La gestion des eaux pluviales, un enjeu considérable dans le cycle de l’eau.
Part I.
L’imperméabilisation croissante des sols en site urbanisé, l’intensification des événements pluvieux, la volonté de maîtriser les rejets et les pollutions... au cœur de ces réalités, la gestion des eaux pluviales est devenue un enjeu considérable dans le cycle de l’eau.
L’urbanisation galopante, accompagnée de l’important développement économique et industriel, a induit des préoccupations nouvelles, méconnues, mais toujours grandissantes.
La gestion des eaux de pluie et de ruissellement en fait partie dans sa globalité ; que se soit sur un plan quantitatif, ou sur un plan qualitatif.
Ce dernier aspect, encore sous-estimé, est cependant déjà abordé lors de la mise en œuvre de techniques alternatives. Ce « traitement » qualitatif, souvent réalisé sans le savoir, peut être assuré ou renforcé par un aménagement soigné et réfléchi lors de la conception.
Lors de l’événement pluvieux, après avoir transité dans l’air et s’être chargées des polluants en présence, on parle de pollution atmosphérique, puis après avoir ruisselé sur diverses surfaces (fixation de la pollution déposée au sol), les eaux collectées se sont chargées de polluants aussi divers que variés.
Contrairement à une idée répandue jusqu’à une période récente, les eaux pluviales ne peuvent être considérées comme non polluées. Chargées d’impuretés au contact de l’air, elles contiennent notamment des matières solides en suspension ou non et des hydrocarbures issus essentiellement du lessivage des surfaces sur lesquelles elles ont ruisselé.
L’eau de pluie, ressource à capter … un don du ciel !
RÉSEAU UNITAIRE OU SÉPARATIF ? Les réseaux historiques (jusqu’en 1950) sont essentiellement unitaires (80 %) c’est-à-dire qu’ils mixent les eaux usées et les eaux pluviales. Ce type de réseau cumule les avantages d’être économique et simple, mais la conception et le dimensionnement des collecteurs et des stations de traitement nécessitent de tenir compte des variations importantes des débits des eaux pluviales, en particulier lors des orages. D’autant que l’expansion urbaine et la nécessité de traiter les eaux pluviales ont eu des conséquences lourdes dans la majorité des agglomérations : inondations fréquentes des points bas, saturation du système d’assainissement, défaillances des systèmes de transport et de traitement, pollution des milieux récepteurs... C’est pourquoi les zones d’urbanisation construites à partir des années 60 ont opté pour un réseau séparatif qui dissocie les eaux usées des eaux pluviales dans deux réseaux. Une solution pertinente puisqu’elle évite de surdimensionner les réseaux, d’adapter le traitement des eaux et d’améliorer la protection du milieu récepteur. Le caractère exceptionnel des événements pluvieux n’est pas sans poser divers problèmes techniques.
En cas de fortes précipitations, les contraintes de préservation des installations d’épuration pouvaient imposer un délestage de ce mélange plus ou moins pollué dans le milieu naturel. Afin d’éviter ce déversement, des solutions tampons (bassins d’orage, bassins de rétention...) sont aménagées pour éviter l’engorgement des canalisations et des équipements de traitement, dimensionnés pour un débit courant, et écrêter les excès. Ces derniers sont donc recueillis, stockés temporairement, décantés avant d’être restitués par débit contrôlé dans les réseaux et les milieux récepteurs. Les équipements de stockage des excès d’effluents varient selon les manières de traiter les eaux pluviales. Soit elles sont :
* traitées directement dans une usine dimensionnée pour faire face aux augmentations soudaines de débits ;
* stockées dans des bassins de retenue ou d’infiltration pour les réseaux séparatifs ou des déversoirs d’orage pour les systèmes unitaires, de façon à réguler le débit des effluents parvenant dans les stations d’épuration, et du même coup à étaler dans le temps le traitement des eaux ;
* prétraitées localement dans des bassins de décantation. Outre ces techniques, l’un des moyens le plus efficace pour gérer la pollution pluviale est la mise en œuvre de solutions alternatives (structure réservoir, fossé drainant, puits d’infiltration...) qui combinent les principes de rétention et d’infiltration, le tout visant à limiter les effets d’imperméabilisation des sols et le ruissellement des eaux en absorbant ponctuellement l’excès d’effluents.
Un peu d’histoire sur l’assainissement
Pour quelles raisons le réseau francilien est-il unitaire à 95 % ? Le système parisien a été créé dans la seconde moitié du XIXe siècle pour pallier les épidémies de choléra. Le préfet Haussmann décida de réaliser un réseau d’assainissement unique pour transporter les eaux usées domestiques et pluviales à l’aval de Paris jusqu’à Clichy, où l’eau décantait quelques heures avant d’être rejetée dans la Seine, qui devint peu à peu un égout à ciel ouvert. Le système de traitement par champs d’épandage vit alors le jour pour filtrer les eaux usées à traverslesol.Après1930,ilyeut une telle augmentation de la population parisienne qu’il a fallu industrialiser le traitement des eaux.
C’est ainsi que sont nées les stations d’épuration, à commencer par Seine-Aval à Achères en 1940, la plus importante d’entre elles.
Et pour le reste de la France ?
En ce qui concerne les villes où l’urbanisation et l’assainissement datent de la deuxième moitié du XXe siècle, ce qui est le cas de nombreuses villes de province et de la grande banlieue parisienne, les réseaux ont été mis en séparatif dès le départ. Cela facilite le traitement, évite de surdimensionner le réseau et protège mieux le milieu récepteur.
Une histoire d’eau….
La pollution :
La pollution atmosphérique :
Cette pollution est une conséquence des diverses activités humaines comme les industries, le chauffage ou encore les échappements des moteurs à combustion.
Les pollutions impactant les eaux de pluie sont principalement de deux catégories :
• pollution particulaire,
• pollution induite par des gaz.
Ainsi, lors de leur chute, les gouttes de pluie traversant l’atmosphère fixent les diverses particules présentent en suspension. Ces particules pouvant provenir d’activités humaines (poussières industrielles, fumées,...) ou d’origines naturelles (sables, poussières, pollen,...).
A ce phénomène s’ajoute l’accumulation, la concentration d’éléments dans l’eau de pluie (comme les métaux, ...) lors de la chute des gouttes de pluie, au contact des gaz émis dans notre atmosphère.
Cependant, il faut tout de même relativiser la pollution atmosphérique (en dehors d’un accident industriel), et bien remarquer que l’impact du ruissellement est beaucoup plus significatif.
La pollution par ruissellement :
Après dispersion dans l’atmosphère (production industrielle, dépôts de gaz d’échappement, sels, poussières,...), certains polluants retombent et s’accumulent sur le sol par dépôt direct, ou lors d’événements pluvieux de faibles intensités.
Même si l’eau de pluie peut être légèrement « polluée » lors de son passage dans l’atmosphère, le ruissellement va entraîner la concentration d’une pollution accumulée sur les diverses surfaces.
Sur le sol naturel ou végétalisé :
• débris végétaux,
• déjections d’animaux,
• engrais,
• pesticides,
• particules de terre.
Sur les sols imperméabilisés (voiries, parkings, trottoirs) :
• hydrocarbures,
• dépôts d’échappements,
• déjections d’animaux,
• produits d’usure de la chaussée,
• résidus de travaux,
• poussières,
• déchets urbains (mégots, papiers,...),
• sels et sables de déverglaçage.
Sur les toitures :
• feuilles,
• déjections d’oiseaux,
• poussières,
• mousses,
• particules de zinc des chéneaux et des gouttières.
Chaque surface possède un seuil de mouillage qui lui est caractéristique.
Lorsque la quantité d’eau de pluie tombée dépasse ce seuil, le ruissellement commence, provoquant alors l’entraînement de divers polluants.
Le processus d’entraînement des ces polluants lors du ruissellement est plus ou moins important en fonction de divers paramètres caractéristiques :
• de la pluie comme :
o son intensité,
o sa progressivité,
o sa durée,...
• du polluant comme :
o sa granulométrie,
o sa nature,...
• de la surface comme :
o son aptitude au ruissellement (coefficient de ruissellement)
o la pente du sol,....
Les mécanismes de dépollution intervenant dans les techniques alternatives :
L’étude des techniques alternatives et le retour d’expérience ont montré qu’elles pouvaient constituer de très bons ouvrages de dépollution suivant leur fonction et leurs caractéristiques.
On retrouve deux grands mécanismes de traitement des pollutions inhérentes à ces solutions :
• la décantation,
• la filtration.
De plus, des expériences ont démontré que certaines plantes (mises en œuvre pour l’intégration paysagère de l’ouvrage) pouvaient avoir un grand pouvoir dépolluant, c’est la phyto-remédiation, apportant un moyen de dépollution supplémentaire.
La décantation : Sur Terre, tout corps est soumis à une force dirigée verticalement et vers le bas : son propre poids. C’est un phénomène naturel régit par la Loi de la pesanteur.
Dans un bassin de rétention, sous l’effet de leur poids les particules contenues dans l’eau ont une tendance naturelle à se déposer sur le sol selon une certaine vitesse appelée vitesse de sédimentation (formant au final ce qu’on appelle des boues de décantation).
Dans ce même bassin, l’eau en transit s’écoule selon une vitesse donnée (fonction du débit et de la morphologie du bassin).
Si la vitesse d’écoulement est trop importante par rapport à la vitesse de sédimentation (ou si la hauteur d’eau dans le bassin est trop conséquente), la particule n’aura pas le temps de décanter et sera emmenée vers l’exutoire.
Pour que la décantation soit optimale, on cherche lors de la conception de l’ouvrage à :
• réduire la vitesse d’écoulement (une augmentation de la section d’écoulement diminue la vitesse),
• diminuer la hauteur de chute des particules (bassin peu profond),
• augmenter le temps de séjour dans le bassin (longueur plus importante).
En sortie de bassin, l’eau est moins chargée en particules et donc en polluants. La qualité des eaux rejetées pourra être compatible avec le milieu naturel, et pourra permettre un rejet direct sans qu’il ne produise d’impact sur le milieu récepteur.
La filtration :
C’est un phénomène bien connu et utilisé par ailleurs. L’effluent passe à travers un « filtre » qui piége les particules. Ce « filtre » peut être un lit de sable, un filtre papier ou encore un tamis.
Il est important de préciser que dans les techniques alternatives on ne trouve pas de tels filtres mais différents matériaux et/ou structures jouant le même rôle.
On peut trouver :
• des systèmes dégrilleurs qui retiennent les très grosses particules, les « flottants »,
• des couches de matériaux drainants (roulés 20/40, concassées 40/80, graviers, ...) qui retiennent les petites particules,
• le sol qui constitue un très bon filtre dans les techniques d’infiltration (retient les très petites particules). La pollution particulaire est donc stoppée, et s’accumule lors du passage de l’eau à travers ces pseudo filtres. Par la suite on parlera plutôt de « filtration » par interception.
Il faut savoir que les particules sont retenues lors de la filtration selon plusieurs modes d’actions :
• par tamisage (effet passoire) ;
• par sédimentation (dépend du poids de la particule) ;
• par interception directe (dépend du diamètre de la particule) ;
• par diffusion (mouvement aléatoire de la particule dans un fluide, appelé mouvement Brownien et dépendant de la température). La complémentarité de ces modes d’action fait de la « filtration » par interception une très bonne technique de dépollution permettant de traiter des particules très petites.
La phyto-remédiation ou la dépollution par les plantes :
L’intégration paysagère de l’ouvrage fait partie de la réflexion menée lors de l’aménagement d’un site. Un choix se porte sur diverses essences d’arbres ou types de végétaux. Afin de le guider en prenant en compte des paramètres autres que le seul aspect paysager, nous évoquons dans ce chapitre l’action de dépollution que peut effectuer certaines espèces.
On peut distinguer trois principaux modes d’action :
La phyto-extraction : les polluants (essentiellement les métaux lourds dans notre cas) contenus dans les dépôts formés par décantation ou interception par « filtration », accumulés dans les couches superficielles du sol sont absorbés par les racines, puis amenés et accumulés dans les parties récoltables de la plante (tiges, feuilles,...). On parle de plantes hyper accumulatrices.
La phyto-dégradation : c’est une biodégradation des composés organiques et des hydrocarbures, réalisée par la plante elle-même et par les microorganismes se développant sur ses tiges souterraines (les rhizomes) et ses racines.
La phyto-filtration ou rhizo-filtration : les métaux lourds contenus dans l’eau sont absorbés et concentrés dans les racines, vivantes ou mortes, immergées.
La phyto-remédiation permet d’éliminer des polluants difficiles à traiter comme les métaux lourds, les hydrocarbures et les composés organiques.
N.B : Les végétaux les mieux adaptés à cette dépollution sont des plantes aquatiques (macrophytes hydrophytes et hélophytes) tels que les roseaux, les joncs, les massettes, les nénuphars,....
Les différentes techniques alternatives et leurs mécanismes de dépollution :
La dépollution des eaux pluviales se fait par différents mécanismes complémentaires. L’intégration de la dépollution des eaux pluviales n’est pas un concept effacé dans les méthodes déjà employées. Selon les techniques alternatives utilisées, ces mécanismes interviennent déjà séparément ou simultanément (Cf. tableau 5.). Leur intégration dans les futurs aménagements ne nécessite qu’une réflexion et un travail soigné menés en amont.
Prétraitement :
Le caractère pollué des eaux de pluie, suite au ruissellement sur les surfaces imperméabilisées, peut conduire à l’utilisation d’ouvrages de dépollution spécialisés dénommés ouvrages de prétraitement.
Il est important de rappeler qu’en majorité, les techniques alternatives peuvent grâce à une mise en œuvre adéquate, être actrices de cette « dépollution » en décantant les M.E.S., en « filtrant » l’effluent ou par phyto-remédiation. Ainsi, le recours aux ouvrages de prétraitement n’interviendra que dans les cas où il s’avère nécessaire (pollution avérée importante, ou risque lié à l’activité, ...).
Comme il est précisé dans la partie « II.A.Définition des paramètres permettant de qualifier et de quantifier une pollution », la majeure partie des polluants se fixent sur les matières en suspension. C’est pourquoi des ouvrages de prétraitement sont essentiellement destinés à piéger ces M.E.S., grâce à des ouvrages spécifiques (fonction du type de pollution rencontrée) tels que les décanteurs, les dessableurs et les débourbeurs.
Ainsi, sur des aires potentiellement riches en hydrocarbures « libres » (non fixés sur des M.E.S.), comme des aires de distribution de carburant, il sera nécessaire de recourir à un séparateur à hydrocarbures.
On pourra également rencontrer des ouvrages destinés à retenir les graisses et les huiles d’origine organique, il s’agit des séparateurs à graisses appelés aussi dégraisseurs ou déshuileurs.
Le décanteur : Schéma de principe d’un décanteur : la particule décante et se dépose au fond du décanteur.
C’est un ouvrage de décantation et de rétention des matières en suspension contenues dans les eaux de ruissellement. Ces particules sont accumulées au fond de l’ouvrage, formant ainsi des boues de décantation que l’on doit extraire et traiter régulièrement.
Un décanteur est caractérisé par :
• la vitesse de passage de l’effluent dans l’ouvrage ou charge hydraulique superficielle (C.H.S.), ou encore appelée vitesse de décantation (le plus souvent elle est < 10 m/h),
• le temps de séjour des particules dans l’ouvrage qui est conditionné par la vitesse de passage,
• sa surface de décantation,
• une conception maîtrisée sur le plan hydraulique.
La charge hydraulique superficielle et la longueur du décanteur vont définir le temps de séjour des particules au sein du décanteur. Si ce temps de séjour est supérieur au temps de décantation des particules contenues dans les eaux de ruissellement, elles seront alors retenues dans le décanteur.
C’est donc la vitesse de passage de l’effluent (dimensionnement hydraulique) et la surface de base du décanteur (dimensionnement de la largeur et de la longueur) qui vont définir son efficacité (ou le rendement de dépollution).
On peut distinguer deux types de décanteurs :
• les décanteurs verticaux, pouvant traiter jusqu’à 45 litres d’effluent par seconde,
• les décanteurs horizontaux, utilisés pour traiter des débits supérieurs à 45 l/s.
Il existe différents modes d’action chez les décanteurs. La décantation peut se faire :
• dans le sens d’écoulement, c’est la décantation à co-courant ;
• en sens inverse à l’écoulement, on parle alors de décantation à contre-courant.
De plus, l’intérieur d’un décanteur peut être équipé de canaux de passage à large section (décanteur lamellaire) fonctionnant à co-courant et permettant de réduire la surface au sol du décanteur et d’augmenter son efficacité.
Il est important de remarquer que les décanteurs lamellaires permettent également d’assurer la flottation des gouttelettes d’hydrocarbures légers par coalescence.
Le décanteur est le système de prétraitement le plus efficace et le plus répandu, il est utilisé pour dépolluer les eaux de ruissellement et protéger du colmatage les ouvrages d’infiltration et de rétention. Un décanteur bien dimensionné permettra de capter des particules de très petites tailles, il pourra donc être utilisé dans toutes les situations.
Le dessableur : C’est une chambre de rétention des sables de granulométrie importante (>200 μm) caractérisée par une vitesse de décantation de l’ordre de 60 m/h.
On peut citer par exemple le dessableur à assiettes, utilisé dans le cadre des techniques alternatives. Les décanteurs permettent notamment de protéger les bassins d’infiltration ou de stockage, du colmatage lié aux grosses particules véhiculées sur les surfaces étanches.
Le dessableur peut donc être assimilé à un décanteur pour grosses particules. Il pourra être utilisé sur des sites où l’on trouvera beaucoup de sable ou de graviers, comme les sites de production, les gros chantiers.
Le débourbeur :
C’est une chambre de rétention des matières solides facilement décantables. Elle est caractérisée par son volume total en eau, ainsi que par son volume de stockage des boues (au minimum de deux tiers du volume total en eau). Cet ouvrage n’est pas caractérisé par la notion de vitesse de décantation.
Il permet de retenir de très grosses particules sous forme libres ou sous forme de boues et ce pour des grandes charges hydrauliques superficielles.
Il faudra tout de même s’assurer que la vitesse de passage de l’effluent dans l’ouvrage n’est pas trop importante, afin d’éviter le relargage des particules les plus petites.
Il est à noter que cet ouvrage est souvent associé avec un séparateur à hydrocarbures.
Le débourbeur est donc un ouvrage de décantation pour des boues, il pourra être utilisé sur les sites où l’on trouve de la terre ou d’autres particules susceptibles de former des boues, comme sur des aires de lavage.
Le séparateur à hydrocarbures :
C’est une chambre de séparation et de rétention des hydrocarbures libres, caractérisée par le volume maximal de liquide pouvant être retenu sans débordement et après obturation. Il existe des modèles lamellaires caractérisés par leur coefficient de séparation (C.S.).
Le séparateur n’est efficace que si les hydrocarbures sont libres et donc abondants. Il doit donc être utilisé sur des sites de traitement des hydrocarbures comme les aires ou postes de distribution de carburants, les aires de lavage, les dépôts pétroliers ou encore les zones d’avitaillement des aéroports.
Le dégraisseur et le déshuileur :
Il s’agit de chambres de séparation et de rétention des graisses ou des huiles ayant les mêmes caractéristiques que les séparateurs à hydrocarbures.
Pour être efficaces, ces ouvrages doivent également être utilisés sur des sites où ces liquides légers se trouvent abondamment, comme les ateliers ou les garages.
