Transfert et évolution géochimique de la pollution métallique en bassin versant urbain

• Auteur / Autrice : Stéphane Garnaud
• Direction : Daniel Thévenot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences et techniques
• Date : Soutenance en 1999
• Etablissement(s) : Marne-la-vallée, ENPC
• Jury : Président / Présidente : Jean-Louis Colin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : J. Bryan Ellis, Ghassan Chebbo, Jean-Marie Mouchel
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Michel Desbordes, Michel Astruc

Mots clés

Mots clés contrôlés

Eau -- Pollution par les métaux lourds

Pollution de l'eau

Eaux pluviales

Mots clés libres

Sciences et techniques

Pollution

Pollution eau

Eau ruissellement

Zone urbaine

Metal lourd

Element trace

Devenir polluant

Bassin versant

Cadmium

Plomb

Cuivre

Zinc

Paris

Résumé

La réduction de la pollution des eaux pluviales urbaines est un enjeu environnemental majeur depuis une trentaine d’années. Des rejets urbains divers sont transportés dans la ville via le cheminement de l’eau pur rejoindre le milieu naturel. Le développement de la connaissance et de la compréhension des processus physico-chimiques mis en jeu lors du transport de différents polluants est indispensable pour une meilleure gestion du traitement des eaux pluviales (en amont comme en aval). Dans le but de caractériser et de comprendre le transport et l’évolution des formes chimiques des métaux traces en milieu urbain, deux programmes de recherche sont associés : le « Bassin Versant Urbain Expérimental » et le « PIREN-Seine ». Un bassin versant expérimental a été choisi et équipé dans le quartier du Marais à Paris afin d’étudier le transfert de la pollution métallique depuis l’atmosphère jusqu’à l’exutoire, par temps sec et par temps de pluie. Ce bassin versant de 42 hectares, imperméabilisé à 90 % et dont les eaux sont drainées par un réseau d’assainissement unitaire, est caractéristique d’un centre-ville ancien. Son dispositif de collecte à plusieurs niveaux du cheminement de l’eau (atmosphère, toitures, cours internes, chaussées, exutoire) est unique en son genre. Les métaux traces ont été analysés de Mai 1996 à octobre 1997, période pendant laquelle 20 évènements pluvieux ont été interceptés. Les concentrations totales et dissoutes, les teneurs, les répartitions entre les phases dissoutes et particulaires et les flux de cadmium, de cuivre, de plomb et de zinc présentent une évolution significative entre l’amont et l’aval de ce bassin versant ainsi qu’une variabilité importante. Au niveau du compartiment atmosphérique, les métaux traces sont principalement déposés par voie sèche (de l’ordre de 80 %) et sont transportés par la pluie sous forme dissoute (de 65 à 95 %). La nature et les caractéristiques de chaque surface urbaine influent sur la charge métallique des eaux ruisselées. Les eaux de ruissellement des toitures présentent les concentrations métalliques totales les plus élevées : elles sont fortement contaminées du fait d’une dissolution partielle des matériaux du toit et de la descente de gouttière due à l’acidité de la pluie. A l’exutoire du bassin versant, après transport dans le réseau d’assainissement, les concentrations métalliques totales diminuent par rapport à celles mesurées dans les eaux de ruissellement de toitures et la forme métallique particulaire devient majoritaire (de l’ordre de 90 %). Ce phénomène s’accompagne d’une stabilisation des formes métalliques et tend ainsi à diminuer ainsi la labilité des métaux particulaires en aval de ce bassin versant. A l’échelle de l’événement pluvieux, les eaux de ruissellement sont la principale source de métaux sur ce bassin versant. Les bilans de masses entrées/sorties (métaux dissous et particulaires) démontrent que le réseau d’assainissement est un lieu où se produisent des processus physico-chimiques nombreux et rapides. La pluie provoque l’érosion d’une fraction des dépôts constitués dans les collecteurs et contribue ainsi à la pollution métallique globale mesurée en aval du bassin versant. D’autre part, une fraction de ces mêmes dépôts, que nous n’avons pu encore identifier, se comporte comme un puits à métaux traces. Des réactions d’adsorption, de précipitation ou encore de complexation sur les particules en suspension ou sur les stocks eux-mêmes pourraient expliquer ce phénomène.

For thirty years, reduction of urban stormwater pollution is a large environmental concern. Within the city, various urban emissions are carried by water runoff towards receiving bodies such as rivers. Knowledge’s development and a better understanding of this transport for some pollutants are necessary for a better urban stormwater management. Thus two french research programs, the « Experimental Urban Catchment » and the « PIREN-Seine », tried jointly to characterize the trace metals transport mechanisms and the evolution of their biogeochemical speciation. An experimental urban catchment was chosen and equiped in the Le Marais district in Paris in order to study the metallic pollution transfer from the atmosphere to the catchment outlet both by dry and wet weather. This 42 ha catchment, impervious at 90 %, with a combined sewer network, is typical of an old town centre. Its measurement network (atmospheric fallout, roofs, courtyards, streets and catchment outlet) is probably unique. Trace metals were investigated during 16 months, from May 1996 to October 1997, and 20 rain events were intercepted. Bulk and dissolved concentrations, dissolved/particular distribution, and fluxes of cadmium, copper, lead and zinc show a significant evolution in the catchment area from up-to downstream, as well as a great temporal variability. Trace metals are predominantly deposited by dry fallout (about 80 %) and mainly dissolved in rainwater (from 65 to 95 %). Metallic runoff loads depend on the nature and characteristics of each urban surface. Trace metals concentrations in roof runoff were greater than any other site. Roof runoff are heavily contaminated because of a corrosion of the roof and gutter materials. At the catchment oulet, after transport within the sewer, bulk metal concentrations decrease (compared to roof runoff), and their become mostly particular. Moreover, the speciation distribution of particulate metals shows a decrease of metals lability. At the scale of a rain event, roof runoff is the main trace metals source. Moreover, inlet/outlet metallic mass balances show that a few quick pysico-chemical processes take place in the combined sewer during a rain event. On one hand, runoff erodes of sewer sediments and contribute to the wet weather pollution measured at the catchment outlet. On the other hand, a part of theses sewer sediments (not identified at present) seems to be a metal well. Some reactions (adsorption, precipitation, or complexation) between the dissolved metals and the sewer suspended particles sediments may control this mechanism.