MESURAGES EN CONTINU DES FLUX POLLUANTS PARTICULAIRES EN RESEAUX D'ASSAINISSEMENT URBAINS : ENJEUX, METHODES, EXEMPLE D'APPLICATION

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1 SHF : «Transports soldes et geston des sédments en mleux naturels et urbans», Lyon, 8-9 novembre 7 - Bertrand-Krajewsk et al. Flux MESURAGES EN CONTINU DES FLUX POLLUANTS PARTICULAIRES EN RESEAUX D'ASSAINISSEMENT URBAINS : ENJEUX, METHODES, EXEMPLE D'APPLICATION On-lne montorng of partculate pollutant loads n urban sewer systems: stakes, methods, example of applcaton J.-L. Bertrand-Krajewsk*, S. Barraud, G. Lpeme Kouy, A. Torres, M. Lepot LGCIE, INSA-Lyon 34 avenue des Arts, F-6961 Vlleurbanne cedex, France Tél : +33 () , Fax : +33 () , e-mal auteur correspondant : jean-luc.bertrand-krajewsk@nsa-lyon.fr La poursute de l expanson des vlles dans la plupart des pays génère des flux polluants crossants rejetés dans les mleux aquatques urbans par les systèmes d assanssement, avec des enjeux envronnementaux consdérables. La connassance, le contrôle et la réducton des flux polluants ne peuvent plus se satsfare des mesurages ponctuels classques par prélèvements et analyses en laboratore. Dfférentes technques de mesure en contnu n stu sont aujourd hu utlsables. Parm celles-c, le mesurage de la turbdté permet d estmer les charges événementelles et annuelles en matères en suspenson (MES) et en demande chmque en oxygène (DCO) transtant dans les réseaux d assanssement urbans. Pour obtenr des résultats fables et évaluer leurs ncerttudes, des méthodes approprées dovent être utlsées : ) étalonnage des capteurs, ) applcaton de fonctons d étalonnage, ) mesurage des MES et de la DCO sur échantllons avec les méthodes normalsées, v)détecton des valeurs suspectes éventuelles, v) régressons polynomales spécfques entre MES ou DCO et turbdté prenant en compte les ncerttudes sur toutes les grandeurs, et v) applcaton des régressons pour estmer les charges polluantes en MES et DCO. Ces dfférentes étapes sont décrtes dans cet artcle et llustrées avec des exemples. Une étude de cas montre l applcaton des méthodes proposées pour estmer les charges polluantes rejetées par un déversor d orage en réseau untare : 3 déversements mesurés en 4 ont rejeté envron 1 kg de MES et 9 kg de DCO. Ces masses sont connues avec une ncerttude relatve nféreure à 5 %. On-lne montorng of partculate pollutant loads n urban sewer systems: stakes, methods, example of applcaton The contnung growth of ctes n most countres generates ncreasng pollutant loads dscharged nto urban water bodes by sewer systems, wth very mportant envronmental stakes. The determnaton, the control and the reducton of pollutant loads wll not be achevable by means of usual punctual samplng and laboratory analyses. Varous contnuous n stu measurement technques are now avalable. Among them, turbdty measurements allow estmatng TSS (Total Suspended Solds) and COD (Chemcal Oxygen Demand) event and annual loads transferred n urban sewer systems. In order to obtan relable results and to estmate ther uncertantes, approprate methods have to be appled for ) sensor calbraton, ) applcaton of calbraton functons, ) measurements of TSS and COD n samples wth standard methods, v) detecton of possble multvarate outlers n the avalable data sets, v) specfc 1st or nd order polynomal regresson between TSS (or COD) values and turbdty values accountng for uncertantes n both varables, and v) applcaton of regresson functons to estmate TSS (or COD) loads at event and annual scales. All above steps are descrbed and llustrated wth examples. A case study shows the applcaton of the proposed methods to estmate the TSS and COD loads dscharged by an overflow structure n a combned sewer system: 3 overflows measured n 4 dscharged approxmately 1 kg of TSS and 9 kg of COD. These loads have a relatve uncertanty of less than 5 %. I INTRODUCTION I.1 Contexte général Le processus d urbansaton se poursut et s accélère dans la plupart des pays du monde. En 6 en Europe, 75 % de la populaton résdent dans les zones urbansées ; la perspectve est de 8 %, vore plus dans certans pays, à l horzon (EEA, 6). En France, la populaton urbane est passée de mllons d habtants en 1936 à plus de 44 mllons d habtants en 1999, ce qu correspond respectvement à 5.9 et 5

2 SHF : «Transports soldes et geston des sédments en mleux naturels et urbans», Lyon, 8-9 novembre 7 - Bertrand-Krajewsk et al. Flux 75.5 % de la populaton totale. En 1999, «la France métropoltane comptat communes urbanes (.e. commune de plus de habtants, dstance maxmale de m entre habtatons), qu regroupaent 75.5 % de la populaton sur 18.4 % du terrtore. Le terrtore urban, ensemble des communes urbanes, occupat 1 km² en 1999, en extenson de 1 km² par rapport à 199» (Chavouet et Fanoullet, ). Le taux de raccordement aux réseaux d assanssement urbans augmente avec la talle des agglomératons : en 1, plus de 9 % des logements étaent raccordés dans les communes de plus de 1 habtants et mons de 3 % dans les communes de mons de 4 habtants (Couteller, 4). En 1, le terrtore franças possédat 93 km de canalsatons untares transportant smultanément eaux usées et eaux pluvales ; 6 déversors d orage étaent nstallés sur ces réseaux untares, sot en moyenne un déversor tous les 3.5 km. Par alleurs, l exstat 5 8 ouvrages de rejet drect au mleu naturel sur les 79 km de canalsatons séparatves d eaux pluvales, sot un pont de rejet en moyenne tous les 13.6 km (Couteller, 4). Globalement, les mleux aquatques urbans sont donc soums à des flux polluants de temps sec et de temps de plue crossants : attendre à l horzon 15 l objectf de bon état écologque fxé par la Drectve Cadre européenne sur l Eau (DCE) (JO, ) sera très dffcle «sans reconsdérer en profondeur [ ] nos modèles en matère d eau potable, d assanssement, d agrculture et de polce de l envronnement» (IFEN, 6). Cet artcle trate plus spécfquement des rejets urbans de temps de plue (RUTP) générés par le russellement sur les surfaces urbanes. Les RUTP sont consttués de l'ensemble des eaux rejetées ) par les nstallatons d'épuraton (mélange d'eaux usées et d'eaux pluvales tratées), ) par les déversors d'orage (mélange d'eaux usées et d'eaux pluvales non tratées) et ) par les exutores pluvaux (eaux pluvales généralement non tratées), pendant un événement pluveux et pendant la pérode de temps qu lu succède, au cours de laquelle le système d'assanssement n'a pas encore retrouvé un fonctonnement nomnal de temps sec. Les RUTP sont très drectement lés à l mperméablsaton et à l artfcalsaton des surfaces urbanes, lesquelles sont en constante augmentaton : en France, de 1994 à 4, les surfaces occupées par les sols artfcels non bâts (16 45 km ) ont augmenté de 19 %, celles des sols artfcels bâts (11 63 km ) ont augmenté de 16 % et celles des routes et parkngs (17 34 km ) ont augmenté de 1 % (INSEE, 7). A l échelle européenne, les zones urbansées se sont accrues de 8 km entre 199 et, sot une augmentaton de 5.4 % en dx ans, correspondant à l urbansaton totale de la superfce du Luxembourg (EEA, 6, p. 1). L'orgne des polluants contenus dans les RUTP est multple : polluton atmosphérque, lessvage des dépôts de temps sec et des retombées sèches accumulés sur les bassns versants, éroson des matéraux urbans, remse en suspenson des polluants présents dans les réseaux d assanssement. Les concentratons en polluants dans les RUTP sont très varables et peuvent être mportantes. Pour certans ndcateurs (MES, hydrocarbures, métaux lourds, produts phytosantares, etc.), elles sont supéreures à celles trouvées dans les eaux usées. Les flux polluants des RUTP rejetés vers les mleux aquatques augmentent avec l urbansaton. Compte tenu des volumes mportants en jeu, les RUTP contrbuent sgnfcatvement aux apports polluants et à la dégradaton de la qualté des mleux aquatques. Il est donc nécessare d estmer ces charges polluantes aux échelles événementelle et annuelle afn de meux connaître le fonctonnement et d amélorer la geston des systèmes d assanssement urbans, et de contrbuer à une melleure qualté physco-chmque et écologque des mleux aquatques. De nombreux polluants transportés par les RUTP étant présents majortarement dans la phase partculare, la concentraton en MES (matères en suspenson), au-delà de son ntérêt ntrnsèque, consttue un ndcateur global de la charge polluante des RUTP. La concentraton en DCO (demande chmque en oxygène), quant à elle, fournt une ndcaton de la charge polluante organque. Dans les RUTP, la fracton partculare de la DCO est prépondérante, de l ordre de 8 à 9 % de la DCO totale. Dans cet artcle, nous nous ntéresserons donc à ces deux ndcateurs prncpaux que sont les MES et la DCO. Il exste également une oblgaton réglementare pour les gestonnares de systèmes d assanssement urbans : l estmaton des charges en MES et DCO rejetées dans les mleux aquatques en temps de plue et en temps sec par «les déversors d orage et dérvatons éventuelles stués sur un tronçon destné à collecter une charge brute de polluton organque par temps sec supéreure à 6 kg/j de DBO 5» a été prescrte ntalement par l arrêté du jun 1994 (JO, 1994) et recondute par l arrêté du jun 7 dans son artcle 18 (JO, 7). 6

3 SHF : «Transports soldes et geston des sédments en mleux naturels et urbans», Lyon, 8-9 novembre 7 - Bertrand-Krajewsk et al. Flux I. Méthodes de mesure des MES et de la DCO Jusqu à une pérode récente, les concentratons en MES et DCO étaent estmées à partr d analyses en laboratore effectuées sur des échantllons prélevés n stu durant les événements pluveux (NF T9-9, ; NF T9-15-, 1997 ; NF EN 87, 5 ; NF T9-11, 1). Cette pratque présente pluseurs nconvénents : transport des échantllons du ste au laboratore, condtonnement et conservaton des échantllons, délas pour obtenr les résultats, fable représentatvté dans le temps et dans l espace. Compte tenu du coût élevé des prélèvements et des analyses, seuls quelques événements sont échantllonnés chaque année, avec au maxmum 4 échantllons par événement (les préleveurs automatques commercaux classques ne possèdent généralement que 4 flacons). Les résultats obtenus dans ces condtons ne peuvent pas fournr une nformaton précse, suffsamment représentatve de la dynamque des phénomènes, et complète pour estmer de manère fable les flux événementels ou annuels de polluants (Bertrand-Krajewsk et al., ). Une des possbltés pour rédure ces dffcultés consste à utlser des capteurs n stu, capables de délvrer des nformatons à court pas de temps (de l ordre de la mnute, échelle de temps requse pour appréhender la dynamque des phénomènes par temps de plue en réseau d assanssement) qu pussent être convertes en concentratons équvalentes de MES et DCO. Parm les capteurs actuellement dsponbles sur le marché, et compte tenu des condtons de fonctonnement dffcles qu prévalent en réseau d assanssement, seuls les turbdmètres et les spectromètres UV-vsble peuvent être utlsés n stu avec un nveau de fablté satsfasant (Gruber et al., 5). Cependant, comme ces capteurs ne délvrent pas drectement des valeurs de MES et DCO au sens des méthodes d analyses normalsées, des méthodes spécfques dovent être mses en œuvre pour évaluer des concentratons équvalentes en MES et DCO et leurs ncerttudes (Bertrand- Krajewsk, 4; Bertrand-Krajewsk et al., 7). Cet artcle présente un ensemble cohérent de méthodes destnées à estmer des concentratons équvalentes en MES et DCO à partr des séres de données de turbdté mesurées n stu et en contnu. Les méthodes sont explquées dans leurs prncpes et llustrées pas à pas par des exemples. Une étude de cas complète est présentée pour le bassn versant urban d Ecully. II METHODES II.1 Les charges en MES et DCO sont calculées en cnq étapes prncpales présentées c-après. Etape 1. Etalonnage du turbdmètre Le turbdmètre dot être étalonné pérodquement au moyen de solutons étalons de formazne. On peut utlser des solutons commercales certfées NIST (Natonal Insttute of Standards and Technology) ou préparer en laboratore des solutons mères de formazne (Ruban et al., 7). Pour chaque soluton étalon, au mons cnq mesurages de turbdté sont effectués pour établr une foncton d étalonnage f (équaton 1). Cette foncton d étalonnage est une régresson donnant la valeur Y mesurée par le turbdmètre en foncton de la valeur T de turbdté, consdérée comme vrae, des solutons étalons. En foncton du nveau d ncerttude acceptable par l utlsateur et de l mportance de la non-lnéarté du capteur, la foncton d étalonnage peut être une smple drote, un polynôme de degré deux ou de degré tros. Les valeurs des coeffcents b sont évaluées par la méthode des mondres carrés ordnares. Leurs ncerttudes types (assmlables en premère approxmaton à des écarts types, vor norme NF ENV 135, 1999) et leur(s) covarance(s) sont également calculées. n Y = f ( T ) = b T (1) = A ttre d exemple, un turbdmètre néphélométrque -4 NTU a été étalonné avec sx solutons étalons prmares de formazne à, 5, 1, 3, 5 et 1 NTU (les valeurs les plus fréquentes mesurées sur ce ste par le capteur sont nféreures à 1 NTU). La valeur vrae de chaque soluton étalon prmare certfée NIST se trouve dans un ntervalle de confance à 95 % égal à ± 1 % de la valeur nomnale. Pour chaque soluton étalon, 5 mesurages répétés consécutfs ont été effectués. La réponse du capteur n est pas parfatement lnéare, comme on peut l observer sur la Fgure 1. Des tests de varance ndquent que la foncton d étalonnage optmale est un polynôme de degré deux de la forme Y = b + b1 T + bt. Les valeurs 7

4 SHF : «Transports soldes et geston des sédments en mleux naturels et urbans», Lyon, 8-9 novembre 7 - Bertrand-Krajewsk et al. Flux numérques des coeffcents b sont ndquées Fgure 1. Les ncerttudes types et les covarances des coeffcents sont fournes dans le Tableau 1. u( b 1 ) = cov( b 5, b1 ) = u( b 4 1) = cov( b 8, b ) = u( b 7 ) = 7. 1 cov( b 1, b1 ) = Tableau 1 : ncerttudes types et covarances des coeffcents b du turbdmètre néphélométrque dont l étalonnage est représenté en Fgure 1 OLS nd order polynomal calbraton Y = T e-5 T 1 measured turbdty Y (NTU) data turbdoua5max1.csv calbraton standard formazne soluton T (NTU) Fgure 1 : exemple de foncton d étalonnage d un turbdmètre II. Etape. Utlsaton de la foncton d étalonnage Pour toute valeur y mesurée de la turbdté, la valeur vrae la plus probable Tˆ est estmée au moyen de l nverse f 1 de la foncton d étalonnage (équaton ). L ncerttude type correspondante u(tˆ ) est calculée à partr des ncerttudes types de la valeur mesurée y et des coeffcents b de l équaton 1, en applquant la lo de propagaton des ncerttudes (pour plus d nformaton, vor par exemple la norme européenne EN ENV 135, 1999 ou Bertrand-Krajewsk, 4). T ˆ = f 1 ( y ) () Dans le cas du polynôme de degré deux ndqué Fgure 1, la foncton nverse donne pour Tˆ la relaton suvante : ˆ b1 b1 4b ( b y) T = (3) b Son ncerttude type u (Tˆ ) est calculée au moyen des expressons suvantes : u( Tˆ) 1 Tˆ Tˆ Tˆ Tˆ u( b ) + cov(, ) + ( ) b b j u y = b = j= + 1 b b j y = (4) 8

5 SHF : «Transports soldes et geston des sédments en mleux naturels et urbans», Lyon, 8-9 novembre 7 - Bertrand-Krajewsk et al. Flux ˆ = b1 b T 1/ avec ( ) Tˆ 1 b = + 1 b1 b b ˆ T 1 b1 = b b Tˆ = y 4b ( b y) ( 1/ b 4b ( b y) ) 1 ( ) 1/ b 4b ( b y) b y 1/ ( ) 1 b ( 1/ b 4b ( b y ) 1 ) b b1 4b ( b y) L ncerttude type u(y) est estmée à partr des données expérmentales de l étalonnage. En premère approxmaton, pour l exemple donné Fgure 1, u(y) peut être consdérée comme constante sur l ntervalle - 1 NTU et égale à.4 NTU. II.3 Etape 3. Analyses normalsées de MES et DCO sur des échantllons nstantanés Au cours de pluseurs événements pluveux, des échantllons nstantanés de 1 L sont prélevés et analysés en laboratore selon les méthodes normalsées pour détermner leurs concentratons en MES et DCO. Tros réplcats (au mnmum) sont mesurés afn de détermner les concentratons moyennes notées TSS et COD et TSS u COD. Avant d effectuer les analyses normalsées, le turbdmètre est leurs ncerttudes types u ( ) et ( ) drectement mmergé dans les échantllons de 1 L qu sont constamment sous agtaton magnétque afn de les mantenr dans un état le plus homogène possble. Des mesurages répétés de la turbdté des échantllons sont alors effectués (typquement 5 mesurages) et converts en valeur vraes les plus vrasemblables Tˆ au moyen de l équaton. La valeur moyenne Tˆ et son ncerttude type u( T ˆ ) sont ensute calculées. A l ssue de cette étape, on dspose de trplets de valeurs ( T ˆ, TSS, COD) et de leurs ncerttudes types. II.4 Etape 4. Détecton de valeurs suspectes dans les séres de trplets Des valeurs suspectes ou aberrantes peuvent être présentes dans les séres de trplets en rason d erreurs d échantllonnage, d erreurs d analyse, d effet de matrce, des caractérstques nhabtuelles de certans événements pluveux, etc. Il est mportant de détecter et d élmner ces valeurs suspectes avant d établr les fonctons de corrélaton entre turbdté d une part et concentratons en MES et DCO d autre part. La méthode mse en oeuvre comporte tros étapes successves : - étape 4.1 : élmnaton des valeurs suspectes au nveau des réplcats (c'est-à-dre élmnaton des valeurs trop élognées de la valeur moyenne des réplcats) ; - étape 4. : élmnaton des valeurs dont les ncerttudes types sont supéreures à 5 % de la valeur mesurée ; - étape 4.3 : applcaton d une méthode multvarée de détecton de valeurs suspectes aux séres de trplets ( T ˆ, TSS, COD). Dans l étape 4.3, un algorthme fondé sur la méthode proposée par Rousseuw et van Dressen (1999) permet de détecter parm les trplets les valeurs suspectes de turbdté, de concentraton en MES ou DCO en analysant globalement l ensemble des trplets, avec des nveaux de confance de 95 %. Ces tros étapes sont llustrées dans l exemple suvant. On dspose ntalement de 83 trplets obtenus à partr de campagnes de mesure à l exutore d un réseau séparatf pluval stué sur une zone ndustrelle de 185 ha, campagnes effectuées au cours de pluseurs événements pluveux de caractérstques varées. Les analyses normalsées ont été effectuées sur des trplcats pour chacun des 83 échantllons. L étape 4.1 a condut au rejet d une des tros valeurs de MES ou DCO pour 43 trplcats. Les valeurs moyennes TSS et COD et leurs ncerttudes types u ( TSS ) et u ( COD) ont donc été recalculées à partr des duplcats restants après rejet des valeurs suspectes. L étape 4. a porté sur 83 trplcats ou duplcats et a (5) (6) (7) (8) 9

6 SHF : «Transports soldes et geston des sédments en mleux naturels et urbans», Lyon, 8-9 novembre 7 - Bertrand-Krajewsk et al. Flux condut au rejet de 15 trplets pour lesquels une des tros valeurs de turbdté, MES ou DCO présentat une ncerttude type supéreure à 5 % de la valeur mesurée. Parm les 68 trplets restants, l étape 4.3 a condut à la détecton et au rejet de 7 trplets, comme ndqué Fgure. Fnalement, 61 trplets ont été valdés et conservés pour l étape suvante. II.5 Etape 5. Détermnaton des fonctons de corrélaton En utlsant les trplets valdés à l étape précédente, des fonctons de corrélaton g(t) et h(t) (équatons 9 et 1) sont étables pour détermner respectvement les concentratons équvalentes TSS eq and COD eq à partr des séres de valeurs vraes les plus probables de la turbdté Tˆ. Ces séres sont calculées au moyen de l équaton à partr des valeurs brutes de turbdté y enregstrées n stu par le turbdmètre étalonné à l étape 1. TSSeq n = n = = g( Tˆ) = c Tˆ (9) et COD = h( Tˆ) = d Tˆ (1) eq turbdty (NTU) TSS (mg/l) COD (mg/l) turbdty (NTU) TSS (mg/l) COD (mg/l) Fgure : exemple de détecton multvarée de valeurs suspectes (7 trplets suspects détectés parm 68 sont représentés par une étole; les 61 trplets valdés sont représentés par un rond) Comme auss ben les concentratons en MES et DCO que les valeurs de turbdté Tˆ sont entachées d ncerttude, la méthode des mondres carrés ordnares n est pas approprée pour établr les fonctons de corrélaton. En effet, elle suppose, lorsque l on calcule la régresson de Y en foncton de X, que les valeurs de X sont vraes et sans ncerttudes ; ou, au mnmum, que les ncerttudes sur X sont néglgeables devant les ncerttudes sur Y. C est pourquo une méthode dfférente dot être utlsée, qu prenne en compte les ncerttudes sur les deux varables X et Y. Elle consste à mnmser l écart E donné par l équaton 11 : = N 1 E = 1 u( x ) 1 u( y ) ( X x ) + ( Y y ) avec N le nombre de couples de valeurs mesurées (x, y ), u(x ) et u(y ) les ncerttudes types respectves des valeurs mesurées x et y, X et Y = F(X ) les valeurs prédtes par la régresson F. Nous avons dans un premer temps améloré la méthode proposée ntalement par York (1966) et Wllamson (1968) pour le cas d une drote de régresson (Bertrand-Krajewsk, 4). Pour tenr compte de la non lnéarté des réponses des turbdmètres, nous avons ensute étendu la méthode (dte régresson de type (11) 1

7 SHF : «Transports soldes et geston des sédments en mleux naturels et urbans», Lyon, 8-9 novembre 7 - Bertrand-Krajewsk et al. Flux Wllamson) au cas des polynômes de degré deux et tros. Dans ces deux cas, l n est plus possble de détermner une soluton analytque : une mnmsaton numérque non-lnéare est applquée pour détermner les valeurs des coeffcents c et d, et des smulatons de Monte-Carlo permettent d estmer leurs ncerttudes types (varances et covarances). MC 1st order Wllamson regresson TSS eq = T data cha plue.csv OLS WLS 14 1 TSS eq (mg/l) Turbdty T (NTU) MC nd order Wllamson regresson TSS eq = T T data cha plue.csv OLS WLS 14 1 TSS eq (mg/l) Turbdty T (NTU) Fgure 3 : fonctons de corrélaton TSS eq = g 1 (T) (haut) et TSS eq = g (T) (bas) pour les données représentées Fgure 11

8 SHF : «Transports soldes et geston des sédments en mleux naturels et urbans», Lyon, 8-9 novembre 7 - Bertrand-Krajewsk et al. Flux Avec les données représentées Fgure, deux fonctons TSS eq = g(tˆ ) ont été comparées : une drote g 1 (T) et un polynôme de degré deux g (T). Les résultats obtenus sont représentés Fgure 3. Les ncerttudes des coeffcents c et leurs covarances sont données dans le Tableau. Avec les données de débt mesurées par alleurs, les charges en MES et DCO peuvent ensute être calculées drectement. TSS eq = g 1 (T) u ( c ) = , u ( c 1 ) =. 97, cov( c, c1) = 1. 3 u ( c ) = 5.76, u ( c 1 ) =. 93, u ( c 4 ) = TSS eq = g (T) cov( c, c1 ) =.37 4, cov( c, c) = , cov( c 1, c) = Tableau : ncerttudes types et covarances des coeffcents c des fonctons de corrélaton représentées Fgure 3 III EXEMPLE D APPLICATION A ECULLY III.1 Ste expérmental et matérel Des campagnes de mesure ont été effectuées à l exutore du réseau d assanssement urban untare d Ecully. Le bassn versant correspondant a une superfce de 45 ha et une urbansaton de type résdentelle. La staton de mesure (Fgure 4) est stuée sur un collecteur ovoïde vstable d une hauteur de 1.8 m. Une pompe pérstaltque d un débt de 1 L/s almente en contnu un canal de mesure dans lequel est nstallé un turbdmètre néphélométrque Endress-Hauser CUS-1 dont les données sont enregstrées au pas de temps de mnutes dans une centrale d acquston Sofrel S5. Un préleveur automatque réfrgéré permet de collecter des échantllons par temps de plue et par temps sec dans le canal de mesure. Les effluents traversant le canal de mesure rejognent le collecteur par gravté. D autres grandeurs sont également enregstrées au pas de mnutes : le débt, le ph, la conductvté et la température. Le débt et la qualté de l eau sont mesurés quelques mètres en amont d un déversor d orage à seul bas, à l aval duquel un deuxème pont de mesure du débt permet de connaître les débts rejetés drectement au mleu naturel (russeau des Planches). On fat l hypothèse que la qualté de l eau déversée est dentque à celle mesurée quelques mètres en amont du déversor : cette hypothèse est acceptable compte tenu ) des vtesses d écoulement élevées dans le collecteur (>.6 m/s), ) des fortes pentes (pente moyenne = %) du réseau amont et ) de l absence de dépôts susceptbles d être rems en suspenson. transmtters perstaltc pump sampler sampler transt flume data logger sensors : ph, conductvty, temperature, turbdty (x), UV-vsble flume outlet ntake flow flow ( meter depth + (x) ) : water depth + velocty Fgure 4 : à gauche: schéma de la staton de mesure nstallée à Ecully; à drote: pompe pérstaltque et canal de mesure à l ntéreur de la staton de mesure 1

9 SHF : «Transports soldes et geston des sédments en mleux naturels et urbans», Lyon, 8-9 novembre 7 - Bertrand-Krajewsk et al. Flux III. Méthodes L ensemble des méthodes décrtes dans la parte précédente a été applqué aux données de turbdté mesurées sur le ste d Ecully pendant l année 4, au cours de laquelle 71 événements pluveux ont été observés. La foncton d étalonnage du turbdmètre est la suvante : Y = b + b1 T = T avec u ( b ) =. 53, u ( b 1 ) =. 8 et cov( b 4, b1 ) = (1) A partr des données expérmentales de l étalonnage, u(y) a été prse égale à 1 % de la valeur mesurée dans la gamme -1 NTU. Des échantllons nstantanés ont été prélevés au cours de pluseurs événements pluveux durant la pérode 3-5 afn d établr des fonctons de corrélaton. Après élmnaton des valeurs suspectes, 37 trplets T ˆ, TSS, COD ont été valdés. ( ) TSS (mg/l) TSS eq = T -. T u (c ) = 7.1 u (c 1 ) =.89 u (c ) =.16 cov(c,c 1 ) = cov(c,c ) =.75 cov(c 1,c ) = -1.6 x Turbdty T (NTU) Fgure 5 : polynôme de degré deux pour la foncton de corrélaton en MES COD (mg/l) COD eq = T +.54 T u (d ) = 3.15 u (d 1 ) =.57 u (d ) =.38 cov(d,d 1 ) = cov(d,d ) =.85 cov(d 1,d ) = x Turbdty T (NTU) Fgure 6 : polynôme de degré deux pour la foncton de corrélaton en DCO 13

10 SHF : «Transports soldes et geston des sédments en mleux naturels et urbans», Lyon, 8-9 novembre 7 - Bertrand-Krajewsk et al. Flux A ttre de comparason, les charges en MES et DCO ont été calculées avec tros fonctons de corrélaton dfférentes : drote, polynôme de degré deux et polynôme de degré tros. Dans cet artcle, seuls sont présentés les résultats obtenus avec le polynôme de degré deux (ces résultats ne sont pas sgnfcatvement dfférents de ceux obtenus avec la drote et le polynôme de degré tros). La Fgure 5 et la Fgure 6 montrent les résultats obtenus (données valdées, fonctons, coeffcents c et d, ncerttudes types et covarances). Les données valdées sont représentées avec des barres d ncerttude correspondant aux ntervalles de confance à 95 %. Les régressons de type Wllamson représentent correctement les relatons moyennes globales par temps de plue entre turbdté d une part et MES et DCO d autre part. Néanmons, on observe que les ncerttudes types des coeffcents d pour la DCO sont plus élevées que celles des coeffcents c pour les MES. Cec est en parte dû au fat que la DCO n est pas entèrement en phase partculare : la fracton dssoute, varable d un événement à l autre et au sen d un même événement pluveux, n est pas mesurable au moyen d un turbdmètre et contrbue à augmenter les ncerttudes de la foncton de corrélaton. III.3 Résultats Les 71 événements pluveux observés en 4 ont provoqué 39 déversements (avec zéro, un ou davantage de déversements par événement pluveux en foncton des caractérstques des événements et des hydrogrammes générés). Les données expérmentales ne sont complètes et entèrement valdées que pour 3 déversements : les résultats qu suvent ont été calculés pour ces 3 déversements seulement. Pour chaque déversement, les concentratons équvalentes en MES et DCO pendant la durée du déversement ont été multplées par le débt déversé mesuré smultanément, les deux séres de données étant au pas de temps de mnutes. Les charges polluantes ans calculées à chaque pas de temps ont été cumulées sur la durée totale de chacun des 3 déversements. Les ncerttudes sur les charges polluantes des 3 déversements et sur la charge polluante totale cumulée pour 4 ont été calculées sous dverses hypothèses concernant les valeurs et leurs ncerttudes au sen de chaque sére temporelle : ) auto-corrélaton néglgée, ) auto-corrélaton des données et/ou des ncerttudes estmée avec la méthode du varogramme (vor Bertrand-Krajewsk et Bardn, ), ) corrélaton totale des données et/ou de leurs ncerttudes. Dans cet artcle, seul le premer cas est présenté (auto-corrélaton néglgée). TSS and COD event load (kg) TSS event load (kg) COD event load (kg) overflow event # Fgure 7 : Masses de MES et DCO pour les 3 déversements mesurés à Ecully en 4 14

11 SHF : «Transports soldes et geston des sédments en mleux naturels et urbans», Lyon, 8-9 novembre 7 - Bertrand-Krajewsk et al. Flux Les 3 déversements sont représentés Fgure 7. Les barres vertcales représentent les ntervalles de confance à 95 % des valeurs calculées. Les masses sont extrêmement varables d un événement à l autre : les masses de MES varent de.6 à 66 kg, avec une valeur moyenne de 71 kg ; les masses de DCO varent de 4.7 à 789 kg, avec une valeur moyenne de 1 kg. La masse totale de MES est de 154 ± 48 kg,.e. ±. % ; la masse totale de DCO est de 3 48 ± 74 kg,.e. ±.4 %. Globalement, les masses événementelles et totales sont connues avec de fables ncerttudes. Des ordres de grandeur comparables des ncerttudes ont été obtenus par d autres auteurs utlsant des séres temporelles de turbdté, par exemple Fletcher et Deletc (7). Il est mportant de noter que l échantllonnage tradtonnel et les analyses normalsées en laboratore n auraent pas perms d obtenr le même nveau d nformaton pour un coût acceptable. De plus, une analyse détallée des pollutogrammes est possble pour tous les événements pluveux enregstrés, ce qu ouvre de nouvelles perspectves de modélsaton de la dynamque des flux polluants, auss ben par temps de plue que par temps sec. IV CONCLUSIONS Les turbdmètres peuvent être utlsés pour estmer de manère satsfasante les charges événementelles et annuelles en MES et DCO rejetées par un réseau d assanssement urban, à condton que des méthodes approprées et rgoureuses soent applquées pour l étalonnage des capteurs, la collecte d échantllons représentatfs de dvers événements pluveux ou pérodes de temps sec, les analyses normalsées en laboratore, la détecton et le rejet des valeurs suspectes, l établssement des fonctons de corrélaton et la prse en compte des ncerttudes à toutes les étapes des calculs. Un ensemble de méthodes spécfques est proposé et a été applqué pour étalonner les turbdmètres et corréler leurs données avec des concentratons en MES et DCO mesurées sur les mêmes échantllons avec les méthodes d analyse normalsées. Un exemple complet d applcaton au cas d Ecully a montré l applcablté des méthodes pour une sére de 71 événements pluveux et 3 déversements enregstrés durant l année 4. Les masses totales de MES et DCO sont estmées avec des ncerttudes relatves de l ordre de %. Une telle précson n aurat pas pu être obtenue avec des prélèvements et des analyses classques pour un coût acceptable. Les éléments c-dessus montrent que des capteurs n stu fonctonnant en contnu sont désormas utlsables pour estmer des charges de matères en suspenson et de DCO. A court pas de temps, l est possble d étuder la dynamque des phénomènes, et à plus grande échelle (événement, année) d estmer de manère fable des charges polluantes cumulées. V REMERCIEMENTS Ces travaux de recherche ont été effectués dans le cadre de l OTHU Observatore de Terran en Hydrologe Urbane ( VI REFERENCES [1] Bertrand-Krajewsk J.-L. (4). TSS concentraton n sewers estmated from turbdty measurements by means of lnear regresson accountng for uncertantes n both varables. Wat. Sc. Tech., 5(11), [] Bertrand-Krajewsk J.-L., Bardn J.-P. (). Uncertantes and representatvty of measurements n stormwater storage tanks. Proceedngs of the 9 th Internatonal Conference on Urban Dranage, Portland (USA), 8-13 September, 14 p. [3] Bertrand-Krajewsk J.-L., Barraud S., Bardn J.-P. (). Uncertantes, performance ndcators and decson ad appled to stormwater facltes. Urban Water, 4(), [4] Bertrand-Krajewsk J.-L., Wnkler S., Saracevc E., Torres A., Schaar H. (7). Uncertantes of laboratory and n sewer measurements of COD n raw sewage. Proceedngs of Novatech 7, Lyon, France, 4-7 June, vol. 3, [5] Chavouet J.-M., Fanoullet J.-C. (). Forte extenson des vlles entre 199 et INSEE Premère, n 77, avrl, 4 p. 15

12 SHF : «Transports soldes et geston des sédments en mleux naturels et urbans», Lyon, 8-9 novembre 7 - Bertrand-Krajewsk et al. Flux [6] Chocat B., Bertrand-Krajewsk J.-L., Barraud S. (7). Eaux pluvales urbanes et rejets urbans par temps de plue. Pars (France) : Les Technques de l Ingéneur, artcle W 6 8, août 7, 17 p. + annexes. [7] Couteller A. (4). Les progrès de la collecte des eaux usées et pluvales. Les données de l envronnement Ifen, n 93, août 4, 4 p. [8] EEA (6). Urban sprawl n Europe The gnored challenge. Copenhagen (Denmark): EEA European Envronmental Agency, 56 p. ISBN [9] Fletcher T., Deletc A. (7). Statstcal observatons of a stormwater montorng programme; lessons for the estmaton of pollutant loads. Proceedngs of Novatech 7, Lyon, France, 4-7 June, vol. 3, [1] Gruber G., Bertrand-Krajewsk J.-L., de Bénédtts J., Hochedlnger M., Lettl W. (6). Practcal aspects, experences and strateges by usng UV/VIS sensors for long-term sewer montorng. Water Practce and Technology, 1(1), 8 p. [11] IFEN (6). L eau. In «Les synthèses Ifen Edton 6», Pars (France) : IFEN Insttut Franças de l Envronnement, [1] INSEE (7). Occupaton physque du terrtore. In «Tableaux de l économe françase Edton 7». Pars (France) : INSEE. Dsponble sur NATTEF1311&tab_d=616 (consulté le 1/1/7). [13] JO (1994). Arrêté du décembre 1994 relatf à la survellance des ouvrages de collecte et de tratement des eaux usées mentonnées aux artcles L et L.37-3 du code des communes. Journal Offcel de la Républque Françase, 1 févrer [14] JO (). Drectve /6/CE du Parlement européen et du Consel du 3 octobre établssant un cadre pour une poltque communautare dans le domane de l'eau. Journal Offcel de la Républque Françase, décembre, 73 p. [15] JO (7). Arrêté du jun 7 relatf à la collecte, au transport et au tratement des eaux usées des agglomératons d assanssement ans qu à la survellance de leur fonctonnement et de leur effcacté, et aux dspostfs d assanssement non collectf recevant une charge brute de polluton organque supéreure à 1. kg/j de DBO 5. Journal Offcel de la Républque Françase, 14 jullet 7. [16] NF EN 87 (5). Qualté de l'eau - Dosage des matères en suspenson - Méthode par fltraton sur fltre en fbres de verre. Pars (France): AFNOR, Jun 5, 14 p. [17] NF ENV 135 (1999). Gude pour l'expresson de l'ncerttude de mesure. Pars (France): AFNOR, 113 p. [18] NF T9-9 (). Qualté de l'eau - Détermnaton des résdus secs à 15 C et 18 C. Pars (France): AFNOR, Août, 5 p. [19] NF T9-11 (1). Qualté de l eau - Détermnaton de la demande chmque en oxygène. Pars (France): AFNOR, Févrer 1, 7 p. [] NF T9-15- (1997). Qualté de l'eau - Dosage des matères en suspenson - Méthode par centrfugaton. Pars (France): AFNOR, Janver 1997, 8 p. [1] Rousseeuw P.J., van Dressen K. (1999). A fast algorthm for the mnmum covarance determnant estmator. Technometrcs, 41, 1-3. [] Ruban G., Joanns C., Gromare M.-C., Bertrand-Krajewsk J.-L. Chebbo G. (7). Mesurage de la turbdté sur échantllons : applcaton aux eaux résduares urbanes. TSM, 17 p. (artcle soums pour publcaton). [3] Trabuc P. (1989). Polluton apportée par les rejets urbans de temps de plue. Nanterre (France) : Agence Fnancère de Bassn Sene-Normande, résumé présenté en commsson de l'afbsn le /3/1989. [4] Wllamson J.H. (1968). Least-squares fttng of a straght lne. Canadan Journal of Physcs, 46, [5] York D. (1966). Least-squares fttng of a straght lne. Canadan Journal of Physcs, 44,