Concevoir et optimiser la gestion hydrologique du ruissellement pour une maîtrise à la source de la contamination des eaux pluviales urbaines

Hydrologic performance of stormwater management strategies : optimization for on-site pollution control

• Auteur / Autrice : Jérémie Sage
• Direction : Marie-christine Gromaire, Emmanuel Berthier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences et Techniques de l'Environnement
• Date : Soutenance le 11/07/2016
• Etablissement(s) : Paris Est
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences, Ingénierie et Environnement (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Eau, Environnement et Systèmes Urbains - Laboratoire Eau Environnement et Systèmes Urbains / LEESU
• Jury : Président / Présidente : Sylvie Barraud
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marie-christine Gromaire, Emmanuel Berthier, Peter Steen Mikkelsen, Mathias Uhl, Christian Roux
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Fabrice Rodriguez

Mots clés

Mots clés contrôlés

Écoulement (hydrologie)

Environnement -- Études d'impact

Effets de la pollution

Eaux pluviales

Mots clés libres

Efficacité

Dimensionnement

Gestion à l'amont

Abattement

Polluants

Techniques alternatives

Efficiency

Pollutant

Source-Control

Design

Hydrology

Urban

Résumé

La maîtrise des flux de polluants générés par temps de pluie en milieu urbain constitue un enjeu important pour limiter la dégradation des milieux aquatiques superficiels. Face à l’insuffisance des systèmes d’assainissement traditionnels, la gestion à la source des eaux pluviales, dans des dispositifs de stockage à ciel ouvert intégrés au milieu urbain, s’est progressivement imposée comme une solution permettant de réduire de façon significative les flux de contaminants dirigés vers les réseaux ou les milieux récepteurs, en favorisant notamment l’infiltration ou l’évapotranspiration des volumes ruisselés. Bien qu’offrant des perspectives pour la maîtrise des flux de polluants, l’efficacité des solutions mises en œuvre n’est à ce jour pas suffisamment maîtrisée. Ce travail de thèse s’intéresse donc à l’incidence du fonctionnement hydrologique des « techniques alternatives » de gestion à la source du ruissellement et vise en particulier à orienter leur conception pour garantir une meilleure maîtrise de la contamination des eaux pluviales urbaines.Les pratiques actuelles de gestion des eaux pluviales urbaines sont dans un premier temps analysées de manière à identifier les stratégies pouvant être préconisées pour la maîtrise à la source des flux de polluants. Ce travail permet alors de mettre en évidence l’hétérogénéité quant à la traduction de l’objectif de maîtrise des flux de polluants dans les préconisations à destination des aménageurs, qui ne garantissent pas nécessairement la mise en œuvre de solutions permettant de limiter efficacement les rejets de contaminants vers les milieux récepteurs.Une chaîne de modélisation « surface urbaine + ouvrage », destinée à simuler le fonctionnement des dispositifs de gestion à la source des eaux pluviales pour des périodes longues de précipitations, et en considérant des dynamiques variées de production des flux d’eau et de contaminants au niveau des bassins versants d’apport, est par la suite développée afin de préciser l’incidence de différents scénarios de gestion du ruissellement ou de dimensionnement des techniques alternatives sur les flux rejetés vers l’aval. Certaines composantes de cette chaîne de modélisation font l’objet d’un approfondissement, avec l’introduction (1) d’un schéma permettant de simuler l’évolution de l’état hydrique du sol pour mieux rendre compte de la variabilité temporelle des flux d’infiltration et (2) d’un modèle générique destiné à simuler des dynamiques contrastées d’émission des contaminants (matières en suspension lessivées au niveau des chaussées urbaines et zinc dissous au niveau d’éléments de toiture métalliques). Une analyse de sensibilité cette chaîne de modélisation est par la suite réalisée afin de préciser l’incidence de sa paramétrisation et d’évaluer l’importance de certaines hypothèses simplificatrices pour l’estimation de l’efficacité des techniques alternatives.L’intérêt de la chaîne de modélisation développée dans le cadre de ce travail est finalement illustré par la construction d’abaques permettant de relier l’efficacité des techniques alternatives à quelques paramètres de dimensionnement et d’évaluer la pertinence de différents scénarios de gestion du ruissellement. Les résultats, correspondant ici aux conditions météorologiques de la région Ile-de-France, indiquent que l’abattement d’une fraction modeste du ruissellement, grâce à un simple volume mort, pourrait donner lieu à une réduction importante des rejets de contaminants pour les sols de conductivité hydraulique supérieure à 10-6 m.s-1. Dans le cas sols présentant des capacités d’infiltration plus limitées, l’analyse met en revanche en évidence un risque de dysfonctionnement des dispositifs de gestion. Le recours à des solutions « plus diffuses », peu profondes et présentant des surfaces d’infiltration ou d’évapotranspiration importantes, apparaît alors préférable pour garantir des niveaux d’efficacité satisfaisants tout en évitant une sollicitation excessive de l’ouvrage.

Urban runoff discharge is today identified a major source of surface water impairment. In recent years, on-site stormwater control, in small and relatively simple vegetated systems, providing volume reduction through infiltration or evapotranspiration, has become increasingly popular due to the inability of conventional drainage systems to limit the amount of stormwater and pollutant directed to the environment. While such practices clearly offer opportunities to mitigate the adverse effects of urban runoff, their performance remains insufficient and is yet not completely understood. The main purpose of this Ph.D. thesis is therefore to investigate the relation between the hydrological behaviour of these source-control systems and pollutant removal efficiencies so as to provide design tools or guidelines that support practitioners in the implementation of efficient stormwater management practices.Current stormwater management practices are first examined on the basis of a literature review of various guidelines or regulatory documents so as to identify the strategies that may be promoted for on-site pollution control, in France or abroad. This analysis indicates that recommendations can be quite variable depending on the country or the community and do not systematically reflect on-site pollution control objectives, which may result in the implementation of inappropriate stormwater management systems.A modelling system based on the representation of a pervious facility collecting runoff and pollutant loads generated over a small urban catchment, allowing the simulation of different scenarios in terms of urban surfaces characteristics and source-control system design, for long rainfall periods, is later developed to investigate the relation between the hydrological behaviour and the pollutant removal efficiencies of on-site stormwater management practices. An improved description of the hydrological processes in the source control system is adopted with the introduction of an infiltration-redistribution scheme accounting for the evolution of soil moisture so as to better replicate the temporal variability of infiltration fluxes. The opportunity of implementing relatively simple conceptual runoff quality models to simulate distinctive pollutant emission dynamics is also investigated: a generic model formulation is adopted and calibrated to replicate suspended solids concentrations in urban street runoff or zinc concentrations from a metal roof. A sensitivity analysis of the modelling system is later conducted so as to evaluate the influence of the different input factors and better understand the effect of some modelling hypotheses for the assessment of the performance of stormwater source control practices.The practical value of the modelling system is finally illustrated with the production of sizing diagrams displaying pollution control efficiency estimates as a function a limited number of design parameters, from which the relevance of a large variety of runoff control scenarios may be evaluated. The results presented in this study, corresponding to the rainfall conditions encountered in Paris region, suggest that the infiltration or evapotranspiration of a relatively small fraction of runoff in a simple dead storage volume could result in a significant reduction of pollutant discharges for soils exhibiting saturated hydraulic conductivity values greater than 10-6 m.s-1. In the case of lower saturated hydraulic conductivity values, this study however evidences possible failures of source control system due to a limited drainage capacity (extended ponding duration and saturation of the soil profile over significant depths). Results therefore suggest that the implementation diffuse stormwater management practices, with large infiltration/evapotranspiration areas and limited storage depths, should generally be preferred to achieve pollution control and ensure correct hydrological functioning of the source control systems.