Caractérisation et impact de la pollution dans les rejets urbains par temps de pluie (RUTP) sur des bassins versants de l'agglomération Orléanaise.

Characteristics and impact of urban runoff pollution on subwatersheds of the Orléans agglomeration

• Auteur / Autrice : Mohammed Al-Juhaishi
• Direction : Mikaël Motelica-Heino, Fabrice Muller
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Hydrologie - Sciences de l'eau et aménagement
• Date : Soutenance le 25/06/2018
• Etablissement(s) : Orléans
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Énergie, Matériaux, Sciences de la Terre et de l'Univers (Centre-Val de Loire ; 2012-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des sciences de la terre d'Orléans (2010-....)
• Jury : Président / Présidente : Paulo Baisch
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Mikaël Motelica-Heino, Fabrice Muller, Paulo Baisch, Frédéric Huneau, Philippe Le Coustumer, Abdelkrim Bensaid
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Frédéric Huneau, Philippe Le Coustumer

Mots clés

Mots clés contrôlés

Eaux pluviales

Orléans (Loiret ; agglomération)

Bassins de retenue des eaux pluviales

Pollution de l'eau -- Mesure

Eaux de surface

Mots clés libres

Rejets urbains de temps de pluie (RUTP)

Eaux de ruissellement

Flux

Réseau d’eau pluviale

Réseau séparatif

Qualité de l’eau

Métaux traces

Modèle conceptuel

MIKE URBAN

SWMM

MOUSE

Rain water

Urban run-off

Water quality

Water quantity trace elements

MIKE URBAN

SWMM

MOUSE conceptual model

Résumé

L’objectif de cette thèse est de caractériser les Rejets Urbains par Temps de Pluie (RUTP) et leur flux au niveau des exutoires d’eaux pluviales de trois sous-bassins majeurs de l'agglomération orléanaise. Pour cela des prélèvements ponctuels d’eau ont été effectués et un modèle conceptuel a été utilisé. Les trois sous-bassins : La Corne (463 ha), l'Egoutier (2080 ha) et Ormes (2256 ha) ont des occupations du sol différentes.D’une manière générale, la conductivité, la demande chimique en oxygène (DCO), la demande biochimique en oxygène (DBO5 et la DBO28), le carbone organique dissout (COD), l'azote total(NT), et les concentrations en anions et cations majeurs étaient plus élevés par temps sec que par temps de pluie indiquant un effet de dilution par les précipitations. Il a été mis en évidence un mélange des eaux pluviales avec des eaux usées dans le sous bassin d’Ormes. L’occupation des sols et les activités anthropiques influencent de manière significative la qualité du ruissellement. Par exemple, dans le sous-bassin de l’Egoutier, la présence d’une zone imperméable (industries et habitations) importante (40% de la surface) est responsable d’une augmentation des paramètresDBO5, DBO28, COD et NT.Les flux aux exutoires des différents paramètres de qualité de l’eau ont été évalués et comparés à ceux issus des quatre principales stations d’épuration (STEP) et à ceux de la Loire. La charge destrois sous-bassins urbains représente environ 166,61% de la charge des quatre STEP. Les trois sous bassins ont un faible impact sur la Loire en termes de flux annuels (environ 1,62% pour les MES par temps de pluie).Deux versions d’un modèle conceptuel dit d'accumulation/lavage-transport ont été évaluées pour estimer les flux de ruissellement des polluants ; la version classique et une version modifiée dans laquelle le paramètre accumulation des polluants a une forme logarithmique. Les performances des modèles étaient acceptables pour les MES et la DCO. Les coefficients de corrélation étaient supérieurs à 90% pour le sous bassin de l’Egoutier, par exemple. Pour les éléments traces métalliques en phase particulaire, la corrélation avec l’expérience était bonne également. D’une manière générale, lorsqu'un flux mesuré était inférieur à 1 kg.ha-1, les modèles n’étaient plus applicables.Des premiers essais de simulation de la qualité et la quantité de RUTP ont été effectués à partir de MIKE URBAN, qui équipe les deux logiciels de modélisation MOUSE et SWMM. Les hydrogrammes ont indiqué que le débit maximum obtenu avec SWMM était toujours inférieur à celui obtenu avec MOUSE. La qualité de l’eau (masse de MES) était toujours plus fortement impactée par le lessivage des MES dans le modèle MOUSE que dans SWMM.Ce travail constitue la première étape du travail d'évaluation de RUTP pour l'Agglomération orléanaise. Il constitue une base solide pour un futur programme de surveillance continue.

The objective of this thesis was to characterize urban runoff water at the level of stormwater outletson three major urban sub-basins of the Orléans agglomeration, covering land areas ranging in size from463 to 2257 ha and with contrasted land use. 11 individual rain events were sampled at runoff outletsbetween April 2015 and June 2017 and 10 campaigns were also carried out in dry weather.In general, it was observed that the conductivity, chemical oxygen demand (COD), biochemicaloxygen demand (BOD5 and BOD28), dissolved organic carbon (DOC), total nitrogen (NT), anions andmajor cations were found to be higher in dry weather conditions than in rainy weather. These resultsindicate a dilution effect due to precipitation.A mixture of rainwater and wastewater was also identified in the sub-basin of Ormes. Land use andhuman activities in the sub-basin studied were found to significantly influence the quality of the resultedrunoff from rainfall events. For example, in the Egouttier sub-basin 2, the presence of a large imperviouszone (industrial and residential, 40% of the surface area) was responsible for an increase in the parametersBOD5, BOD28, COD and NT.The flows at the outlets of the different water quality parameters were evaluated and compared withthose from the four main wastewater treatment plants (WWTP) and those from the Loire. The estimatedloads of the three sub-urban basins accounts for approximately 166.61% of the load of the four WWTP.The three sub-basins have a small impact on the Loire in terms of annual flows (about 1.62% for wetweather case).Two versions of a conceptual model of accumulation / washoff were evaluated to estimate pollutantrunoff; the classical version and a modified version in which the pollutant accumulation parameter has alogarithmic form. The performances of the models were found acceptable for the MES and the COD. TheNash-Sutcliffe (NS) coefficients were found as 0.84 and 0.85 for the two versions at the Egouttier subbasin.For trace elements in particulate phase, the correlation with the experimental measured value wasfound good as well. In general, when a measured flow was less than 1 kg.ha-1, the modified model was nolonger applicable.The first simulation tests of the quality and quantity of urban runoff were carried out with MIKEURBAN, which equips both MOUSE and SWMM modeling software. For water quantity, the hydrographsindicated that the maximum flow obtained with SWMM was always lower than that obtained with MOUSE.For water quality, TSS mass was still more strongly impacted by the leaching of TSS in the MOUSE modelthan in the SWMM model.This work can be considered as the first step of the evaluation work of RUTP for the Orléansagglomeration. It provides a solid foundation for a future monitoring program.