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Les systèmes d’infiltration sont utilisés pour la gestion des eaux pluviales en milieu urbain. Réduisant les débits de pointe et les volumes de ruissellement, ils permettent la diminution de la fréquence des inondations, contribuent à la recharge des nappes phréatiques et présentent des qualités environnementales importantes. Ils présentent différentes formes et possibilités d’usages, toutefois leurs performances doivent être évaluées et intègrent de multiples aspects. Par consequent une approche multicritère pour quantifier les performances de ces systèmes, en phase de conception et en phase de suivi, est proposée. Elle intègre de multiples facettes (techniques, environnementales, sanitaires, économiques et sociales). Les méthodologies développées servent d’aide à la décision pour la résolution de problèmes de choix de stratégies d’infiltration à implanter et de suivi d’ouvrages existants. Pour cela des indicateurs de performance sont proposés pour chaque type de problématique, ainsi que leur mode de calcul et l’évaluation de leur qualité intrinsèque intégrant leurs incertitudes. La méthode multicritère utilisée pour la phase de conception des systèmes est ELECTRE III et pour la phase de suivi ELECTRE TRI. Des exemples d’application des méthodologies sont présentés, suivis par des analyses de sensibilité et robustesse. Les deux méthodes se sont montrées peu sensibles et robustes.
L'objectif de cette thèse était d'évaluer le fonctionnement quantitatif et qualitatif des bassins d'infiltration sur le long terme pour assurer une gestion durable des eaux pluviales. Des méthodes de suivi, des indicateurs de performance et un outil d'évaluation sont proposés. La liste des performances d'un bassin d'infiltration a été construite en concertation avec les différents acteurs, en considérant les composantes techniques, environnementales, économiques et sociales (acceptabilité). Les performances hydraulique et épuratoire des ouvrages ont été évaluées à partir des données acquises sur quatre bassins d'infiltration et d'un modèle simulant leur fonctionnement à long terme. Le travail a été effectué en collaboration avec la Communauté urbaine de Lyon. La thèse a été réalisée à l'INSA Lyon et soutenue le 18 décembre 2002. Directeur de thèse: Sylvie Barraud. Jury: Daniel Boissier, Bernard Chocat, Pierre Delage, Michel Desbordes, Michel Legret, Jean-Claude Varnier.
Avec le développement de l'urbanisation, les eaux pluviales ont de plus en plus de difficultés à s'infiltrer dans les sols. L'infiltration des eaux pluviales (EP) s'inscrit dans le cycle naturel de l'eau. Cette recherche s'attache à décrire les différentes techniques infiltration des eaux pluviales dans le sol et à déterminer les interactions et limites de celles-ci pour la gestion de l'eau. Plus précisément, l'étude du cycle court des eaux pluviales dans les interactions de sub-surface (infiltration/ruissellement). Face à ce constat, l'étude recherche l'optimisation de la gestion des eaux pluviales en milieu urbain pour intégrer ce paramètre dans les projets d'urbanisme. Une meilleure connaissance des mécanismes de rétention, de transfert et d'infiltration en milieu urbain permettra d'évaluer les effets des constructions existantes et d'orienter les décisions futures d'aménagement vers la non détérioration du patrimoine anthropique et naturel. L'étude tente de cerner les différents cheminements de l'eau selon l'intensité et la durée de la pluie : stagnation des eaux, axes de drainage par infiltration ou ruissellement. L'infiltration peut se décomposer en 3 phénomènes : évolution du gradient d'humidité du sol, l'écoulement horizontal de sub-surface (avec des axes de drainage) et la percolation verticale (en profondeur) vers la nappe. A Argenteuil, l'infiltration horizontale a été identifiée comme le principal mécanisme (axe de drainage). Les sitesexpérimentaux sont des sites représentatifs en ville avec des sols hétérogènes caractéristiques de zone urbaine. En fait, cette étude met en évidence les difficultés de l'évaluation de l'infiltration en milieu urbain. Ceci peut s'expliquer par la complexité des mécanismes en jeu. La seule corrélation observée concerne les interactions entre le niveau de la Seine et les nappes des surfaces environnantes (sur une frange de 200 mètres pour ces investigations). Une première approche a permis de définir les zones propices à l'infiltration en tenant compte des chemins préférentiels supposés et des contraintes de sol. Cette suggestion nécessite d'être vérifiée et corrélée par des analyses complémentaires. Ces données permettront d'appréhender et comprendre les mécanismes en jeu pour prévoir et adapter les dispositions constructives si nécessaire. Mots clés : eaux pluviales, infiltration, piézomètres, sol, nappe, ruissellement, hydrogéologie, urbanisation.
L'infiltration des eaux de ruissellement pluvial est aujourd'hui une technique d'assainissement alternative au réseau largement utilisée. Les gestionnaires de système d'assainissement n'ont cependant pas à leur disposition les connaissances et les outils nécessaires à une gestion correcte de tels ouvrages : le rendement épuratoire, l'impact sur les sols et les nappes et le vieillissement par colmatage de ces ouvrages sont mal connus. Par conséquent, les méthodes d'entretien restent très empiriques. Un recensement des phénomènes mécaniques, chimiques et biologiques qui interviennent dans le fonctionnement des ouvrages d'infiltration d' eau de ruissellement pluvial, a permis de mettre en évidence les phénomènes prépondérants et de formuler l'hypothèse que l'interface ouvrage-sol joue un rôle très important dans le fonctionnement tant quantitatif que qualitatif. Nous avons ensuite travaillé à la confirmation de cette hypothèse en rassemblant des connaissances et des expériences menées dans des domaines larges de l'infiltration. Cette synthèse, complétée par l'identification des méthodes qui peuvent être mises en œuvre pour mesurer le rôle de cette interface nous a permis d'identifier les besoins et les lacunes actuelles sur le thème : notamment, la nécessité d'expérimenter sur des ouvrages réels afin de compléter les connaissances sur le fonctionnement qualitatif et sur le colmatage et la nécessité de développer des modèles de comportement des ouvrages et de leur évolution. Pour répondre à ces besoins, deux campagnes de mesure ont été exploitées comme source de connaissances sur le fonctionnement qualitatif. Pour chacune d'elles, nous avons mené deux approches : une approche ponctuelle (court terme) et une approche intégratrice (long terme). Pour avancer sur la modélisation, nous avons essayé de caler à l’aide de mesures existantes, un modèle donnant la capacité d'infiltration d'un ouvrage, intégrant explicitement un paramètre évolutif de colmatage. Nous avons également essayé d'expliciter ce paramètre par des données d'environnement et de qualité des effluents dont nous disposions.
La gestion des RUTP est un enjeu majeur des collectivités, tant d'un point de vue des quantités d'eau ruisselées toujours plus importantes, que suivant un objectif de qualité pour les eaux superficielles en accord avec les exigences de la Directive Cadre européenne sur l'Eau. Pour ce faire, les municipalités se munissent d'ouvrages de gestion des eaux pluviales alternatifs (aux réseaux) afin de réguler les flux d'eau ou de redonner de la perméabilité aux sols urbains en infiltrant les eaux pluviales soit à grande échelle (bassins de retenue ou d'infiltration) ou à plus petite échelle directement à la source du ruissellement (systèmes de gestion à la source). Une documentation fournie existe sur la qualité des RUTP concernant les polluants globaux (MES, DCO, nutriments...), les métaux et les HAPs. Ces deux dernières familles de substances sont de la pollution des eaux pluviales et nombre d'études ont caractérisé leur traitement par des techniques alternatives. Peu ou pas d'études ne s'intéressent en revanche à une gamme plus vaste de micropolluants prioritaires tels que les pesticides, les alkylphénols ou encore les retardateurs de flamme bromés. La présente recherche a pour objectif de contribuer à pallier ce manque de connaissances en apportant des résultats sur la caractérisation qualitative in situ des eaux liées à deux types de dispositifs (centralisés et décentralisés) pour 59 micropolluants. Quatre sites expérimentaux ont ainsi été choisis pour les campagnes de mesure à l'exutoire de i) un bassin de rétention centralisé, et trois sites de gestion à la source drainant des parkings résidentiels : ii) une chaussée à structure réservoir, iii) une tranchée d'infiltration en graves, et iv) une noue végétalisée. 59 micropolluants de cinq familles différentes (métaux, HAPs, pesticides, alkylphénols, PBDEs) ont ainsi été analysés pour une douzaine d'évènements pluvieux. Les flux d'eau de plus de 100 évènements ont été étudiés grâce à des dispositifs de métrologie et de prélèvement spécialement développés afin de pouvoir mesurer l'ensemble de la gamme de débits observables à l'exutoire des ouvrages décentralisés. Il a été constaté que si les métaux et les HAPs sont les polluants les plus particulaires et les plus présents dans les eaux, ce sont aussi les mieux traités par les ouvrages, notamment les systèmes à la source dont la filtration se révèle plus efficace que la décantation du bassin centralisé. Les autres familles de micropolluants ont montré une spéciation plus aléatoire et une plus grande propension à être capté par la noue et la tranchée que par les autres ouvrages. Les sites à la source montrent un meilleur potentiel de traitement des eaux pluviales du fait de leur pouvoir de filtration intrinsèque par rapport au bassin centralisé, mais la noue et la tranchée se démarquent également par une rétention d'eau très importante qui accentue leur action épuratoire en termes de quantité totale en micropolluants rejetés dans les milieux.
Les eaux de ruissellement des chaussées et des voiries urbaines sont connues pour leur forte contamination en micropolluants organiques et métalliques. Afin de contrôler les flux d'eau et de polluants générés par les eaux de ruissellement dans l'espace urbain et ainsi protéger les milieux aquatiques récepteurs, des dispositifs alternatifs végétalisés peuvent être installés en bordure de voirie. Ils visent un traitement ou un prétraitement des eaux de ruissellement pour les pluies courantes mais également un retour vers un fonctionnement hydrologique plus proche du bilan naturel. Des dispositifs de traitement rustiques tels que bandes filtrantes et fossés sont déjà largement utilisés dans le milieu agricole. Par contre, leur application dans un contexte urbain ou en bordure d'une voirie présente plusieurs problématiques : dimensionnement de l'ouvrage, forte hétérogénéité des sols, présence d'infrastructures (fondations de la route, réseaux divers), contraintes d'intégration dans l'urbanisme. L'objectif principal de ce travail de thèse est de comprendre et de modéliser les processus hydrologiques en jeu dans ces dispositifs d'ingénierie écologique dans le milieu urbain et d'analyser les conséquences en termes de conception. Il s'agit notamment de mieux reproduire la répartition des flux entre infiltration, évapotranspiration, drainage et ruissellement superficiel à différentes échelles de temps. L'influence des différents éléments de conception de ces dispositifs est évaluée sous différents contextes locaux (structure de la chaussée, nature du sol et du sous-sol) afin d'aider au choix et à la conception de ces ouvrages. La première partie du travail consiste en une investigation des incertitudes liées à la mesure des propriétés hydrauliques du sol sur deux types d'ouvrages aux caractéristiques différentes, qui sont deux bandes enherbées et une noue filtrante situés en bordure de voirie en région parisienne. Cette phase a permis de caractériser la variabilité horizontale et verticale des propriétés hydrodynamiques du sol et d'évaluer leurs effets sur la modélisation hydrologique. De plus, l'incertitude liée à la mesure de la teneur en eau dans le sol est quantifiée au moyen d'un étalonnage des sondes en laboratoire et in situ. La deuxième partie consiste à évaluer la performance hydrologique de ces ouvrages. Pour le premier ouvrage étudié, une noue filtrante lourdement équipée, dont tous les débits entrants et sortants sont mesurés, une évaluation expérimentale est menée. Des indicateurs de performance hydrologique ainsi que des bilans de volumes sont calculés sur différentes échelles de temps. Une approche de modélisation est suivie pour le deuxième ouvrage qui est la bande enherbée. En effet, les mesures dans cet ouvrage ne permettent pas de calculer les bilans de volume, de sorte qu'une approche de modélisation à long terme est appliquée. Les processus de transfert dans la zone non saturée sont décrits sous le logiciel HYDRUS 2D / 3D couplé à un modèle de ruissellement de surface 1D. Ce modèle est validé sur la base des données mesurées et ensuite testé sous différentes configurations de bande enherbée. Les conclusions de cette thèse fournissent des connaissances considérables sur la performance hydrologique des systèmes de gestion des eaux pluviales en bordure de voirie en vue de faciliter le choix et la conception de ces ouvrages.
Les ouvrages d'infiltration sont utilisés aujourd'hui comme alternative au réseau d'assainissement pluvial. Ils réduisent les risques d'inondation, contribuent au piégeage de polluants permettant ainsi de limiter la détérioration des milieux aquatiques superficiels et sont reconnus pour recharger la nappe. Cependant leur fonctionnement est affecté à long terme par le colmatage réduisant leur performance hydraulique. Par ailleurs, lorsque ces systèmes sont munis de surverses, le colmatage limite les capacités d'interception des flux d'eau et des polluants. Le colmatage constitue donc un facteur clé dans le fonctionnement de ces systèmes tant sur un plan hydraulique qu'environnemental. Cette thèse a pour but de mesurer et de comprendre l'évolution spatio-temporelle du colmatage à une échelle mégascopique (l'échelle d'un ouvrage extensif type) et diachronique (sur le moyen terme). Pour cela une approche expérimentale a été menée au sein de l'Observatoire de Terrain en Hydrologie Urbaine (OTHU) selon trois niveaux d'investigation sur un même ouvrage en conditions réelles de fonctionnement. Un premier niveau (échelle globale) a consisté à mesurer l'évolution temporelle du système pris dans son ensemble grâce au calage de la résistance hydraulique au sens du modèle de Bouwer. Cette étape a nécessité de mesurer et d'exploiter des données en continu de flux d'eau, de sédiments, de matière organique apportés au système, les facteurs environnementaux comme la température d'air et d'eau, l'ensoleillement, le rythme, la nature des événements pluvieux, la saisonnalité, etc., sur un historique de 8 ans. Cette étape nous a mis en évidence la dynamique d'évolution du colmatage et le rôle bénéfique du développement de la végétation sur le maintien de la capacité d'infiltration globale d'un ouvrage de ce type. Un deuxième niveau (échelle semi globale) nous permettant de distinguer l'évolution temporelle du colmatage du fond et des parois, a montré leur dynamique respective (rapide pour le fond, très lente voire inexistante pour les parois). Un troisième niveau (échelle locale) a tenté d'explorer la répartition spatiale et temporelle du colmatage sur le fond des ouvrages sur des échelles de temps plus courtes. L'approche expérimentale a consisté à caractériser la couche colmatante en terme physico chimique et dans une moindre mesure biologique (conductivité hydraulique à saturation, granulométrie, porosité, masse volumique apparente, masse volumique des particules solides, matière organique, biomasse). Elle a analysé également le rôle de la végétation spontanée sur la capacité d'infiltration vis-à-vis des caractéristiques de l'horizon de surface et la structure aérienne et racinaire des espèces présentes. Enfin des analyses statistiques de l'évolution du colmatage à chaque échelle a mis en évidence la part potentiellement importante du colmatage biologique sur ces systèmes alors que, pour la gestion des eaux pluviales ce facteur est généralement négligé.
Réaliser des économies d'énergie et réutiliser des ressources naturelles dans le but de préserver notre environnement sont des préoccupations importantes dans la construction d'aujourd'hui. Désireuses de promouvoir une démarche en parfaite adéquation avec la qualité environnementale, les entreprises, collectivités et professionnels de la construction étudient sérieusement les différentes solutions quant au recyclage, à la gestion durable et à la réutilisation de matière première. Cet ouvrage répondra à leurs attentes car son objectif est de donner toutes les pistes indispensables à la bonne mise en place d'un système de récupération d'eau de pluie et d'assainissement à grande échelle illustré d'une étude de cas réel, il vous sera un véritable guide en matière de gestion durable de l'eau.
L'essor que connaît aujourd'hui la gestion intégrée des eaux pluviales s'accompagne d'un recours croissant à des techniques favorisant l'infiltration de l'eau “à la source”, disséminées sur des bassins versants urbains. Néanmoins, de telles pratiques suscitent des interrogations sur la capacité du sol à jouer le rôle de “filtre” vis-à-vis des polluants présents dans le ruissellement. Ces travaux de thèse s'intéressent à la contamination du sol par les métaux et les hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP) dans ces dispositifs, avec trois objectifs : (i) évaluer les niveaux et l'étendue spatiale de la contamination, (ii) mieux comprendre les mécanismes qui gouvernent le devenir de ces contaminants dans le sol des ouvrages, et (iii) proposer des recommandations sur la conception et la maintenance de ces installations, afin de leur assurer un fonctionnement épuratoire durable.La première partie du travail consiste en une série d'investigations expérimentales sur dix sites d'étude aux caractéristiques contrastées, en service depuis plus de dix ans. Cette phase donne lieu à des cartographies de la contamination superficielle en éléments traces métalliques, puis à des profils verticaux de métaux et HAP, accompagnés de différentes variables explicatives. La distribution spatiale des métaux en surface, qui est toujours structurée autour de la zone d'arrivée de l'eau, porte la signature du fonctionnement hydraulique réel des dispositifs, et révèle le caractère non-uniforme de l'infiltration lors des événements pluvieux courants, qui représentent la plus grande partie du flux polluant à l'échelle annuelle. Dans la zone la plus contaminée des ouvrages, métaux et HAP présentent un enrichissement significatif sur 10 à 40 centimètres de profondeur. La rétention des contaminants résulte de la combinaison de processus physico-chimiques (adsorption) et mécaniques (sédimentation et filtration) ; leur importance relative peut être quantifiée grâce au déficit de zirconium dans le sédiment urbain par rapport au bruit de fond géochimique local. La variabilité inter-sites des niveaux de contamination s'explique à la fois par les capacités de rétention du sol et par les flux de polluants issus du bassin versant d'apport. Bien que les teneurs de surface excèdent, sur certains sites, les seuils internationaux de remédiation du sol pour des espaces “multifonctionnels”, la zone concernée représente -- latéralement et verticalement -- une région assez limitée dans les ouvrages.La seconde partie de la thèse consiste en une approche de modélisation, dont la finalité est de décrire l'évolution à long terme de la contamination du sol, et d'évaluer l'incidence de différentes pratiques de conception ou de gestion. Une analyse de sensibilité est d'abord mise en œuvre afin d'identifier les “éléments-clés” dans la description du système, et d'orienter le choix du modèle. Les résultats montrent qu'une mauvaise estimation de la dispersivité ou de l'isotherme d'adsorption du sol est susceptible de biaiser significativement la prévision des profils de contamination. Dans la suite du travail, on propose une méthode visant à décrire l'infiltration non-uniforme et la filtration des polluants particulaires. Le modèle ainsi construit est validé via une comparaison entre mesures et simulations sur l'un des sites d'étude faisant l'objet d'une nouvelle caractérisation approfondie. Enfin, une analyse de scénarios illustre les bénéfices d'un amendement de l'horizon superficiel par un matériau adsorbant, ainsi que d'une répartition homogène des flux d'eau en surface, en matière de durée de vie des installations et de fréquence d'intervention.
Les ouvrages de biofiltration, systèmes végétalisés conçus pour le stockage, la filtration et éventuellement l'infiltration de l'eau, peuvent contribuer à une meilleure maîtrise du flux polluant associé au ruissellement de voirie. La capacité de ce type de système à réduire les flux de macropolluants, tels que les matières en suspension (MES) et les nutriments, via une amélioration de la qualité de l'eau combinée à une réduction de son volume, est avérée. Cependant, le comportement de micropolluants dans ces systèmes reste relativement peu documenté. Ce travail de thèse s'intéresse donc à la rétention et le devenir de micropolluants dans un système de biofiltration des eaux de voirie. Il s'articule principalement autour du suivi in situ d'un panel diversifié de micropolluants caractéristiques des eaux de voirie (éléments traces métalliques ou ETM, hydrocarbures totaux, hydrocarbures aromatiques polycycliques ou HAP, BPA, alkylphénols, phatalates) et d'indicateurs globaux dans un accotement filtrant et une noue filtrante, situés en bordure d'une route départementale. Ce suivi comporte des mesures débit métriques et de qualité d'eau en continu, un travail d'échantillonnage et d'analyse du ruissellement brut et des eaux traitées par les deux ouvrages (dix-neuf événements pluvieux étudiés au cours d'un an et demi) et un travail d'échantillonnage et d'analyse du sol. Cette démarche est couplée à une caractérisation du substrat filtrant et des matériaux de construction en laboratoire et à une approche de modélisation stochastique pour évaluer le bilan de masse annuel de polluants dans la noue filtrante. Ce suivi démontre la capacité de la biofiltration à réduire de façon significative les concentrations totales en micropolluants à l'échelle de l'événement pluvial. Le traitement est particulièrement efficace pour les contaminants associés majoritairement aux MES, tels que le Zn, le Pb et les HAP pour lesquels la réduction médiane des concentrations événementielles (EC50) est supérieure à 90% dans les deux ouvrages. Pour le Cu, le Cr, le Ni et l'OP, les EC50 sont bonnes, supérieures à 70%. L'efficacité est moindre et plus variable pour les autres micropolluants organiques. Trois événements, caractérisés par une performance dégradée vis-à-vis des MES et des polluants particulaires, ont néanmoins été observés lors de l'application du sel de déverglaçage en hiver. La nature des particules indique que ce comportement soit dû à une mauvaise filtration de particules issues de la route, probablement liée à l'abondance exceptionnelle de particules fines (