Étude de caractérisation de l’évolution de la qualité de l’eau de ruissellement de toiture au cours des événements pluvieux dans la perspective d’une utilisation optimale de l’eau de pluie. Une comparaison France-Chine

Characterization study of the evolution of roof runoff water quality during rainfall events with targeting optimal use of rainwater. A France-China comparison

• Auteur / Autrice : Yujie Qiao
• Direction : Bruno Tassin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences et Techniques de l'Environnement
• Date : Soutenance le 10/03/2020
• 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
• Jury : Président / Présidente : Régis Moilleron
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Bruno Tassin, Béatrice Bechet, Sylvie Barraud, Bernard de Gouvello, David Ramier, Jérémie Steininger, Xueqiang Lu
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Béatrice Bechet, Sylvie Barraud

Mots clés

Mots clés contrôlés

Chine

France

Toits

Eau -- Qualité -- Gestion

Eaux pluviales

Mots clés libres

Eau de pluie

Dynamique de la qualité

Toiture

Comparaison France-Chine

Quality dynamics

France-China comparison

Rainwater

Roof top

Résumé

Dans un système de RUEP, les polluants s’accumulent sur la surface du toit pendant une période sèche antécédente et sont lessivés au début de chaque pluie. Plusieurs études montrent que le premier volume de ruissellement pendant l’événement pluvial contient la plus grande partie des éléments polluants et que la qualité de l’eau stockée peut être améliorée en enlevant cette fraction. En plus, nombre de facteurs divers influent sur les niveaux de pollution dans l’eau de ruissellement. Ces facteurs ont également un impact sur l’évolution de la qualité de l’eau en cours d’événement pluvieux. Cette thèse poursuit un triple objectif : (i) caractériser la qualité de l’eau de pluie inter et intra-événementielle ; (ii) identifier les conditions dans lesquelles une amélioration de la qualité est observée ; et, (iii) analyser et modéliser les dynamiques d’évolution de la qualité des eaux de toiture en cours d’événement dans la perspective d’une utilisation optimale de l’eau de pluie. Un dispositif d’échantillonnage de collecte fractionnée par succession de neuf récipients a été construit et mis en place sur des toitures de deux maisons situées en Île-de-France (Vincennes et Romainville) et d’une maison située en Chine (Tianjin, à 200 km à l’Est de Beijing). Les événements pluvieux collectés dans des zones avec des climats significativement différents et des niveaux de pollution différents fournissent des données comparables au travers des paramètres : pH, conductivité, MES, turbidité, COD et Flore totale à 36 °C, à 22°C, d’Escherichia Coli, des indicateurs nutriments (N-NO2, N-NO3, N-NH4+, Ntot et Ptot), des coliformes fécaux et des coliformes totaux. De mai 2015 à janvier 2017, 13 événements pluvieux collectés ont été suivis à Vincennes, 17 à Romainville et 9 à Tianjin. Nous concluons que la pollution de l'eau de pluie sur les toits à Tianjin est plus importante. Ces résultats apparaissent cohérents avec le niveau de pollution locale. Il apparaît que la méthode d'élimination du 1er mm de l'eau pour optimiser la qualité de l'eau peut réduire les matières particulaires et les produits dissous en même temps. Ce résultat n’est pas valide pour les polluants microbiologiques. De plus, en combinant les résultats d’une analyse en composantes principales et une réflexion sur la facilité de mise en œuvre des mesures, il est possible de réduire le nombre de paramètres de qualité de l'eau et de proposer un protocole expérimental de suivi opérationnel. Il repose sur 3 paramètres représentatifs pour l’étude de l’évolution de la qualité : la conductivité, la turbidité et la flore totale à 36°C.En observant les profils d’évolution de la qualité des trois paramètres représentatifs, deux types de profils d’évolution sont identifiés : l’évolution décroissante et l’évolution non monotone. L’évolution décroissante est conforme à l’hypothèse selon laquelle l’amélioration de la qualité en cours de pluie et est observée sur la majorité des profils de turbidité et de conductivité à Vincennes et à Tianjin. Des valeurs seuils au-delà desquelles l’évolution décroissante est toujours vérifiée ont été identifiées : intensité moyenne de l’événement pluvieux supérieure à 1mm/h et période sèche antécédente supérieure à 100 h. De plus, nous avons développé pour la turbidité et la conductivité, un modèle exponentiel de décroissance fonction de la hauteur de pluie précipitée cumulée qui représente ces évolutions décroissantes observées de manière satisfaisante, moyennant de coefficient de décroissance qui varie selon l’évènement et le site. Comme perspective à ce travail, il est possible d’envisager l’élaboration d’une méthode opérationnelle de déviation d’une fraction pertinente de l’eau de pluie de toiture visant maximiser la quantité d’eau stockée dans la cuve respectant des seuils de qualité

In a Rainwater harvesting system, pollutants accumulate on the roof surface during a previous dry period and are washed away at the beginning of each rainfall. Several studies show that the first volume of runoff during the storm event contains most of the pollutants and that the quality of the stored water can be improved by removing this fraction. In addition, a number of various factors influence pollution levels in runoff water. These factors also have an impact on the evolution of water quality during a rainy event.This thesis has a threefold objective: (i) to characterize the quality of rainwater between and within events; (ii) to identify the conditions under which quality improvement is observed; and (iii) to analyze and model the dynamics of changes in roof water quality during events with a view to optimal use of rainwater.A sampling system for the fractionated collection of nine containers was built and installed on the roofs of two houses located in Île-de-France (Vincennes and Romainville) and one house located in China (Tianjin, 200 km east of Beijing). Rainfall events collected in areas with significantly different climates and pollution levels provide comparable data through the parameters: pH, conductivity, TSS, turbidity, COD and total flora at 36°C, at 22°C, enterococci, Escherichia Coli, total flora at 22°C, nutrient indicators (N-NO2, N-NO3, N-NH4+, Ntot and Ptot), fecal coliforms and total coliforms. From May 2015 to January 2017, 13 rainfall events were collected in Vincennes, 17 in Romainville and 9 in Tianjin.We conclude that rainwater pollution on rooftops in Tianjin is more significant. These results appear to be consistent with the local air pollution level. It appears that the method of removing the 1st mm of water to optimize water quality can reduce particulate matter and dissolved products at the same time. This result is not valid for microbiological pollutants. In addition, by combining the results of a main component analysis with a reflection on the ease of implementation of the measures, it is possible to reduce the number of water quality parameters and propose an experimental operational monitoring protocol based on three representative parameters for the study of quality evolution: conductivity, turbidity and total flora at 36°C.By observing the quality evolution profiles of the three representative parameters, two types of profiles are identified: decreasing evolution and non-monotonic evolution. The decreasing trend is consistent with the assumption that quality improvement during rainfall and is observed on the majority of turbidity and conductivity profiles in Vincennes and Tianjin. Threshold values beyond which the decreasing trend is always verified have been identified: average intensity of the rain event greater than 1mm/h and previous dry period greater than 100 h. In addition, we have developed an exponential decay model for turbidity and conductivity as a function of cumulative precipitation rainfall that represents these satisfactorily observed decreasing trends, using the decay coefficient which vary according to the event and site.As a perspective to this work, it is possible to consider the development of an operational method to divert a relevant fraction of roof rainwater to maximize the quantity of water stored in the tank that meets quality thresholds