THESE LA POLLUTION DES EAUX PLUVIALES URBAINES EN RESEAU D ASSAINISSEMENT UNITAIRE CARACTERISTIQUES ET ORIGINES

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1 THESE Présentée pour l obtention du titre de DOCTEUR DE L ECOLE NATIONALE DES PONTS ET CHAUSSEES Spécialité : Sciences et Techniques de l Environnement LA POLLUTION DES EAUX PLUVIALES URBAINES EN RESEAU D ASSAINISSEMENT UNITAIRE CARACTERISTIQUES ET ORIGINES par Marie-Christine GROMAIRE-MERTZ Thèse soutenue le 16 décembre 1998, devant le jury composé de : M. Guy OBERLIN Président M. Michel DESBORDES Directeur de thèse M. Bernard CHOCAT Rapporteur M. Vladimir KREJCI Rapporteur M. Jean Claude DEUTSCH Examinateur M. Ghassan CHEBBO Examinateur M. Michel AFFHOLDER Membre invité M. Pierre Frédéric TENIERE BUCHOT Membre invité

2 SOMMAIRE INTRODUCTION LA POLLUTION DES EAUX PLUVIALES URBAINES Repères historiques Etat des connaissances sur la pollution des eaux pluviales OBJECTIFS DE LA RECHERCHE PARTIE 1. CONTEXTE EXPÉRIMENTAL CHAPITRE 1.1. CHOIX DU BASSIN VERSANT ET DESCRIPTION CHOIX DU SITE EXPÉRIMENTAL DESCRIPTION DU SITE Délimitation du bassin versant et classification des surfaces Occupation du sol Population Activités Caractérisation des surfaces urbaines Répartition par type de surface Toitures Cours et jardin Voirie Description du réseau d assainissement Topographie du réseau Nature des effluents de temps sec et de temps de pluie Etat d ensablement du réseau...48 CHAPITRE 1.2. CHOIX ET ÉQUIPEMENT DES SITES DE MESURE CONTRAINTES LIÉES À L'ÉQUIPEMENT DU BASSIN CHOIX DES POINTS DE MESURE Pluviométrie Ruissellement Toitures Cours Chaussées Exutoire CHOIX DES ÉQUIPEMENTS DE MESURE Difficultés métrologiques Description des équipements Pluviométrie Etude des eaux de ruissellement Exutoire MAINTENANCE DES SITES DE MESURE... 66

3 CHAPITRE 1.3. PROTOCOLES D ANALYSE PROTOCOLE D ANALYSE DES MATIÈRES EN SUSPENSION (MES) ET DES MATIÈRES VOLATILES EN SUSPENSION (MVS) PROTOCOLE D ANALYSE DE LA DCO PROTOCOLE D ANALYSE DE LA DBO PROTOCOLE D ANALYSE DES MÉTAUX PROTOCOLE D ANALYSE DES HYDROCARBURES PROTOCOLE DE MESURE DES VITESSES DE CHUTE Principe de mesure...76 Protocole de mesure Méthode de calcul des vitesses de chute...78 CHAPITRE 1.4. INCERTITUDES DE MESURE INTRODUCTION INCERTITUDE SUR LES CONCENTRATIONS PONCTUELLES Représentativité de l échantillon prélevé Incertitude liée à la variabilité des concentrations dans la section de mesure Ségrégation des particules au niveau de la prise d eau Evaluation théorique de la modification de l échantillon au cours du transport entre la prise d eau et le flacon Contamination de l échantillon lors du prélèvement Evaluation expérimentale de l incertitude d échantillonnage, par temps sec à l exutoire du bassin versant Incertitude liée à la conservation de l échantillon Cas des analyses de MES, DCO et DBO Cas des analyses de métaux et d hydrocarbures Cas des vitesses de chute Incertitudes d analyse Incertitude d analyse des MES, MVS, DCO et DBO Incertitude d analyse des métaux et des hydrocarbures Incertitude de mesure des vitesses de chute Valeurs retenues pour l incertitude sur les concentrations des prélèvements ponctuels Concentrations ponctuelles mesurées à l exutoire par temps sec et par temps de pluie Concentrations mesurées sur les eaux de ruissellement des toitures, cours, chaussées Incertitude sur la mesure des vitesses de chute INCERTITUDE SUR LA CONCENTRATION MOYENNE AU COURS D UN ÉVÉNEMENT Introduction Incertitude sur la concentration moyenne liée à la procédure d échantillonnage Représentativité de différentes procédures d échantillonnage Incertitudes liées aux procédures d échantillonnage utilisées dans le cadre de la thèse Incertitude sur la concentration moyenne liée à la détermination du début et la fin de l événement Exutoire Avaloirs et cours Incertitude sur la concentration moyenne, liée à l erreur de prélèvement et d analyse Valeurs retenues pour l incertitude sur la concentration moyenne au cours de l événement

4 Rappel des principales sources d incertitude par site de mesure Calcul de l incertitude globale INCERTITUDE SUR LES MESURES PLUVIOMÉTRIQUES, LES DÉBITS ET LES VOLUMES Incertitude sur les données pluviométriques Incertitude liée à la technique de mesure Incertitude liée au site de mesure Incertitude sur les mesures de débit et de volume des eaux de ruissellement Mesures de débit et de volume au niveau des sites d échantillonnage des eaux de ruissellement de chaussée Volume ruisselé par unité de surface sur les cours, toitures et chaussées expérimentales Incertitude sur les mesures de débit et de volume à l exutoire Calcul d incertitude théorique Comparaison avec des mesures de débit par traçage chimique Conclusion sur l incertitude des mesures de débit et de volume à l exutoire Synthèse des incertitudes sur les mesures pluviométrique, les débits et les volumes 137 CONCLUSION : SYNTHÈSE DU CONTEXTE EXPÉRIMENTAL PARTIE 2. CARACTÉRISATION DES EAUX URBAINES CHAPITRE 2.1. : SYNTHÈSE BIBLIOGRAPHIQUE LES EAUX USÉES DE TEMPS SEC Nature et origines des eaux usées de temps sec Volume et charge polluante des eaux usées domestiques Volume et charge polluante des eaux usées «professionnelles» Volume et charge polluante des eaux de lavage de voirie et des eaux claires Caractéristiques des eaux usées de temps sec à l exutoire des réseaux unitaires Ordre de grandeur des volumes et des charges journaliers Variabilité des flux journaliers en MES Variabilité journalières des débits et flux d eaux usées Caractéristiques des particules en suspension dans les eaux usées de temps sec Conclusions sur les données bibliographiques concernant les eaux de temps sec LES EAUX DE RUISSELLEMENT Origines de la pollution des eaux de ruissellement Lessivage de l atmosphère Lessivage des surfaces urbaines Caractérisation des eaux de ruissellement de toiture Enjeu des études sur la pollution des eaux de toiture Les toitures sources ou puits de pollution? Concentration des eaux de ruissellement de toiture et influence de la nature du toit Evolution des concentrations au cours de l événement pluvieux Répartition de la pollution entre phase solide et phase dissoute Caractéristiques des particules en suspension dans les eaux de ruissellement de toiture Eaux de ruissellement de voirie Nature des données bibliographiques Concentration moyenne à l échelle de l événement pluvieux Répartition de la pollution entre fraction dissoute et particulaire Nature des particules en suspension dans les eaux de voirie Répartition de la pollution au cours de l événement Eaux pluviales à l exutoire des réseaux séparatifs

5 2.5. Conclusion sur les données bibliographiques concernant les eaux de ruissellement LES EAUX PLUVIALES À L EXUTOIRE D UN RÉSEAU UNITAIRE Ordre de grandeur de la pollution des eaux pluviales unitaires A l échelle de l événement pluvial A l échelle annuelle Répartition de la pollution des eaux pluviales unitaires entre phases dissoute et particulaire Caractéristiques des particules en suspension dans les eaux pluviales unitaires Granulométrie, densité et teneurs en polluants Vitesses de chute des particules en suspension dans les eaux pluviales unitaires Répartition de la pollution au cours de l événement pluvieux et phénomène de «premier flot» Qu est ce que le premier flot? Position relative des pics de concentration et de débit Répartition de la masse polluante au cours de l événement pluvial Conclusions sur les données bibliographiques concernant les eaux pluviales unitaires CONCLUSIONS DE LA SYNTHÈSE BIBLIOGRAPHIQUE CHAPITRE 2.2. CARACTÉRISATION DES EAUX USÉES DE TEMPS SEC DU MARAIS DESCRIPTION DES CAMPAGNES DE MESURE Campagne d étude des eaux de lavage de voirie Campagne d étude des eaux de temps sec à l exutoire du bassin versant CARACTÉRISTIQUES MOYENNES JOURNALIÈRES DES EAUX DE NETTOYAGE DE VOIRIE Volume d eau et masses polluantes engendrées Répartition de la pollution des eaux de nettoyage entre phase dissoute et phase particulaire Caractéristiques des particules en suspension dans les eaux de nettoyage de voirie Teneurs en matière organique des particules issues du nettoyage Teneurs en micropolluants des particules issues du nettoyage Vitesses de chute des particules issues du nettoyage Conclusions sur les eaux de nettoyage de voirie CARACTÉRISTIQUES MOYENNES JOURNALIÈRES DES EAUX DE TEMPS SEC À L EXUTOIRE DU BASSIN VERSANT Débits, flux et concentrations moyennes journalières des eaux de temps sec Ordre de grandeur Variabilité en fonction du jour de la semaine et de la saison Conclusions sur les ordres de grandeurs des débits, concentrations et flux de temps sec Répartition de la pollution des eaux usées entre phase dissoute et phase particulaire et caractéristiques des particules en suspension, en moyenne journalière Répartition de la pollution des eaux usées entre phase dissoute et phase particulaire Caractéristiques moyennes journalières des particules en suspension dans les eaux usées Conclusions sur la répartition dissous / particulaire et les caractéristiques des particules en suspension dans les eaux usées EVOLUTION JOURNALIÈRE DES EAUX DE TEMPS SEC Cycle journalier des débits, concentrations et flux pour les paramètres globaux Allure globale du cycle journalier

6 Evolution du cycle en fonction du jour de la semaine Evolution du cycle en fonction de la campagne de mesure Evolution au cours de la journée de la nature de la pollution des eaux de temps sec Biodégradabilité de l effluent Evolution du pourcentage de matière oxydable liée aux particules Evolution de la teneur en matière oxydable des particules Evolution de la vitesse de chute des particules Synthèse des observations concernant l évolution au cours de la journée de la pollution des eaux de temps sec ANALYSE DES PHÉNOMÈNES EN JEU AU COURS DU CYCLE JOURNALIER DES EAUX DE TEMPS SEC Méthodologie Le cycle journalier des concentrations : un effet de dilution uniquement? Mise en évidence des effets d une variation de la capacité de transport au cours de la journée Analyse des relation débits d eaux usées flux d eaux usées Analyse de la relation débit d eaux usées nature des particules Utilisation des rapports MES/DCOd et NH4/DCOd comme traceur de l origine des flux polluants de temps sec Etude du rapport MES/DCOd Etude du rapport NH4/DCOd Conclusion sur l évolution journalière de la qualité des effluents de temps sec SYNTHÈSE DES PRINCIPALES CONCLUSIONS SUR LES CARACTÉRISTIQUES DES EAUX DE TEMPS SEC À L EXUTOIRE DU BASSIN VERSANT DU MARAIS Débits, concentrations et masses polluantes Caractéristiques des particules en suspension dans les eaux de temps sec Le cycle journalier des eaux de temps sec résultat de phénomènes d érosion et de sédimentation CHAPITRE 2.3. CARACTÉRISATION DES EAUX DE RUISSELLEMENT, SUR LE BASSIN VERSANT DU MARAIS DESCRIPTION DES ÉVÉNEMENTS PLUVIEUX ÉTUDIÉS CONCENTRATIONS ET FLUX EN MOYENNE SUR L ÉVÉNEMENT PLUVIEUX Critique des données de concentration moyenne Ordres de grandeur des concentrations et masses par événement Ordre de grandeur des concentrations et masses de MES, MVS, DCO et DBO Ordre de grandeur des concentrations et des masses en métaux et hydrocarbures Conclusions sur les ordres de grandeur des concentrations des eaux de ruissellement Variabilité des concentrations en fonction du site de mesure Variabilité de la qualité des eaux de ruissellement de toitures en fonction du site de mesure Variabilité des concentrations en fonction du site pour les cours et les chaussées Conclusion sur la variabilité de la qualité des eaux de ruissellement de en fonction du site de mesure Variabilité des concentrations en fonction des caractéristiques de l événement pluvieux Variabilité des concentrations et masses polluantes du ruissellement de toitures en fonction de l événement pluvieux Variabilité des concentrations et masses polluantes du ruissellement de chaussée en fonction de l événement pluvieux

7 Conclusion sur la variabilité en fonction de l événement pluvieux RÉPARTITION DE LA POLLUTION DES EAUX DE RUISSELLEMENT ENTRE LA PHASE DISSOUTE ET LA PHASE PARTICULAIRE Proportion de matière oxydable liée aux particules Ordre de grandeur Variabilité de cette répartition en fonction du site d échantillonnage Relations entre la proportion de matière oxydable particulaire et différentes caractéristiques de l effluent Proportion de micro polluants liée aux particules Ordre de grandeur Variabilité de la répartition dissous-particulaire en fonction du site de mesure Conclusion sur la répartition de la pollution des eaux de ruissellement entre fractions dissoute et particulaire CARACTÉRISTIQUES DES PARTICULES EN SUSPENSION Teneurs en matière organique Ordre de grandeur Variabilité des teneurs en matière organique en fonction du site de mesure Variabilité en fonction de l événement pluvieux Teneurs particulaires en métaux et en hydrocarbures Ordre de grandeur Variabilité des teneurs en métaux et hydrocarbures en fonction du site d échantillonnage Vitesses de chute des particules de chaussée Ordre de grandeur Répartition des matières volatiles par classes de vitesse de chute Relations entre vitesse de chute des particules et caractéristiques de l événement pluvieux Comparaison des vitesses de chute au niveau des différents sites de mesure Comparaison entre les vitesses de chute des eaux de ruissellement de chaussée et des eaux de nettoyage de voirie Conclusions sur la nature des particules en suspension dans le ruissellement RÉPARTITION DE LA POLLUTION AU COURS DE L ÉVÉNEMENT PLUVIEUX Caractéristiques générales des pollutogrammes d eaux de ruissellement de voirie Cas de pluies successives Données Remarques générales sur les pluies successives Réflexion sur les mécanismes d entraînement Analyse des courbes masse-volume Conclusion sur la répartition de la pollution des eaux de ruissellement de chaussée au cours de l événement pluvieux PRINCIPALES CONCLUSIONS SUR LA POLLUTION DES EAUX DE RUISSELLEMENT DU MARAIS Concentrations et masses polluantes Répartition dissous-particulaire Caractéristiques des particules en suspension dans le ruissellement Répartition de la pollution au cours de l événement CHAPITRE 2.4. CARACTÉRISATION DES EAUX PLUVIALES À L'EXUTOIRE DU RÉSEAU UNITAIRE DESCRIPTION DES ÉVÉNEMENTS PLUVIEUX ÉTUDIÉS CONCENTRATIONS ET FLUX MOYENS À L ÉCHELLE DE L ÉVÉNEMENT PLUVIEUX

8 2.1. Critique des données de concentrations Concentrations et flux de MES, MVS, DCO et DBO5, à l échelle de l événement pluvieux Ordre de grandeur et comparaison avec la bibliographie Comparaison avec les flux de temps sec Concentrations et flux de métaux et d hydrocarbures, à l échelle de l événement pluvieux Ordre de grandeur Comparaison avec les données de la littérature Comparaison avec les flux de temps sec Variabilité en fonction de l événement pluvieux Conclusions sur les concentrations et les masses par événement pluvieux RÉPARTITION DE LA POLLUTION ENTRE LA PHASE PARTICULAIRE ET LA PHASE DISSOUTE, ET CARACTÉRISTIQUES DES PARTICULES EN SUSPENSION Répartition de la pollution entre la phase particulaire et la phase dissoute, en moyenne sur l événement pluvieux Caractéristiques des particules en suspension dans les eaux pluviales unitaires du Marais Teneurs en matière oxydable Teneurs en micro polluants Vitesses de chute Conclusions sur la répartition dissous / particulaire et les caractéristiques des particules en suspension RÉPARTITION DE LA POLLUTION AU COURS DE L ÉVÉNEMENT PLUVIEUX Caractéristiques générales des pollutogrammes à l exutoire du bassin versant Cas de pluies successives Analyse des courbes masse-volume Données globales Comparaison avec les données de la base QASTOR Variation des courbes M(V) en fonction de l heure de la journée Analyse des courbes M(V) extrêmes Conclusions sur la répartition de la pollution au cours de l événement pluvial PRINCIPALES CONCLUSIONS SUR LA POLLUTION DES EFFLUENTS DE TEMPS DE PLUIE À L EXUTOIRE DU MARAIS Concentrations et masses polluantes par événement pluvieux Répartition dissous-particulaire et caractéristiques des particules en suspension dans les eaux pluviales unitaires Répartition de la pollution au cours de l événement pluvial CONCLUSION DE LA PARTIE 2 CARACTERISTIQUES DES EAUX URBAINES ET ÉVOLUTION ENTRE L ENTRÉE ET LA SORTIE DU RÉSEAU D ASSAINISSEMENT LES APPORTS DE L ETUDE ET SES LIMITES COMPARAISON DES DIFFÉRENTS TYPES D EFFLUENTS Evolution des concentrations entre l entrée et la sortie du réseau Evolution du pourcentage de pollution liée aux particules Evolution des teneurs particulaires Evolution des vitesses de sédimentation

9 2.5. Conclusions PARTIE 3. SOURCES ET TRANSFERT DE LA POLLUTION DES EAUX PLUVIALES EN RÉSEAU UNITAIRE CHAPITRE 3.1. CONTRIBUTION DES DIFFÉRENTES SOURCES À LA POLLUTION DES EAUX PLUVIALES UNITAIRES DONNÉES BIBLIOGRAPHIQUES Sources de pollution des eaux pluviales Contributions à l échelle annuelle Contributions à l échelle de l événement pluvieux Limites des données bibliographiques et objectifs MÉTHODE D ÉVALUATION DES CONTRIBUTIONS A L ÉCHELLE DU BASSIN VERSANT DU MARAIS Méthode de calcul Remarques sur la méthodologie retenue Originalité et limites Définition plus précise des différents termes du bilan Caractéristiques des événements pluvieux utilisés CONTRIBUTIONS EN MES, MVS, DCO ET DBO Flux polluants issus des eaux de ruissellement à l échelle du bassin versant et contribution des différents types d eaux de ruissellement Contribution des différents types d eaux de ruissellement au flux global des eaux de ruissellement du bassin Comparaison des eaux de ruissellement du bassin versant avec les rejets des réseaux séparatifs Ordres de grandeur des contributions des eaux usées, des eaux de ruissellement et des échanges avec les stocks du réseau Contributions en MES, MVS et matières oxydables totale Contributions en matières oxydables dissoutes et particulaires Variabilité des contributions en fonction de l événement pluvieux Paramètres pris en compte Relations entre caractéristiques de l événement pluvieux et masses polluantes issues des différentes sources Relation entre les caractéristiques de l événement pluvieux et la proportion de la masse polluante issue de chaque source CONTRIBUTIONS EN METAUX Flux polluants issus des eaux de ruissellement à l échelle du bassin versant et contribution des différents types d eaux de ruissellement Contribution des différents types d eaux de ruissellement au flux métallique global des eaux de ruissellement du bassin Comparaison des eaux de ruissellement du bassin versant avec les rejets des réseaux séparatifs Ordres de grandeur des contributions en métaux des eaux usées, des eaux de ruissellement et des échanges avec les stocks du réseau Contribution des différentes sources en métaux totaux Contribution des différentes sources en métaux dissous et particulaires Variabilité des contributions en fonction de l événement pluvieux EFFET DES INCERTITUDES SUR LE CALCUL DES BILANS

10 5.1. Effet des incertitudes de mesure Incertitude sur les volumes Incertitudes sur les concentrations moyennes au cours de l événement Effet des incertitudes d extrapolation Incertitude due à l extrapolation des données concernant les eaux usées Incertitude due à l extrapolation des données concernant les eaux de ruissellement CONCLUSIONS SUR LA CONTRIBUTION DES DIFFÉRENTES SOURCES À LA POLLUTION DES EAUX PLUVIALES EN RÉSEAU UNITAIRE CHAPITRE 3.2. REFLEXIONS SUR LES PROCESSUS DE TRANSFERT EN RÉSEAU UNITAIRE TRANSFERT DES SOLIDES EN SUSPENSION Nature des particules transférées Teneurs en matière organique Biodégradabilité de la matière organique particulaire Vitesses de sédimentation Evolution de l origine et de la nature des particules au cours de l événement pluvieux Méthode de calcul Résultats pour quatre événements pluvieux Réflexion sur l origine des particules issues des échanges avec les stocks du réseau Importance relative des différentes parties du terme d échange avec le réseau Nature des stocks de solides du réseau susceptibles de contribuer TRANSFERT DES METAUX Evolution au cours du transfert des métaux dissous et particulaires Données bibliographiques sur les mécanismes déterminant la répartition des métaux entre phase dissoute et particulaire Réflexions sur l évolution en réseau des métaux dissous Réflexions sur le transfert et les sources de métaux particulaires dans le réseau d assainissement Hypothèses sur le devenir des métaux stockés dans le réseau par temps de pluie Un lessivage des métaux par temps sec? Une accumulation dans le réseau? CONCLUSION ET PERSPECTIVES SUR LE ROLE DES STOCKS DU RÉSEAU DANS LE TRANSFERT DE LA POLLUTION DES EAUX PLUVIALES CONCLUSION GÉNÉRALE SYNTHÈSE DES PRINCIPAUX RÉSULTATS CONCLUSIONS EN TERME DE GESTION DES EAUX PLUVIALES ET DE MODÉLISATION Gestion de la pollution des eaux pluviales Réflexion sur la modélisation PERSPECTIVES DE RECHERCHE