entre autres aux constructions telles que les embarcadères, les installations portuaires, les barrages, les écluses, les moulins, les pêcheries, les aqueducs.
Les premières pirogues découvertes en France datent du Néolithique (une pirogue monoxyle de cetteépoque a été mise à jour à Paris Bercy)…durant l’époque gallo-romaine, le succès du commerce reposait largement sur la batellerie : les premières installations portuaires se construisaient ; des aménagements fluviaux se sont réalisés dans le cadre d’opérations militaires : le premier canal de navigation a étécreusépar les troupes du proconsul Caïus Marius en 102 av. J.C pour des enjeux de conquêtes militaires. Au moyen âge, 85% du transport se réalisait par voie d’eau : les bateaux descendaient en général les voies navigables naturelles grâce aux courants. Prédominant jusqu’au milieu du XXème siècle, le transport fluvial a généré de nombreux ouvrages. Les premières écluses sont apparues au XVème siècle, et au cours de la seconde moitié du XVIIIème siècle, a eu lieu le percement des canaux de premier rang (rendus possibles par les inventions des écluses à sas et des canaux à alimentation artificielle) : le canal de Briare en 1642 (commandé par Sully, qui relie la seine à la Loire) et celui des Deux-Mers (Canal du Midi qui relie la méditerranée à l’océan Atlantique et qui a été motivé par le commerce du blé) en 1681 en sont de grands exemple (la réalisation la plus remarquable étant celle du canal du midi long de 241km). Le transport fluvial a atteint son apogée au XXème siècle avant d’être concurrencé par le transport routier ; la France dispose encore aujourd’hui, avec ses 8500km, du plus grand réseau de voies navigables d’Europe.
Cadre législatif international et convention de Ramsar
En 1992, se tient le premier Sommet de la terre à Rio qui s’achève par l’adoption de textes essentiels qui rythment encore aujourd’hui les sommets internationaux et notamment le Forum mondial de l’eau crée par la suite en 1996 etc… ; ils fixent l’orientation des politiques en faveur du développement durable. En 2002, à Johannesburg, l’état de l’eau et l’accès à l’eau potable sont portés au cœur des engagements pour ledéveloppent durable. Aujourd’hui le stress hydrique est au cœur des préoccupations mondiales.
L’année 2015 s’est terminée avec un grand évènement qui se déroulait au Bourget près de Paris : la COP21, 21ème Conférence des parties de la Convention-cadre des Nations unies sur les changements climatiques (en anglais Conférence Of the Parties, COP). Autour d’une menace de plus en plus pesante concernant leréchauffement climatique (+5°C annoncés d’ici 2100), celle-ci s’est donné pour principal objectif d’engager les 196 délégations présentes (195 Etats et l’union européenne) dans la signature d’un accord visant à limiter à 2°C l’augmentation de la température mondiale. L’accord signé s’engage en fait à renforcer les efforts pour le réduire à 1.5°C. L’eau n’est pas directement présente dans cet accord, mais pour la première fois, la communauté internationale de l’eau, regroupée autour du Conseil mondial de l’eau et du Partenariat Français pour l’Eau, s’est fortement mobilisée avant et pendant toute la COP 21 autour de la campagne « Climate is water » mise en place à l’initiative du Partenariat Français pour l’Eau. L’eau est en effetreconnue comme un des premiers éléments affectés par le changement climatique et 90% des catastrophes naturelles sont dues à l’eau: les fréquences et importances de sécheresses et des inondations inquiètent (dernièrement le sud de la France, la Californie, le Bengladesh, Pakistan, la Syrie ont été fragilisés par des catastrophes).
L’Europe de son côté s’est toujours intéressée à l’eau, et depuis les années 70, les politiques de l’eau françaises s’inscrivent dans un cadre européen. Le cadre législatif de la politique de l’eau est compartimenté en différents champs plus ou moins interconnectés (eaux usées et pluviales, alimentation d’eau, qualité du milieu naturel et lutte contre les inondations…), il est de fait difficilement cerné. Il touche à la fois l’environnement, la santé et l’urbanisme. L’Europe compte ainsi une trentaine de directives concernant l’eau. Initiée par l’OMS, la démarche de protection de l’eau au plan européen, s’est traduite par la directive75/440/CEE du 16 juin 1975 dédiée à la qualité des eaux superficielles destinées à la production d’eau. Avec les directives 76/464/CEE, 80/68/CEE et 91/271/CEE, et 96/61/CE, l’Europe aborde la pollution des eaux, superficielles ou souterraines. Pour simplifier les textes, une réflexion est engagée à partir de 1995 dans le sens d’une directive cadre de l’eau ou DCEregroupant l’ensemble des exigences. Celle-ci aboutit en octobre 2000 avec la directive 2000/60/CE.
Tout en visant une cohérence d’ensemble de la politique des eaux portée par une démarche participative, elle définit un cadre pour la gestion et la protection des eaux par grand bassin hydrographique avec une perspective de développement durable. Elle propose une méthodologie de travail déployée sur 3 cycles qui comprend : un état des lieux, un programme de surveillance, un plan de gestion (équivalent du Schéma Directeur d’Aménagement et de Gestion des Eaux, ou SDAGE qui fixe les objectifs environnementaux) et unplan de mesures.
Elle fixe un objectif : celui d’attendre d’ici à 2015 le bon état des masses d’eau, « bon état écologique et chimique » pour les eaux de surface et « bon état chimique et quantitatif » pour les eaux souterraines, ceci sur tout le territoire européen, avec une échéance ultime pour 2027. Elle demande la mise en oeuvre de plans de gestion à l’échelle de districts géographiques, dont le périmètre est fondé sur des critères strictement hydrographiques.
Pollution et traitement des eaux pluviales
L’eau de pluie est dite « météorite »…elle devient véritablement « pluviale » lorsqu’elle a ruisselé.
L’eau « météorite » est déjà considérée polluée : elle est naturellement chargée en acides du fait de la pollution atmosphérique…les gaz contenus dans l’air, qu’ils soient naturels comme le gaz carbonique(CO2), ou anthropogéniques comme le dioxyde de souffre (SO2), l’oxyde d’azote (NOx) ou l’ammoniac (NH3), se transforment an acides au contact de l’eau ; ce taux d’acidité va évoluer en fonction de divers paramètres dont les rejets industriels en l’occurrence. La pollution de l’air participe même à la création des gouttes d’eau : il a été établi un lien direct entre les quantités de précipitations et la pollution (engrande métropole on vérifie qu’il pleut moins les week-ends que les jours ouvrés )…Les principaux acides contenus dans les précipitations, obtenus par réaction chimique tels que l’acide sulfurique, nitrique ou chlorhydrique, ont participé à la controverse des années 80 sur la déforestation en Europe ….En milieu urbain, ces pluies acides favorisent la dégradation des matériaux de construction utilisés pourfabriquer la ville et permettent la remobilisation des métaux lourds (plomb , cuivre, mercure…) dans des solutions aqueuses néfastes pour l’environnement (car facilement assimilables par des organismes vivants).
L’acidité des pluies est contrôlée en France sur 3 sites météorologiques (à Abbeville, Carpentras et Gourdon) : sur les trente dernière années, l’acidité diminue et se rapproche de la valeur naturelle de la pluie qui est de 5.6 (avec une baisse significative des quantités de sulfates de -65% en 30 ans, des évolutions assez stationnaires pour les nitrates depuis 1985, et une légère baisse des niveaux d’azote).
La part solide (et non dissoute) des polluants des eaux de ruissellement est largement majoritaire (elles pourront donc être facilement traitées par filtration et décantation). Les eaux pluviales constituent la principale source de pollution lorsqu’elles sont collectées dans un réseau unitaire et se trouvent mélangées avec les eaux usées, notamment pour les MES, les hydrocarbures et le plomb… Et pourtant les pluies importantes ne sont pas prises en compte dans le dimensionnementdesstations d’épuration (les quantités d’eaux usées sont justes majorées arbitrairement …).
Bien que l’impact des RUTP, rejets Urbains de Temps de Pluie sur le milieu naturel soit encore mal connu car le phénomène est complexe et très variable (il s’agit de pollutions épisodiques qui bien que chroniques, varient d’un contexte urbain à un autre), de nombreuses études ont été menées qui ont dégagé les principales caractéristiques des pollutions générées par les RUTP.
Les polluants des rejets urbains de temps de pluie peuvent être classés en 7 groupes par ordre de « visibilité décroissante » (Thévenot 1992) : les solides flottants (pollution visuelle), les matières en suspension (MES), les matières oxydables (DCO, DBO5), les nutriments (azote, phosphore), les micropolluants minéraux (métaux lourds), les micropolluants organiques (hydrocarbures, composés aromatiques, PCB, pesticides, …), les micro-organismes (pollution bactériologique). L’importance de la pollution des RUTP sur l ‘ensemble de l’assainissement urbain est significative pour les deux premiers groupes, MES et DCO (moins pour la DBO) et à moindre échelle pour le phosphate (Pt) ; les produits azotés (nutriments) sont parcontremajoritairement dus aux eaux domestiques. En ce qui concerne les métaux la part apportée par les précipitations est considérable, pour les hydrocarbures les concentrations en réseau séparatif ouunitaire sont similaires par contre on remarque une forte variabilité des quantités rejetées par bassins.
Choix de gestion des eaux pluviales
La conduite de la politique de gestion des eaux pluviales est assurée par les collectivités ou les EPCI en charge de la compétence assainissement. Les récentes lois sur l’eau alertent les collectivités sur la maîtrise nécessaire des eaux de ruissellement pour lutter contre le risque inondation, et sur la qualité deseaux des milieux naturels. Néanmoins chaque collectivité garde le choix de ses installations d’assainissement pluvial, et des contraintes qu’elle imposera aux habitants. Il est important de préciser à ce stade que sont assimilées à ces eaux pluviales, celles provenant des eaux de ruissellement, des eaux d’arrosage et de lavage des voies publiques et privées, des jardins, des cours d’immeubles ainsi que des aires de stationnement découvertes.
C’est le concept de jardin de pluie apparu dans les années 80 dans le Maryland, aux USA qui a inspiré la plupart des techniques de gestion d’eaux pluviales alternatives : il consiste à collecter, transporter, stocker et libérer des eaux de pluies recueillies depuis un bâtiment ou un espace paysager ; il se traduit en général par des dépressions plantées qui permettent l’infiltration des eaux pluviales dans le milieu naturel.
Ce concept a aussi été repris sous l’appellation de « biorétention » et s’appuie évidement sur les propriétésd’épuration des sols et des plantes reconnues depuis longtemps à travers les marais.
De manière générale, on observe dans les divers règlements établis au niveau des Métropoles ou communautés d’agglomérations (Paris, Strasbourg, Marseille, Rennes, Lyon, Grenoble, La Rochelle…) une convergence des politiques vers les techniques alternatives et une gestion des eaux à la source plutôt qu’une gestion collective enterrée traditionnelle. L’infiltration à la parcelle des eaux non polluées est devenue sur ces territoires, une règle générale. Cette infiltration au plus près de la source permet de limiter le ruissellement, qui devient un problème prépondérant en milieu urbain, autant en matière de risque de débordement, et d’inondation, qu’en matière de pollution du milieu naturel (nous l’avons vu, plus le ruissellement est long, et plus la charge polluée est grande). La plupart des déversements de réseaux d’eaux pluviales en milieu naturel ne sont réalisés qu’avec un traitement minimal de type décantation (par le biais d’avaloirs de décantation).
Même la ville de Toulouse, une des rares grandes villes qui dispose d’un réseau d’assainissement collectifs100% séparatif préconise aujourd’hui des techniques alternatives : « Pour […]garantir le développement durable de la ville, les règles de gestion des eaux pluviales imposent une stratégie de réduction des volumes et débits ruisselés sur site, en privilégiant l’infiltration vers la nappe, voire des solutions basées sur la rétention temporaire. Ainsi, toute opération sur le territoire de la Ville de Toulouse devra gérer ses eaux de pluie et de ruissellement…»
Le milieu rural avec ses espaces naturels propices à l’infiltration est évidemment moins susceptible aux risques d’inondation et de pollution. On décèle là l’un des quelques avantages environnementaux du périurbain…
Des critères de limitation voir d’absence de pollution sont néanmoins rappelés : à Rennes par exemple, les eaux pluviales « non polluées issues des toitures et terrasses non accessibles » peuvent être infiltrées directement à la parcelle, pour les autres elles devront être prétraitées avant d’être rejetées dans le réseau collectif. Malgré cette exigence (généralisée), aujourd’hui les collectivités ont du mal à assurer le contrôle des dispositifs privés, même si elles en ont la responsabilité.
Les techniques alternatives
Les techniques alternatives sont diverses : de manière générale elles s’opposent à la solution classique du réseau public enterré et visent une « gestion des eaux pluviales intégrée à la parcelle ». Elles sont appliquées à des échelles de projet, doivent prendre en compte les éventuels bassins versants interceptés et reposent sur différents dispositifs plus ou moins adaptés aux sites et aux aménagements : elles sont fondées en priorité sur l’abattement des eaux pluviales par leur infiltration dans les sols ou par leur rétention, et en dernier lieu sur leur régulation avant restitution dans le réseau collectif. Ces techniques vont conduire à dimensionner des zones de stockage des eaux pluviales qui vont permettre le recueil du volume de pluie de référence(volume contre lequel on veut se prémunir) avant leur restitution dans le milieu naturel (souvent par infiltration) ou dans le réseau collectif. Cette pluie de référence sert de seuil de risque à partir duquel les débordements sont acceptés.
Les pluies de référence varient d’une collectivité à l’autre .Lanorme NF EN 752-2 précise la fréquence des évènements pluvieux en fonction du degré d’urbanisation mais les exigences de certains PLU peuvent êtreplus importantes.
Marais en site urbain : exemples d’applications
Deux projets ont été retenus pour leurs caractéristiques différentes, notamment en termes d’échelle, de contraintes urbaines, et d’objectifs…mais les exemples sont à présent nombreux, et certainement sur certains points tous aussi subjectifs les uns que les autres.
Ces exemples évoquent intentionnellement des « retours » au passé, à la fois pour leur message d’optimisme (les erreurs passées ne sont pas irrémédiables), et leur ambition. Pour prendre le contre pied sur la « résilience de la ville » (notamment face au risque d’inondation), ils démontrent aussi la résilience de l ‘eau et de la vie qui l’accompagne face à l’anthropisation (même si les temporalités ne sont pas les mêmes). Les écosystèmes en site urbain survivent plus ou moins difficilement sous la contrainte de l’homme mais retrouvent un véritable équilibre lorsque la main de l’homme les libère…
Gestion centralisée et traitement « naturel »
La filière extensive du traitement des eaux unitaires et/ou pluviales par « marais artificiels » (lagunage ou filtres plantés), connait une croissance considérable depuis ses premières réalisations ; raccordée au réseau collectif, elle se développe comme celle des stations d’épurations classiques (notamment sur les petits communes), mais elle est aussi adoptée à plus petite échelle, en complément de projets urbains pour du traitement d’eaux pluviales particulièrement polluées, ou pour le traitement des surverses des déversoirs d’orage des STEP.
Elles sont souvent localisées en milieu périurbain, mais leur attractivité paysagère commence progressivement à les transformer en de véritables pôles urbains, lieux de parcours et de détente.
Le réseau collectif
La collecte et l’évacuation des eaux pluviales(ou assimilées), se réalise de manière gravitaire par des conduits enterrés mis en place à la sortie de regards dans lesquels sont recueillies des eaux de ruissellement ou des eaux pluviales de nouvelles constructions. Ces conduits sont reliés au réseau collectif et sont donc soumis à des contraintes altimétriques(la gravitation doit être possible sur la longueur du transport) etdes contraintes d’encombrement du sous-sol.
Les réseaux peuvent être unitaires, séparatifs ou partiellement les deux à la fois (ce qui est courant dans les grandes villes)…ce type de collecte est aussi mis en place en aval de dispositifs de stockage provisoire d’eaux avec des exigences de débit de restitution régulé des eaux (calculé en fonction des capacités de ce réseau).
Le transfert des eaux vers des réseaux d’assainissement collectifs est aujourd’hui confronté à des problèmes de saturation de réseaux existant (réseaux unitaires notamment mais réseaux séparatifs aussi lors de pluies exceptionnelles), et de difficulté de contrôle et de dimensionnement des réseaux (de manière générale). Il est possible que ces réseaux se chargent d’eaux parasites (issues des nappes) et les réseaux d’assainissement
séparatifs sont parfois confrontés à de mauvais branchements (qui mélangent les eaux).
Les particuliers n’ont aucune obligation de raccorder leurs eaux pluviales sur un réseau collectif. Les collectivités ont quant à elles, la responsabilité d’assurer l’écoulement des eaux pluviales de leurs voiries. Il leur est difficile dans ces conditions d’estimer à la fois les précipitations (aléas climatiques) et les quantités de ruissellement (dans la mesure où une partie des surfaces concernées est privée), d‘autant plus que l’urbanisation ne cesse de croître, et que la densification est aujourd’hui de mise…dans un contexte de reconstruction de la ville sur la ville (et de planification qui l’accompagne).
Les eaux pluviales collectives deviennent pour les collectivités une charge qu’elles doivent financer et pour lesquelles elles doivent entretenir les installations. Le réseau vieillit, au rythme de renouvellement actuel du réseau, il faudrait 150 ans pour le remettre à niveau.
Malgré le potentiel que peut représenter la ressource, cette charge n’est aujourd’hui que peu compensée par l’éventuelle récupération de ces eaux…On comprend en partie la raison du développement des techniques alternatives qui permettent aux collectivités de se libérer des contraintes de gestion des eaux pluviales.
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Table des matières
Table des matières
INTRODUCTION
PREMIERE PARTIE : les milieux humides et l’urbanisation
Sous partie 1 : L’eau et ses cycles
1 L’eau dans le monde
1.1 La ressource et sa répartition
1.2 L’eau en milieu urbain : enjeux et approches à travers son histoire
1.3 Les milieux humides et la phyto-épuration
1.4 Cadre législatif international et convention de Ramsar
2 Les politiques de gestion des eaux pluviales
2.1 Cadre réglementaire et institutions françaises
2.2 La gestion des eaux pluviales, le ruissellement et le risque inondation
2.3 Pollution et traitement des eaux pluviales
2.4 Le « recyclage » des eaux pluviales
Sous partie 2 : Choix de gestion des eaux pluviales
1 Les techniques alternatives
1.1 Infiltration
1.2 Rétention
1.3 Marais en site urbain : exemples d’applications
a) L’Eco-quartier des Brichères à Auxerre
b) Marseilles Euroméditerranée : Le Vallon des Aygalades
2 Gestion centralisée et traitement « naturel »
2.1 Le réseau collectif
2.2 Le traitement des eaux pluviales en station d’épuration
a) Cadre et contraintes
b) Les caractéristiques des différentes stations d’épuration
c) Exemples et perspectives
2.3 Dispositifs indépendants de « phyto-épuration »
a) En aval de stations d’épuration d’eaux unitaires : les zones de Rejet Végétalisées
b) En traitement direct des eaux pluviales ou des déversoirs d’orage
3 Conclusion : recours aux « marais »
DEUXIEME PARTIE : Retour des marais sur la métropole grenobloise
Sous partie 1 : L’eau pluviale et le risque inondation dans Grenoble Alpes Métropole
1 Contexte général
1.1 La place des marais dans l’histoire et l’endiguement des cours d’eaux
.2 Le traitement des eaux pluviales à l’échelle de l’agglomération grenobloise
1.3 Compétence GEMAPI
1.4 Autre cadre réglementaire
a) Le règlement de la METR
b) Le SCOT
c) Les PPRI
2 Limites des installations d’assainissement, besoins et potentiels du territoire
2.1 Contexte géographique, géologique et économique
2.2 Capacité des installations en place
2.3 Les orientations du schéma directeur d’assainissement
3 Le risque d’inondation et ses conséquences sur les aménagements
3.1 Contexte et quelques faits historiques locaux
3.2 PAPI et autres dispositifs en cours
Sous partie 2 : Les enjeux des « marais » pour la METRO
1 Localisation et lutte contre les inondations
1.1 Diagnostic
1.2 Le Drac : un lit majeur déterminant pour la lutte contre les inondations
2 Optimisation du traitement de l’eau pluviale
2.1 Diminution du ruissellement et traitement des eaux pluviales à l’échelle des projets
2.2 Amélioration de l’ensemble des surverses de la STEP : création d’une zone humide fonctionnelle (type ZRV ou « zone libellule)
2.3 La restauration fonctionnelle, de type« lit majeur », du débordement latéral du Drac et sa fonction lagunage
3 Objectifs liés à la trame verte et bleue
3.1 Les initiatives « ponctuelles »
3.2 Préservation des réservoirs existants et opportunités de connections
3.3 Les cours d’eau
4 Bilan des enjeux des « marais » sur le territoire de la METRO
CONCLUSION
BIBLIOGRAPHIE
