Partie 1. Infiltration et exfiltration : état de l art, problématique et objectifs scientifiques de la thèse. Partie 1. Infiltration et exfiltration :

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1 Partie 1 Infiltration et exfiltration : état de l art, problématique et objectifs scientifiques de la thèse 7

2 Partie 1 : Infiltration et exfiltration: état de l art, problématique et objectifs scientifiques de la thèse 1. Introduction Etat structurel des réseaux et phénomènes d infiltration et d exfiltration Infiltration et exfiltration conséquences de la dégradation des réseaux Infiltration et exfiltration, causes de la dégradation des réseaux d assainissement16 3. L infiltration dans les réseaux d assainissement : état de l art Généralités sur les eaux claires parasites Définition des eaux claires parasites Origines et classifications des eaux claires parasites ou ECP Impacts des ECP sur le fonctionnement du système d assainissement Impact des ECP sur les réseaux Impact des ECP sur fonctionnement des ouvrages épuratoires Impact des ECP sur la qualité des milieux naturels Les impacts financiers de la présence d eaux claires parasites Les études diagnostics de réseaux d assainissement et les solutions palliatives aux eaux claires parasites Méthodologie des études diagnostics Les solutions aux eaux claires parasites Interventions sur les réseaux Interventions au niveau de la station d épuration Conclusion sur les études diagnostics Principes de la quantification des eaux claires parasites et présentation générale des méthodes existantes Etudes comparatives existantes des méthodes d estimation des ECP Etude comparative sur le bassin versant de Pierre Bénite Etude comparative suisse Etude comparative autrichienne Etude comparative allemande Conclusions issues des études comparatives Imperfections des méthodes traditionnelles d estimation des ECP L exactitude des estimations L incertitude associée aux estimations Nature et origine des apports d eaux usées de temps sec Localisation des apports

3 4. Exfiltration dans les réseaux d assainissement : état de l art Risques et impacts liés à l exfiltration Les solutions palliatives à l exfiltration Principes généraux de la détection et de la quantification de l exfiltration Comparaison des méthodes de détection et de quantification de l exfiltration Les méthodes de mesure indirecte de l exfiltration Bilan des composantes du débit d eaux usées de temps sec Simulation avec un modèle de recharge de nappe Méthodes basées sur l utilisation de traceurs Etude comparative des méthodes indirectes Conclusions sur les méthodes indirectes Les méthodes directes Les expérimentations sur le terrain Mesure de l exfiltration sur des sites pilotes et en laboratoire Etude comparative des méthodes directes et facteurs influençant l exfiltration Conclusions sur les méthodes directes Les inconvénients des méthodes existantes de détection et de quantification de l exfiltration Problématique et objectifs scientifiques de ce travail de thèse dans le cadre du programme de recherche européen APUSS Objectifs scientifiques liés au programme de recherche APUSS Objectifs scientifiques concernant l infiltration Objectifs scientifiques concernant l exfiltration Objectifs scientifiques personnels

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5 1. Introduction Comme tout réseau technique urbain, les réseaux d assainissement sont en interaction permanente avec leur environnement. Suite à des perturbations géotechniques (tassement, érosion, ), un ouvrage enterré peut subir des dégradations structurelles : déformation de sa géométrie, fissurations, déboîtements, effondrement de radier, etc. Inversement les défauts générés par l environnement d un collecteur ont un impact nocif sur ce dernier en raison de l exfiltration d effluents qui entraîne un risque de contamination des sols, des eaux souterraines et des eaux de surface, et en raison de l infiltration d eaux claires parasites qui augmente la fréquence des surverses et diminue le rendement des stations d épuration par la dilution des effluents bruts. L évaluation de l état structurel des réseaux d assainissement repose généralement sur des comptes rendus de visite dans les collecteurs visitables et d inspections télévisées dans les collecteurs non visitables. Différents organismes nationaux comme l AGHTM (l Association Générale des Hygiénistes et Techniciens Municipaux) en France, l ATV (Abwassertechnische Vereinigung) en Allemagne, le WRC (Water Research Center) en Angleterre ont définis plusieurs types de défauts et appliquent des classifications de défauts qui sont similaires. Classiquement, trois types de défauts sont définis : - les défauts structurels qui affectent l intégrité physique des conduites et des regards ; - les défauts hydrauliques qui affectent les écoulements en réseau d assainissement ; - les défauts d étanchéité qui ont pour conséquence l infiltration et l exfiltration. Il est évident que l infiltration et l exfiltration sont liées à la présence de défauts d étanchéité qui permettent à l eau de transiter entre le collecteur et le sol encaissant via la tranchée d assainissement. Pour cette raison, l infiltration et l exfiltration ne peuvent pas être considérées comme un type de défaut singulier, elles sont représentatives de l état structurel du réseau. Des enquêtes aux niveaux national et international sont menées pour mieux connaître l état structurel et fonctionnel de ces réseaux. En France, l enquête menée par l AGHTM et le CSTB en 1989, auprès de 1106 gestionnaires pour un linéaire total de km, tout type de réseau pris en compte, recense le type et le nombre de défauts observés sur cet échantillon du patrimoine réseaux d assainissement (Tableau 1.1). On remarque que près de 40 % des défauts décrits sont des infiltrations et des exfiltrations observées. De plus, d autres défauts comme les obstacles pénétrants, la fissuration, l affaissement et l écrasement sont des défauts d étanchéité qui, potentiellement, peuvent donner lieu à de l infiltration et de l exfiltration. Au total, près de 75 % des défauts observés peuvent contribuer à l exfiltration et l infiltration et inversement l observation de l infiltration et de l exfiltration peut permettre de caractériser 75 % des défauts. Le mesurage de l infiltration et de l exfiltration constitue donc un indicateur de l état structurel des réseaux d assainissement qui peut permettre de définir des stratégies de réhabilitation pour d une part préserver l intégrité structurelle des réseaux d assainissement existants, et d autre part réduire ou éviter les risques d impact de l infiltration et de l exfiltration sur les milieux naturels. 11

6 Défauts ou dégradations Nombre Pourcentage (%) Obstacle pénétrant 42 10,8 Eaux parasites ,3 Exfiltration 39 10,0 Ensablement 22 5,7 Affaissement 25 6,4 Ecrasement 17 4,4 Corrosion 24 6,2 Rugosité 17 4,4 Abrasion 8 2,0 Fissuration 60 15,4 Contre pente 21 5,4 Total Tableau 1.1: Type et nombre de défauts recensés sur un échantillon représentant un linéaire de km (CSTB et AGHTM, 1989). Afin d apprécier l intérêt d utiliser l infiltration et l exfiltration comme indicateurs pour l aide à la décision en matière de réhabilitation des réseaux d assainissement, il est nécessaire de réaliser une synthèse des connaissances acquises sur les processus qui régissent ces phénomènes et un recensement des méthodes de mesurage de l infiltration et de l exfiltration développées à ce jour. Cet état de l art est présenté en deux chapitres consacrés respectivement à l infiltration et à l exfiltration. Auparavant un premier chapitre est dédié à la définition des causes de l infiltration et de l exfiltration qui ont une origine commune, la formation de défauts d étanchéité. Cette première partie, notamment le chapitre concernant l exfiltration, s appuie sur et reprend des éléments du rapport de DEA de S. Neitzke (2002) effectué dans le cadre du projet APUSS. 12

7 2. Etat structurel des réseaux et phénomènes d infiltration et d exfiltration 2.1. Infiltration et exfiltration conséquences de la dégradation des réseaux Les phénomènes d infiltration et d exfiltration sont liés à la présence de défauts d étanchéité dans les réseaux. Ces défauts sont présents dans les conduites principales et dans les canalisations de branchement, aussi bien en domaine public qu en domaine privé. De plus ils sont difficilement localisables, comme par exemple les joints défectueux, les fissures, les cassures, etc. Ces défauts d étanchéité sont liés à la dégradation d un ouvrage en lien avec sa conception, sa réalisation et sa gestion : - les erreurs de conception : elles résultent généralement d une sous-évaluation des charges statiques et dynamiques auxquelles seront soumises les canalisations. Il peut arriver que les singularités hydrauliques soient mal conçues (chutes, changements de diamètre, coudes ). Ce type d erreur peut engendrer la formation de fissures et de cassures, voire la rupture et l effondrement des canalisations. De plus, le risque géotechnique lié à la stabilité du terrain fait l objet d une considération limitée. L encaissant est soumis à des contraintes extérieures auxquelles il doit résister. Les tassements différentiels et les mouvements de terrain peuvent conduire à des fissures, des disjointements et des désalignements des canalisations. Les pentes trop élevées peuvent entraîner une usure prématurée des collecteurs par érosion mécanique. Il peut se développer aussi une érosion chimique si la structure des canalisations est incompatible avec l agressivité des effluents transportés ou avec le milieu environnant. - les erreurs de réalisation : elles résultent de mauvais lits de pose ou d inadéquations des matériaux utilisés pour la tranchée d assainissement, d emboîtement défectueux des canalisations et de l inadaptation ou parfois même de l absence de joints. - les erreurs de gestion des ouvrages : elles résultent de la collecte et du transport d effluents agressifs chimiquement et/ou mécaniquement ou de l exécution de travaux au voisinage des collecteurs. En effet la détérioration des canalisations peut être la conséquence des interventions dans le sous-sol des voies concernant principalement les réseaux d alimentation en eau, gaz, électricité, téléphone, etc. De plus la mise en charge fréquente des collecteurs ou la présence excessive d eaux parasites peut provoquer l élargissement des fissures, la rupture des joints, etc. La pénétration des racines à l intérieur des ouvrages par des joints non étanches ou des fissures peut provoquer une obstruction partielle des canalisations, voire des dislocations. Les processus de dégradation qui entraînent un vieillissement des réseaux d assainissement urbain et la formation de défauts d étanchéité sont très complexes. En première approche, les défauts d étanchéité des réseaux d assainissement peuvent être comparés aux fuites et aux casses des conduites d eau potable. De nombreux facteurs peuvent conduire à la formation de défauts. En théorie, il est possible de modéliser l influence de ces facteurs sur la structure afin de mieux comprendre ces phénomènes de dégradation et de pouvoir les prédire. En pratique, les différents facteurs peuvent contribuer directement ou indirectement à la dégradation et de plus ils peuvent se combiner. La compréhension des mécanismes n est donc pas aisée. Dans une étude de cas, il est pratiquement impossible de maintenir constante l influence d un facteur présumé afin d étudier l influence d autres facteurs. Cependant, divers facteurs contribuant à la dégradation des réseaux d eau potable ont été identifiés dans de nombreuses études de cas ; ils sont détaillés dans le Tableau

8 Facteurs Age Matériaux Joints et emboîtements Historique Sol encaissant Charge externe Géographie Température Pression Coups de bélier ou surpressions Commentaires Il s agit d un facteur peu fiable. Bien qu une corrélation entre âge des conduites et état structurel doive exister, des facteurs sous-jacents comme le procédé de fabrication et la qualité de la pose peuvent fausser cette relation. Les conduites en fonte sont sensibles à la corrosion. Les nouvelles conduites posées sont de préférence en PVC. Elles sont moins coûteuses et non corrodables mais par contre sont plus sensibles aux accidents de charge. Les fuites au niveau des joints et des emboîtements sont plus fréquentes que les ruptures ou casses de conduite. Différents types de joints et de mastics sont utilisés et la réduction des fuites est possible grâce à une conception et un assemblage de bonne qualité. La réhabilitation de conduites peut conduire au développement de nouvelles casses car les conditions de sols sont considérablement modifiées. Cet effet peut être observé en étudiant l historique des conduites (casse, pose, réhabilitation). Le sol encaissant a un effet physique et chimique sur les conduites. Les changements climatiques influent sur la structure et la texture des sols (tassement, dilatation). De plus, les sols de composition chimique agressive favorisent la corrosion des conduites. La charge dynamique sur le sol peut entraîner l application de fortes contraintes sur les conduites enterrées. Les charges liées au trafic en surface sont les plus contraignantes en particulier quand le niveau de trafic excède la tolérance de la surface bitumée. La localisation des casses et la distinction de zones sensibles peuvent être étudiées à partir d un SIG. Cependant la localisation géographique est un facteur indirect qui est lié à d autres facteurs contribuant à la formation de défauts. La température, comme d autres paramètres climatiques, est un facteur très influent car de nombreuses données montrent une variabilité saisonnière des casses. Les températures extrêmes semblent être responsables de la majorité des casses. La pression de l eau dans les conduites doit être inférieure à la pression maximale supportée par les conduites, mais des conduites fragiles avec une épaisseur réduite doivent être plus vulnérables quand les pressions sont élevées. Les coups de bélier provoqués par l ouverture et la fermeture rapides de vannes peuvent provoquer des casses, mais ces phénomènes peuvent être évités par des pratiques professionnelles rigoureuses. Les conduites de faible diamètre doivent être plus sensibles en raison de leurs parois plus minces. La profondeur d enfouissement de la conduite peut avoir une influence. Conception Cependant, une bonne conception permet de garantir que l influence de tous ces facteurs est minimisée. Tableau 1.2: Facteurs de fuites et de casse des réseaux de distribution d eau potable (Poulton, 2001). Les facteurs de dégradation des réseaux d eau potable agissent aussi sur la dégradation des réseaux d assainissement. Cependant certains facteurs ou la réponse d un ouvrage à un facteur de dégradation sont spécifiques à un type de réseau et à son usage. Par exemple, les réseaux d eau potable sont sous pression et les matériaux utilisés sont différents (fonte, acier, PVC) alors que les réseaux d assainissement fonctionnent la plupart du temps à surface libre excepté lors d événements pluvieux importants, et les matériaux utilisés sont en général du béton, du ciment, de la fonte, du PVC ou du grès. Les réseaux d assainissement et les réseaux d eau potable ne réagissent pas de manière identique aux sollicitations internes et externes. Davies (2001) identifie 28 facteurs qui peuvent contribuer à la dégradation des réseaux d assainissement, ils sont présentés dans le Tableau

9 Caractéristiques de construction Méthode de construction Savoir faire Diamètre de la conduite Epaisseur de la couverture Lit de pose Matériaux de la conduite Longueur d une unité de conduite Nivellement Branchements Type de joints Qualité des remblais Caractéristiques locales externes Occupation des sols Charge superficielle Type de surface Mouvement de sol Entretien par les services publics Régime des eaux souterraines Infiltration/exfiltration Propriétés du sol encaissant Pénétration de racines Fuites et casses sur le réseau d eau potable Autres facteurs Présence de rats Caractéristiques des effluents Entretien inadapté Historique des investissements Age Hauteur de sédiments Surcharge hydraulique Tableau 1.3: Les facteurs qui influencent la dégradation structurelle des réseaux d assainissement (Davies, 2001). Du point de vue des praticiens (Davies, 2001), les facteurs de dégradation des réseaux d assainissement dont l influence est prédominante sont les suivants : - l occupation des sols ; - l âge des collecteurs ; - l historique des investissements ; - l épaisseur de la couverture ; - la nature du sol encaissant ; - le diamètre des collecteurs ; - la norme de construction ; - les branchements. On remarque dans le Tableau 1.3 que l infiltration et l exfiltration sont considérées comme des facteurs qui influencent la dégradation structurelle des réseaux d assainissement. L infiltration et l exfiltration sont donc à la fois une conséquence et une cause de la dégradation structurelle des réseaux d assainissement. 15

10 2.2. Infiltration et exfiltration, causes de la dégradation des réseaux d assainissement L infiltration et l exfiltration résultent de la dégradation structurelle des réseaux d assainissement, mais elles peuvent aussi contribuer au développement d autres détériorations comme le montrent les modèles de déformation de conduite fissurés (Figure 1.1) et d effondrement de conduite (Figure 1.2). Etape 1 : - Les fissures sont dues à un mauvais lit de pose et à l accumulation de contraintes. La conduite reste en place et est toujours supportée par l encaissant. - Défauts observables : fissures au niveau du radier, du toit, etc. Infiltrations visibles ou pas. Etape 2 : - Développement de l infiltration et/ou de l exfiltration. La résistance latérale de la conduite est diminuée et la conduite est très sensible à la déformation surtout si les matériaux du lit de pose sont de mauvaise qualité ou mal compactés. Les fissures évoluent en fractures. - Défauts observables : fractures, légère déformation, infiltration visible ou pas. Etape 3 : - La perte de résistance latérale entraîne l affaissement du toit de la conduite, la conduite tend à s effondrer. - Développement de zones avec absence de lit de pose car les matériaux sont érodés et transportés dans le réseau. - Défauts observables : fractures, destruction. Figure 1.1: Déformation d une conduite fissurée sous l influence de l infiltration et de l exfiltration (WEF, 1994) 16

11 Etape 1 : Défaut d étanchéité au niveau d un joint ou d un branchement latéral. Défauts observables : joints ouverts, branchement défectueux, infiltration. Etape 2 : Développement de l infiltration et de l exfiltration. La déstabilisation de la tranchée d assainissement entraîne le déplacement de la conduite. Défauts observables : disjointements, inversion de pente, affaissement, infiltration. Etape 3 : Les contraintes inégales appliquées sur les conduites dues aux dis-jointements entraînent la fissuration des conduites puis leur déformation. Défauts observables : joints ouverts et déplacés, fissures, fractures, affaissement, inversion de pente. Développement de zones avec absence de lit de pose car les matériaux sont érodés et transportés dans le réseau. Figure 1.2: Affaissement d une conduite sous l influence de l infiltration et de l exfiltration (WEF, 1994). 17

12 3. L infiltration dans les réseaux d assainissement : état de l art 3.1. Généralités sur les eaux claires parasites Définition des eaux claires parasites Les eaux parasites dans un réseau d assainissement sont définies comme tout apport dont la présence ne répond pas à la vocation initiale des ouvrages, qui, pour les réseaux séparatifs, eaux usées et eaux pluviales, est de collecter respectivement des effluents domestiques voire industriels et des eaux de ruissellement ; les réseaux unitaires assurant pour leur part une fonction mixte. Elles sont qualifiées de parasites en raison de leur présence indésirable de par leur quantité et leur qualité qui influent considérablement sur le transport et le traitement des eaux usées. Dans les réseaux d eaux usées, certaines de ces eaux parasites sont qualifiées de claires, car elles sont considérées comme «propres» par rapport aux eaux usées strictes (effluents domestiques et industriels). Les eaux parasites non claires sont issues de rejets industriels non conformes ou, dans le cas des réseaux séparatifs eaux pluviales, de raccordements illicites d eaux usées. Dans la suite, on s intéresse principalement aux eaux claires parasites qui sont les plus préjudiciables pour l assainissement urbain, en particulier pour l épuration des eaux usées Origines et classifications des eaux claires parasites ou ECP Les apports d eaux claires parasites dans les réseaux d assainissement ont des origines diverses et des comportements variables dans le temps et dans l espace. Les ECP sont donc classées généralement en différentes catégories faisant référence à leur variabilité spatiotemporelle. - Classification par répartition dans l espace : Ce type de classification permet de distinguer d une part les apports ponctuels facilement localisables, et d autre part les apports diffus pour lesquels les points de pénétration sont multiples, de dimensions variables et dispersés sur toute la longueur du collecteur. A partir de cette répartition spatiale des apports, on distingue classiquement deux grands types d ECP : - les eaux parasites de captage (EPC) : ce sont des apports ponctuels qui résultent de l ensemble des raccordements non conformes ou illicites sur le réseau. - les eaux parasites d infiltration (EPI) : ce sont des apports diffus qui résultent de l ensemble des défauts d étanchéité du réseau. - Classification par répartition dans le temps : Ce type de classification permet de distinguer les apports permanents qui sont constants ou qui ne subissent que de faibles variations annuelles et les apports non permanents dont les variations sont fonction de l intensité de la pluie, des hauteurs de pluies antécédentes, ou plus généralement de la saisonnalité. Le Laboratoire Régional de l Ouest Parisien (LROP) aborde la dimension temporelle des apports parasites en considérant le temps de réponse à la 18

13 pluie ou l échelle de temps des variations de débit. Le LROP (1981) propose la classification suivante (Tableau 1.4) : Temps de réponse Nature des eaux parasites Causes à rechercher Quelques minutes à 1 ou 2 heures Apports aléatoires Erreurs de branchements Collectes de fossés Surverses de plans d eau Quelques heures à quelques jours Apports pseudo permanents Infiltration dans les nappes à niveau variable Ressuyage des terrains perméables Drainage Saisonnier à annuel voire infini Apports permanents Infiltration dans les nappes à niveau stable Ressuyage de terrains peu perméables (limons) Tableau 1.4: Classification des ECP en fonction du temps de réponse à la pluie (LROP, 1981). On peut également adopter une classification mixte qui combine les critères spatiaux et temporels. Le Tableau 1.5 présente un exemple de classification des ECP développé au Canada dans le cadre du programme «Eaux Parasites d Infiltration et de Captage» ou EPIC (Gouvernement du Québec, 1979) qui a ensuite été repris par l Agence de Bassin Loire Bretagne (ABLB, 1982 ; Ranchet et al., 1982). Apports permanents Apports non permanents EPI Eaux parasites d infiltration EPI 1 Apports permanents en période de basses eaux EPI 2 Apports parasites liés aux fluctuations de la nappe EPC Eaux parasites de captage EPC 1 EPC 3 Sources, ruisseaux captés. Drains raccordés au réseau Eaux de refroidissement EPC 2 Eaux de ruissellement (réseaux séparatifs eaux usées) Captage du cours d eau par mise en charge des déversoirs d orage lors de crues Tableau 1.5: Classification spatio-temporelle des ECP selon l ABLB (Ranchet et al, 1982). Cette approche illustre bien la diversité des apports d eaux claires parasites. Cependant, dans la pratique, certains types d apport sont difficilement identifiables : - les EPC 1 et EPC 3 ne sont en général pas distinguées l une de l autre et ces apports par captage ne peuvent être quantifiés que lorsqu ils sont localisés précisément. A 19

14 l échelle d un bassin versant, ils sont donc cumulés avec ceux des infiltrations permanentes EPI 1 dans une évaluation globale. - les eaux parasites non permanentes de captage EPC 2 ne sont souvent pas parfaitement distinguées des apports par infiltration et par drainage rapide, qui sont en principe à comptabiliser dans EPI 2. - seul le cumul EPI 1 + EPI 2 est évalué lorsque l on ne fait des mesures qu en période de nappes hautes. Belhadj (1994) utilise pour ces travaux de thèse la classification simplifiée suivante : Les eaux claires parasites de captage EPC : ce sont des apports ponctuels dans l espace. Ils proviennent de branchements non conformes sur le réseau d eaux usées. En fonction du temps, ces apports peuvent être de deux types : - apports quasi permanents : eau de source ou de drainage ; - apports temporaires : eaux pluviales des surfaces imperméables. Les eaux claires parasites d infiltration EPI : ce sont des apports diffus dans l espace. Ils proviennent de défauts d étanchéité du réseau concerné. Ces eaux sont donc présentes dans l environnement direct de la tranchée d assainissement et sont drainées par le réseau. On distingue : - les apports permanents ou composante saisonnière : drainage des eaux souterraines, leur quantité est fonction de la hauteur de la zone saturée au dessus du réseau. C est le drainage lent. - les apports temporaires ou composante événementielle : ce type d apport est caractérisé par des débits de pointe importants à l exutoire par temps de pluie. Ce sont des eaux de pluie qui transitent rapidement dans le sol et contribuent à la recharge des eaux souterraines. Une partie de cette eau est drainée par le réseau, c est le drainage rapide. Ce dernier dépend donc de la lame d eau précipitée ainsi que de la structure et de l état hydrique du sol (pluies antérieures). Ce comportement spécifique des EPI a conduit à l élaboration de nombreux modèles qui permettent de simuler ces phénomènes (Breil, 1993 ; Belhadj, 1994 ; Dupasquier, 1999) Impacts des ECP sur le fonctionnement du système d assainissement L intrusion d ECP dans les réseaux d assainissement modifie la quantité et la qualité des effluents par rapport aux données de référence prises en compte lors de la projection et la conception des ouvrages de collecte et de traitement. Les modifications quantitatives des effluents liées à l augmentation du débit d eaux usées lors d événements pluvieux et en 20

15 période de hautes eaux sont étudiées à plusieurs échelles de temps. Le pas de temps horaire permet d apprécier les débits de pointe et l impact des ECP sur les ouvrages dimensionnés sur ce type de critère. Par exemple, les ouvrages de collecte et de transit : canalisations, postes de relèvement, déversoirs d orage ; et les ouvrages de traitement à faible temps de séjour : séparation de phase, mise en contact avec un réactif chimique. Les pas de temps journalier, mensuel et annuel permettent d apprécier des volumes, dans des objectifs de comparaison et de hiérarchisation des apports, ainsi que d évaluation d impacts généraux, tels que les dégradations et les coûts de fonctionnement. Cette échelle de temps permet de prévoir les conséquences des ECP sur les ouvrages de stockage, ainsi que sur les ouvrages de traitement avec des temps de séjour élevés tels que ceux rencontrés dans de nombreux procédés biologiques. Les modifications qualitatives des effluents se traduisent par la dilution des effluents bruts par les eaux claires parasites qui entraîne une diminution de l efficacité épuratoire des ouvrages de traitement (Renault, 1983). Une étude réalisée par Brombach et al. (2003), à partir de séries de données de débits acquises pendant quatre ans en entrée de 34 stations d épuration de la région de Baden- Würtemberg en Allemagne, montre que le débit journalier d ECP peut atteindre, en hiver et au printemps, jusqu'à 700 % du débit d eaux usées strictes, soit une dilution des effluents bruts selon un facteur 8. Les effluents bruts sont alors 10 fois plus dilués qu en été ou en automne. Weiss et al. (2002), à partir des mêmes données, montrent que la proportion moyenne des composantes eaux claires parasites, eaux usées strictes et eaux pluviales en entrée de ces 34 stations d épuration est respectivement de 35 %, 30 % et 35 % : les eaux claires parasites représentent en moyenne plus d un tiers des volumes traités. Les apports d eaux claires parasites peuvent avoir des conséquences majeures sur les réseaux de collecte, les ouvrages de traitement épuratoire et bien évidemment sur les milieux naturels dont la protection est liée à l efficacité de l assainissement. Les impacts techniques et économiques qui en résultent doivent donc être étudiés à ces trois niveaux Impact des ECP sur les réseaux Les impacts des ECP sur les réseaux de collecte dépendent de la nature et de l importance des apports, ils se traduisent par : - l insuffisance de la capacité de transit : elle occasionne des surcharges hydrauliques au niveau des collecteurs et des postes de relèvement. C est une situation qui se rencontre fréquemment dans les réseaux d eaux usées comportant des raccordements anormaux de canalisations d eaux pluviales. Cette saturation du réseau peut entraîner des surverses dans les caves, les sous-sols et parfois même sur la chaussée. Il est important de noter que la présence de ces ECP limitera également les futurs raccordements au réseau, réduisant ainsi l efficacité des investissements qui auront été réalisés. - l usure accélérée des collecteurs : elle peut être provoquée soit par l agressivité des effluents parasites (érosion chimique et physique), soit par l érosion progressive des matériaux de remblais de la tranchée d assainissement sous l action d eaux 21

16 d infiltration qui peut provoquer des fissures, des tassements différentiels avec déboîtages des conduites, - la surcharge des postes de relèvement : elle entraîne une augmentation des durées de pompage et donc des consommations d énergie, de plus l usure mécanique des installations est accélérée Impact des ECP sur fonctionnement des ouvrages épuratoires En premier lieu, il faut noter que la sensibilité des ouvrages de traitement aux apports d eaux claires parasites est variable selon le type de procédé épuratoire utilisé. Une étude présentée par l Agence de Bassin Loire Bretagne en 1982 sur les aptitudes à admettre des surcharges hydrauliques permanentes ou passagères montre par exemple que le lagunage et les lits bactériens peuvent admettre des variations de débit importantes sans dégradation majeure de la qualité des effluents épurés. En revanche, les procédés plus classiques (boues activées) permettent d avoir une épuration convenable des effluents dilués dans certaines limites, mais avec un coût de fonctionnement plus élevé (Renault, 1983). Pour les stations d épuration (STEP), les conséquences techniques sont de deux types : - les surcharges hydrauliques : elles peuvent provoquer le dépassement de la capacité hydraulique de la STEP, engendrant ainsi des rejets directs dans le milieu récepteur d effluents non traités ; - la dilution des effluents : elle entraîne une baisse du rendement épuratoire et du temps de séjour. De plus, les pointes de débit importantes dues aux captages d eaux pluviales et au drainage rapide risquent de nuire à la décantation secondaire des procédés à boues activées et de lessiver le bassin d aération. Il s ensuit un rejet massif de boues et un dysfonctionnement ultérieur de la station qui peut se prolonger sur plusieurs semaines (Renault, 1983) Impact des ECP sur la qualité des milieux naturels Les apports d eaux claires parasites ont des conséquences sur la qualité des milieux naturels par des rejets plus ou moins fréquents d effluents bruts ou partiellement traités dans le milieu naturel à différents niveaux : - le réseau de collecte : surverses dans les caves et sur la voierie ; - les déversoirs d orage : l augmentation des débits en réseau unitaire provoque un fonctionnement plus fréquent des déversoirs d orage et par conséquent le rejet direct de polluants ; - à l amont de la STEP : si la capacité hydraulique est dépassée, le débit excédentaire est rejeté directement dans le milieu naturel ; - à la sortie de la STEP : il y a une augmentation du flux polluant rejeté par diminution du rendement épuratoire. 22

17 Les impacts financiers de la présence d eaux claires parasites Les impacts techniques présentés précédemment ont des conséquences financières immédiates pour les collectivités qui se doivent d assurer le bon fonctionnement de leur système d assainissement par : - la réhabilitation des réseaux pour réduite les volume d ECP ; - l augmentation de la taille des ouvrages afin d accepter les volumes excédentaires liés à la présence d ECP ; - l augmentation du coût de fonctionnement annuel des stations. A titre d exemple, Decker (1995) étudie une station d épuration dimensionnée pour EH et simule ces différents coûts en fonction de différents taux d apports d eaux parasites d infiltration (de 0 à 300 %). Pour un supplément d eaux parasites de 300 %, le coût d investissement (surtout des capacités de stockage) augmente de 25 % et le coût de fonctionnement annuel augmente de 175 % Les études diagnostics de réseaux d assainissement et les solutions palliatives aux eaux claires parasites La prise de conscience des multiples impacts des ECP détaillés dans les chapitres précédents n est pas récente. Dès le début des années 1970, aux Etats-Unis et au Canada, des méthodes permettant d évaluer l efficacité des réseaux d assainissement et de prévoir la réhabilitation ultérieure des ouvrages dans un contexte excluant les surverses sont définies (Environment Protection Agency, 1975). En France, au début des années 1980, les Services d Assistance Technique aux Exploitants de Station d Epuration (SATESE) observent qu une grande partie des problèmes constatés sur les stations d épuration est liée aux réseaux de collecte et en particulier aux apports d eaux claires parasites (Joannis, 1993). Quelques SATESE sont alors chargés par le Ministère de l Environnement d élargir leur domaine de recherche et d aborder les problèmes de réseau. Par la suite, des études spécifiques sont confiées à des bureaux d études spécialisés, afin que des possibilités de réhabilitation en amont soit examinées avant d entreprendre des aménagements ou des agrandissements des stations d épuration. Les Agences de Bassin contribuent largement au développement et au financement de ces études, baptisées «études diagnostics». Le but de ce type d étude est de quantifier, identifier et localiser les apports d eaux parasites de diverses natures mais plus particulièrement des apports d eaux dites claires dans les réseaux d eaux usées Méthodologie des études diagnostics La méthodologie suivie dans le cadre des études diagnostics a été développée essentiellement par le Laboratoire Régional de l Ouest Parisien en La démarche proposée par Ranchet et al. (1982) est composée de trois phases successives : 23

18 Première phase : elle consiste en l établissement d un diagnostic global des ouvrages du système d assainissement dans les zones où les impacts des eaux parasites sont observés. Des visites sur le terrain sont nécessaires pour déterminer les mesures à conduire, leur période, leur durée et leur emplacement. Lorsque les observations de terrain et des mesures instantanées ne permettent pas d identifier les causes des anomalies, il est intéressant de réaliser des mesures continues caractérisant les apports temporaires et les apports permanents. Ceci permet aussi de classer les eaux parasites en fonction de leur temps de réponse à la pluie. Deuxième phase : elle repose sur l analyse de campagnes de mesures, principalement des chroniques pluie-débit au pas de temps horaire ou journalier complétées parfois de mesures de polluants dont le but est : - la quantification globale des apports d eaux parasites et l évaluation de leurs impacts, - l identification et la hiérarchisation de ces apports pour aboutir à une répartition par secteurs géographiques et par type d eaux parasites. L objectif de la hiérarchisation est de réduire les champs d investigation en localisant les parties du réseau les plus défectueuses afin d éviter la vérification systématique de l ensemble du réseau qui est très onéreuse. Pour se faire, un bassin versant est divisé en plusieurs sous-bassins versants à l exutoire desquels des points de mesure en continu du débit sont installés (capteur hauteur-vitesse, déversoir à seuil) ainsi que des préleveurs automatiques afin de prélever des échantillons d eaux usées pour des analyses qualitatives. Le découpage du réseau repose sur ses caractéristiques intrinsèques (âge, conception), son environnement proche (hydrogéologie, population) et sur l expérience (ensemble des raccordements effectués). La hiérarchisation des sous-bassins est faite en fonction de leur sensibilité en déterminant la répartition du volume d eaux parasites sur le linéaire étudié et en fonction de leur contribution au volume total d ECP sur l ensemble du bassin versant. Troisième phase : elle consiste en la localisation précise des différentes sources d apports parasites par l emploi de techniques spécifiques. On trouve : - les tests à la fumée permettant de localiser les branchements non conformes d eaux pluviales sur les réseaux séparatifs eaux usées ; - le contrôle aux colorants utilisé pour localiser les branchements d origines diverses tels que les raccordements de fossés et de surverses des plans d eaux, les apports de qualité non conforme vis à vis du réseau ou de la STEP, etc ; - l inspection télévisée permettant pour les réseaux d eaux usées non visitables de localiser des défauts d étanchéité à l origine des apports par infiltration. Ces trois phases d investigation sont suivies par une phase d étude et de comparaison des différentes solutions permettant de réduire l impact des eaux claires parasites sur les réseaux d assainissement afin d élaborer un programme d aménagement. 24

19 Les solutions aux eaux claires parasites Après avoir procédé à la quantification, l identification et la localisation des apports d ECP, les gestionnaires des réseaux d assainissement sont contraints de prendre un certain nombre de mesures pour limiter leurs nuisances si les volumes quantifiés d eaux claires parasites dépassent un certain seuil de tolérance. La présence des eaux claires parasites est tolérable en dessous d un seuil établi et fixé par l expérience acquise au cours des différentes études diagnostics. Selon les pays ce seuil est très variable et est exprimé de différentes manières (Breil, 1990). Au Québec, pour les réseaux séparatifs eaux usées domestiques et les réseaux unitaires, l apport d eaux claires parasites en période de nappe haute est considéré comme excessif à partir d un volume journalier de 320 L/hab. Pour les égouts industriels, le seuil est exprimé par référence à la surface du réseau, il est de 1400 L/jour/cm de diamètre de collecteur/km linéaire. Aux Etats-Unis, la limite est fixée à 1,9 m 3 /jour/diamètre (cm)/km. Si ce niveau est dépassé une étude économique est nécessaire et des apports supérieurs à 5 m 3 /jour/diamètre (cm)/km contraignent les gestionnaires à réhabiliter le réseau. En France, les normes sont relatives aux protocoles de réception des réseaux d assainissement. La méthode repose sur l évaluation du volume d appoint nécessaire sur 30 minutes pour maintenir un tronçon de réseau en charge. Pour les collecteurs de diamètre inférieur à 40 cm le seuil est fixée à 0,4 l/m 2, et pour les collecteurs de diamètre supérieur à 40 cm la limite est fixée à 0,4 % du volume de la conduite (Biseau, 1987). Les différentes solutions palliatives aux eaux claires parasites sont présentées et répertoriées selon le niveau d intervention et selon la nature des apports parasites. Il s agit de techniques qui visent à éliminer les eaux claires parasites par traitement à la source. Il existe aussi des techniques qui visent seulement à éliminer les effets nuisibles des ECP, techniques plus intéressantes d un point de vue économique Interventions sur les réseaux - Elimination des eaux parasites de captage : la suppression des eaux parasites de captage peut être effectuée par des travaux de nature très variée comme : - le détournement des ruisseaux ou des sources : assez complexe dans le centre des agglomérations en raison des contraintes de POS et de circulation ; - la remise en conformité des raccordements : généralement effectuée dans le cadre de campagnes lancées par les collectivités qui intègrent, en plus du caractère obligatoire de ces travaux, des mesures supplémentaires de nature à accélérer leur exécution (mise en conformité obligatoire lors de transactions immobilières ou lors d interventions ponctuelles sur le réseau, aide financière, etc) ; - l élimination des drainages clandestins ; 25

20 - le remplacement des tampons non étanches dans les zones submersibles ; - l automatisation des déversoirs d orage : par alignement de leur cote aux variations du milieu récepteur pour éviter les intrusions de ce dernier dans le réseau. - Elimination des eaux parasites d infiltration : elles sont plus difficiles à supprimer en raison de leur caractère diffus, mais aussi à cause de la modification des écoulements souterrains entraînés par les travaux. En effet, l étanchement de certains tronçons de collecteur peut entraîner une remontée locale du niveau de la zone saturée qui peut alors atteindre d autres points d infiltration. Il existe actuellement de nombreuses techniques de rénovation des réseaux qui permettent pour la plupart d assurer une bonne étanchéité des canalisations (Biseau et al., 1991), parmi lesquelles on peut citer : - le chemisage : une gaine souple est insérée, plaquée, puis rigidifiée à l intérieur de la conduite en place ; - les projections : un robot assure la projection par centrifugation d un revêtement continu ou localisé sur la paroi ; - le tubage : ce type d action rassemble de nombreuses techniques dont le point commun est la constitution d un revêtement continu, partiel ou total relié, à l ancien ouvrage par un coulis à base de ciment. A partir d une étude de 30 cas, Biseau (1987) compare le coût de la réhabilitation à celui du remplacement lors d une intervention sur un réseau. La pérennité des méthodes ainsi que le montant des travaux annexes (ouvertures des fouilles, etc) étant pris en compte, l étude a permis de conclure que la réhabilitation est toujours moins onéreuse, excepté pour le tubage. Les techniques de réhabilitation des réseaux présentées ci-dessus sont parfois jugées trop lentes et trop coûteuses par les collectivités qui sont amenées à prendre des mesures qui ne visent pas à éliminer les apports d eaux parasites dans les réseaux, mais à limiter leurs conséquences sur les milieux récepteurs. Les mesures envisagées concernent en priorité les débits de pointe par la modification du fonctionnement des surverses. On peut les classer en trois catégories : - la réduction des volumes surversés par l augmentation des capacités de transit et par le stockage en bassin tampon, - la réduction des masses de polluants surversées par le déversement préférentiel d effluents dilués et par leur traitement, - la réduction de l impact des surverses par une gestion de la sensibilité des milieux récepteurs dans le temps et dans l espace (Chocat et Brelot, 1994). Cependant il faut souligner que certaines de ces actions ne font que reporter le problème en aval, en particulier les solutions visant à réduire les volumes surversés qui doivent être concordantes avec la capacité hydraulique de la STEP. 26

21 Interventions au niveau de la station d épuration Les actions sur les STEP constituent un complément aux actions réalisées sur les réseaux de collecte. Elles concernent les débits de pointe, les volumes et les flux journaliers. Ces interventions peuvent aller de l amélioration des capacités d exploitation de la station existante à la conception d une nouvelle station plus performante. Dans le cas des stations à boues activées, les principales interventions envisageables concernent les débits de pointe et leur impact sur la décantation secondaire par le surdimensionnement des bassins de décantation, sa modulation, le maintien de faibles taux de boues dans le bassin d aération, la gestion du volume variable de ce dernier et l amélioration de l hydraulique des ouvrages (Renault, 1983) Conclusion sur les études diagnostics La quantification des volumes d ECP constitue la phase la plus importante et la plus délicate d une étude diagnostic puisqu en fonction des volumes estimés et de la hiérarchisation des apports établie, diverses solutions palliatives plus ou moins élaborées et coûteuses peuvent être mises en œuvre afin de réduire l impact des eaux claires parasites sur le fonctionnement global et l efficacité du système d assainissement. Il existe différentes méthodes qui permettent d estimer les volumes d eaux claires parasites. Les principes de la quantification des ECP sont présentés dans le chapitre suivant Principes de la quantification des eaux claires parasites et présentation générale des méthodes existantes Les méthodes d estimation des ECP utilisées dans le cadre des études diagnostics doivent permettre d identifier et de quantifier les deux composantes distinguées dans la classification simplifiée des ECP : - les eaux parasites d infiltration d eaux souterraines EPI drainées par la tranchée d assainissement qui s infiltrent dans le réseau par le biais de défauts d étanchéité avec distinction du drainage lent des eaux souterraines et du drainage rapide des eaux pluviales ; - les eaux parasites de captage EPC par temps de pluie liées à des connections anormales de surfaces imperméables sur les réseaux séparatifs eaux usées. La présence d eaux claires parasites dans les réseaux d assainissement a pour effet d une part l augmentation des débits d eaux usées et d autre part la dilution des effluents. Les différentes méthodes permettant d estimer les volumes d eaux claires parasites reposent donc sur l analyse de séries de données débitmétriques et/ou sur l étude de polluants caractérisant la dilution des effluents bruts. La plupart des méthodes d estimations des ECP existantes s appliquent uniquement avec des données acquises par temps sec. En effet, la quantification des eaux claires parasites par temps de pluie ne présente un intérêt que pour les réseaux séparatifs eaux usées afin de 27

22 quantifier les eaux parasites de captage. Un protocole spécifique d estimation des ECP pour les réseaux séparatifs eaux usées est décrit par Joannis et al. (2003). Afin de dissocier EPC et EPI, la méthodologie suivante est proposée : - les EPC sont évaluées à partir des données de débit en période sèche quand le niveau des nappes souterraines est minimum. En effet, pendant la période humide, particulièrement en hiver, les périodes pluvieuses alternent avec des périodes sèches. A l échelle mensuelle, les précipitations dépassent la demande en évapotranspiration, les sols sont donc gorgés d eau, une partie de cette eau est drainée par le réseau d assainissement pendant plusieurs jours ou plusieurs semaines. Pendant la saison sèche, l influence d un événement pluvieux est limitée à quelques heures. Comme l analyse d événements pluvieux est nécessaire, la période de mesure ou la chronique doit s étendre sur plusieurs mois. La période la plus favorable se situe à la suite d un événement pluvieux suivant une longue période de temps sec et avant que la recharge des eaux souterraines ne débute. Lorsque l on dispose de plusieurs années de données sur un réseau qui n a pas subit d évolution significative, on peut facilement sélectionner plusieurs événements pluvieux qui permettent d évaluer les EPC. Les volumes d eaux pluviales associés à chaque événement pluvieux sont ramenés aux hauteurs de précipitation correspondantes et les surfaces ainsi calculées sont moyennées. On obtient alors une surface active moyenne permettant de reconstituer les débits d eaux parasites de captage à l aide de la chronique de pluie. Dans tous les cas, même si un seul événement est utilisable, il est suffisant pour des séries de données d EPC à partir de chroniques pluviométriques. - les eaux usées domestiques sont évaluées de manière classique en analysant les hydrogrammes journaliers de débit horaire en période de temps sec. - les EPI sont évaluées en soustrayant au débit total mesuré la somme des EPC et des eaux usées domestiques. Un protocole identique peut être appliqué pour les réseaux unitaires avec des données de débit par temps de pluie, mais dans ce cas la composante EPC n est autre que la composante eau pluviale qui est simulée classiquement en hydrologie urbaine par des modèles pluie-débit. Les méthodes d estimation existantes sont spécifiques à la quantification de la composante EPI des ECP quel que soit le type de réseau étudié, unitaire ou séparatif eaux usées. Certaines méthodes ne font pas de distinction entre drainage lent et drainage rapide et s appliquent uniquement avec des données de débit acquises par temps sec. D autres méthodes permettent de quantifier uniquement le drainage lent par temps sec ou temps de pluie sans distinction. Il existe aussi des méthodes qui permettent de quantifier les EPI non permanentes liées aux variations saisonnières du niveau piézométrique des eaux souterraines. Notre étude bibliographique a permis de recenser 15 méthodes différentes d estimations des EPI. Ces méthodes sont développées et couramment utilisées dans divers pays d Europe. Les 15 méthodes reposent sur deux principes généraux : 28