Pollution des eaux pluviales et systèmes de leur dépollution

2011/2012Ecole MOHAMMADIA d’Ingénieurs

Génie urbain et environnement

SOMMAIRE

Introduction……………………………………………………………………………………2

1. L‘importance de la pollution pluviale………………………………………….3

1.2 Les Rejets Urbains de Temps de Pluie (RUTP)………………………………………………………………………….3

1.2. Les solutions pour réduire les rejets urbains de temps de pluie……………………………………………12

2. Systèmes de dépollution des eaux pluviales………………………………………….12

2.1. Les bassins d‘orage………………………………………………………………………………………………………………12

2.2 LES DÉGRILLEURS…………………………………………………………………………………………………………………..18

2.3 LES DESSABLEURS………………………………………………………………………………………………………………….19

2.4 LES BASSINS D’INFILTRATION (OU D’ABSORPTION) ET DE FILTRATION………………………………….21

2.5 Stratégies de dépollution des eaux pluviales de ruissellement………………………………………………22

CONCLUSION………………………………………………………………………………………..25

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INTRODUCTION

Devant le développement de l’urbanisation, il paraît de plus en plus indispensable de dépolluer les eaux pluviales recueillies en réseau séparatif avant leur rejet dans le milieu récepteur (rivière, ruisseau…). En effet, en lessivant les surfaces imperméabilisées (chaussées, trottoirs et autres surfaces en zone urbanisée), ces eaux se chargent en éléments polluants altérant la qualité des milieux naturels. Le traitement de ces eaux n’est pas une obligation légale en système séparatif, toutefois on peut envisager le traitement de ces rejets si leurs impacts sur le milieu récepteur ou les usages de l’eau le nécessitent.

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2. L‘importance de la pollution pluviale

Les effets conjugués de la concentration humaine et de l‘imperméabilisation de vastes espaces urbains ont mis en lumière la nécessité de maîtriser les eaux pluviales.

Contrairement à un sol naturel, un sol imperméabilisé empêche l‘infiltration de la pluie, limite son évaporation et son utilisation par les plantes. Une surface imperméabilisée (trottoirs, parkings, toitures…) restitue ainsi de 4 à 20 fois plus d‘eau par ruissellement qu‘une surface naturelle.

Plaquette « La pluies en ville », AESN 2002

Les canalisations se révèlent bien souvent incapables d‘acheminer les apports d‘eau supplémentaires induits par le raccordement de nouvelles surfaces imperméabilisées. Les inondations ainsi provoquées, en particulier aux points bas des villes, sont de plus en plus difficiles à maîtriser et malheureusement de plus en plus fréquentes.

2.1. Les Rejets Urbains de Temps de Pluie (RUTP)Pendant longtemps, les périodes pluvieuses n‘ont pas été prises en compte dans la gestion

de l‘assainissement. Pourtant, dès 1888, Durand-Claye, au cours du Congrès International d‘Hygiène de Vienne,

reconnaît que les eaux pluviales de ruissellements, sur les toits, les voiries et les surfaces imperméabilisées des villes, sont très polluées. Cette réalité, mise entre parenthèse pendant des décennies, est revenue sur le devant de la scène des milieux scientifiques à partir des années 60.

Désormais, les désordres causés par les RUTP semblent évidents et conséquents, d‘autant plus que les rejets permanents des eaux usées (de temps sec) sont mieux maîtrisés. On se rend ainsi mieux compte de la nécessité de maîtriser les RUTP en comparant les poids de pollution théoriques émis par temps sec et par temps de pluie.

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Eléments pour la préparation de l‘état des lieux de la Directive Cadre sur l‘Eau, AESN 2002

La partie qui suit propose de donner des éléments pour comprendre l‘origine de la pollution de temps de pluie et ses impacts sur le milieu récepteur.

Problèmes rencontrés par temps de pluie

Par temps de pluie, deux problèmes majeurs se dressent en fonction de la nature des réseaux d‘assainissement.

Dans le cas des réseaux séparatifs, les eaux de pluie des toitures, des descentes de garage et des voiries sont reprises dans des collecteurs spécifiques séparés puis rejetées dans le milieu ; généralement sans traitement pour les eaux pluviales. Or, ces eaux pluviales, même collectées de manière séparative, peuvent être à l‘origine d‘une pollution significative du milieu puisque généralement souillées. Il s‘agit d‘une pollution provenant de la dégradation des revêtements de surface, des gaz d‘échappement des voitures, de la pollution atmosphérique, des déjections animales, des produits de lutte contre le verglas. Il faut également noter que la mise en séparatif de l‘ensemble d‘un réseau d‘assainissement est une entreprise extrêmement délicate à mettre en Œuvre et qu‘il subsiste dans une majorité de situations des « mauvais branchements ».

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En ce qui concerne les réseaux unitaires, dans lesquels les eaux usées et pluviales sont transportées dans la même conduite, le problème se concentre sur les ouvrages annexes, tels que les déversoirs d‘orage ou les bassins d‘orage. Le déversoir d‘orage (DO) a pour but de limiter les volumes d‘eaux entrant à la station d‘épuration (STEP) en cas de for tes pluies. Les DO fonctionnent par surverses lorsque le débit d‘eau qui arrive au DO est supérieur au débit maximal que peut traiter la STEP Les surverses occasionnées par temps de pluie contiennent un mélange d‘eaux usées et d‘eaux de ruissellements plus ou moins diluées. En général ces concentrations sont relativement élevées.

Origine de la pollution des RUTPIl est difficile de quantifier précisément la pollution de temps de pluie pour différentes

raisons :• Les rejets se font de manière discontinue et aléatoire dans le temps et au cours

d‘évènements pluvieux. • Les concentrations et les charges peuvent varier entre deux agglomérations, deux

averses sur un même site ou au cours d‘une même averse.

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• La pollution provient d‘un grand nombre de sources et se propage différemment sur la surface du bassin versant et dans l‘atmosphère.

Les origines de la pollution sont diverses et liées au parcours des eaux de pluie, notamment de la reprise de la fraction de la pollution atmosphérique et du ruissellement sur les surfaces imperméabilisées et les sols.

Les eaux de pluie contiennent par nature des impuretés (poussières atmosphériques), car dans le cas contraire les gouttelettes ne parviendraient pas à fusionner pour atteindre une masse suffisante et arriver sur le sol. On estime par ailleurs que 15 à 25 % de la pollution contenue dans les eaux de ruissellement provient directement du transfert des polluants de l‘atmosphère vers l‘eau de pluie.

Cette pollution résulte des rejets atmosphériques industriels, du chauffage urbain, des

échappements des moteurs à combustion, etc. Elle se compose principalement de gaz tel que les oxydes de carbone, le dioxyde de soufre et l‘oxyde d‘azote, de poussières diverses ou d‘hydrocarbures. La pluie en dissout une partie et se charge en matières polluantes, avec des teneurs variables suivant la saison et le lieu considéré.

La pollution accumulée par les surfaces

Les eaux de pluie tombent sur les surfaces imperméabilisées des bassins versants urbains et y ruissellement avant d‘atteindre les réseaux de collecte (unitaires ou séparatifs). Elles se chargent de matières polluantes principalement accumulées par temps sec. Pendant ces périodes les contaminants se déposent sur le sol, les toits, les chaussées. La pollution est alors entraînée par lessivage des sols qui entraîne à son tour les matériaux déposés : résidus résultant du trafic, érosion des sols, des voiries et chantiers, déchets végétaux et animaux, produits de déverglaçage (NaCl ou CaCl2).

Ces apports sont étroitement liés au site. L‘impact des apports des voiries est très important :

entre 40 et 50 % de la masse total de polluants. L‘habitat représente environ 30% et le reste provient essentiellement de l‘industrie et des grandes surfaces commerciales.

Les apports d‘un seul événement pluvieux peuvent représenter 20 à 25 % (et parfois 50 %) des apports annuels en matières polluantes. Les concentrations moyennes d‘un événement peuvent être 5 à 10 fois plus fortes que la concentration moyenne annuelle. Le caractère très acide de certaines pluies (pH < 4.5) est susceptible d‘augmenter l‘agressivité des eaux vis-à-vis des matériaux sur lesquels elles ruissellent et donc de faciliter leur dissolution et leur entraînement ( cas des métaux).

La pollution due au parcours dans les réseaux d‘assainissement

Les rejets des eaux pluviales provenant d‘un réseau séparatif strict reflètent bien les apports du ruissellement de surface.

En revanche, en réseau unitaire, les déversements dans le milieu récepteur sont composés à la fois par les eaux usées et par les eaux de ruissellement ; elles-mêmes polluées. Lors des

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périodes de temps sec, les dépôts dans les réseaux sont fréquents. Avec le temps et lorsque l‘autocurage n‘est pas suffisant, ces dépôts tendent à devenir de plus en plus cohérents, ce qui peut conduire à des reprises très importantes d‘éléments polluants lors d‘événements pluvieux intenses.

Effets et impacts de la pollution sur les milieux aquatiques

L'image la plus frappante de l'impact d'une pollution sur le milieu récepteur suite à une pluie

d'orage est la mortalité massive de poissons. Mais les déséquilibres engendrés par ce type de pollution sont multiples, complexes et pas toujours visibles. Les effets néfastes peuvent jouer directement sur le monde vivant (la biocénose) ou sur le milieu lui-même (le biotope = milieu physico-chimique).

De plus, leur vulnérabilité variant au cours du temps, les impacts peuvent se cumuler. Le cas le plus fréquent et le plus défavorable est l'orage d'été, violent, rejetant une eau chaude et fortement chargée en polluant.

Il faut distinguer deux notions principales d‘action des polluants sur le milieu naturel : les effets et les impacts. Les effets correspondent aux conséquences directes des apports dus aux rejets (augmentation du débit, augmentation de la température, etc.), alors que les impacts correspondent à la réponse de l'écosystème ou aux conséquences de cette réponse (mortalité de poissons, turbidité, consommation d'oxygène, eutrophisation, etc.).

Les effets immédiats et effets de choc

Les effets immédiats peuvent être caractérisés par une durée des effets plus courte que

l'intervalle de temps moyen séparant deux pluies. En général, ils sont observés dans les heures (voire les jours) qui suivent l'événement pluvieux. L'importance des effets dépend du milieu récepteur considéré et de son état initial.

Les principaux effets immédiats sont les suivants : apports de MES (d'où l'augmentation de la

turbidité), d'eaux fortement voire totalement désoxygénées, de matières organiques biodégradables (d'où la consommation d'oxygène), d'ions ammonium susceptibles d'être transformés en ammoniaque toxique en milieu basique, de micropolluants ou de bactéries pathogènes.

Ces effets peuvent avoir des conséquences catastrophiques pour l'écosystème, en

provoquant des carences d'éléments vitaux (oxygène en premier lieu). Cela se traduit alors par une mortalité importante de la biocénose. On parle d'effets de choc.

Les effets différés

Les effets différés sont caractérisés, soit par leur durée supérieure (voire très supérieure) à un événement pluvieux, soit par leur importance, résultant de l'effet cumulatif des rejets de longues périodes. Les métaux lourds, les hydrocarbures, les pesticides et les autres micropolluants organiques sont stockés dans les sédiments ou dans la chaîne alimentaire et

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sont alors à l'origine d‘effets différés et cumulatifs. Les impacts peuvent alors être catastrophiques : intoxications mortelles par exemple.

La répartition spatiale des effets

Selon la nature des polluants et les caractéristiques du milieu récepteur (courants, vitesses et débits pour une rivière, etc.), les effets peuvent se manifester à des distances parfois importantes de la zone de rejets.

Les impacts hydrauliquesL'accroissement du débit est un des impacts les plus visibles des perturbations engendrées par

les rejets urbains de temps de pluie. Dans le cas où le milieu récepteur a une faible capacité d'absorption (petite rivière par exemple), son régime hydraulique peut être très fortement perturbé : modifications du lit du cours d'eau, augmentation de la fréquence et la sévérité des crues, transport et dépôts de résidus, envasement du lit, etc.

Nature de la pollution due aux RUTP

La nature de la pollution dépend du type de réseau dans lequel on se trouve. Dans les réseaux

unitaires, la charge polluante transportée est globalement plus importante qu‘en réseaux séparatifs. La fraction organique y est également plus élevée, de même que la contamination bactériologique (issue principalement des eaux usées domestiques).

Les Matières En Suspension et les Matières Organiques

La charge polluante est en premier lieu représentée par les matières en suspension (MES)

et les matières organiques (DBO5 et DCO) qui peuvent représenter des poids de pollution très importants (en concentrations comme en flux).

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« De l’hydrogramme au pollutogramme », AESN (N. Aires) Conférence ASTEE Saint Malo – 11 avril 2003

Ces polluants produisent principalement des « effets de choc » sur les milieux récepteurs (colmatage des fonds, désoxygénation pouvant avoir pour conséquence des mortalités de poissons).

Les eaux de ruissellement comportent également des teneurs en composés dont les concentrations sont beaucoup moins importantes que les M ES ou les MO (de l‘ordre du microgramme voire du nanogramme), mais dont les effets sur les milieux aquatiques peuvent être significatifs dans la mesure où ils s‘accumulent dans les êtres vivants et ont des effets toxiques à long terme. Il s‘ agit des micropolluants métalliques et organiques.

Les micropolluants métalliques

Il s‘agit principalement des métaux lourds : cadmium (Cd), plomb (Pb), nickel (Ni) , cuivre

(Cu), zinc (Zn), etc. Ils proviennent des activités humaines : résidus des processus industriels (Cd), usure des pneumatiques (Zn, Cd, Cu), huiles automobiles, corrosion des matériaux, carburants automobiles (Pb), etc.

Concernant plus particulièrement le plomb, l‘essence plombée est interdite en France depuis le 1er Janvier 2000. Cela a eu pour conséquence l‘observation d‘une diminution nette du taux de plomb dans les milieux aquatiques et les boues d‘épurations issues des réseaux unitaires, tel que le montre les graphiques suivants.

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Pour la Seine à l‘aval de l‘agglomération parisienne :

Evolution du plomb en Seine, Programme de recherche PIREN SEINE (Meybeck et al) 2001

Ou pour les boues de la station d‘épuration d‘Achères :

Le Plomb dans les boues : « La directive cadre sur l‘eau, Perspectives et enjeux pour l‘assainissement des collectivités », AESN (Pierre-Alain ROCHE, Jacques LESAVRE, Jean-Pierre TABUCHI) Congrès ASTEE 2002 (source des données utilisées : SIAAP, CITEPA)

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Les micropolluants organiques

Les eaux de ruissellement transportent également des quantités significatives d‘hydrocarbures - essentiellement des hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP) - qui proviennent des huiles et carburants automobiles, de l‘ usure des pneumatiques et de l‘érosion des bitumes.

La présence des polychlorobiphényles (PCB) est aussi largement renseignée dans la littérature. La contamination des milieux aquatiques par les PCB est toutefois un phénomène moins lié à l‘urbanisation e plus largement répandu que celle des HAP, comme le montre le graphique suivant.

Exemple d‘impact d‘un épisode pluvieux sur les PCB et HAP, Programme de recherche PIREN SEINE (J. M. Mouchel) 2001

Il faut également signaler que les micropolluants organiques et métalliques, en raison de leur caractère hydrophobe, se retrouvent en majeure partie associés aux matières en suspension.

En général, ils peuvent donc être interceptés par décantation simple, comme nous le verrons plus loin.

Les bactéries

Les pollutions bactériologiques véhiculées par les RUTP peuvent également être importantes.

En réseaux séparatifs, les contaminations bactériologiques sont principalement dues aux déjections animales, voire aux mauvais raccordement des particuliers sur les collecteurs pluviaux. En réseaux unitaires, il faut ajouter celle des eaux usées.

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Malgré l'imprécision des mesures et la grande variabilité des concentrations d'un site à l'autre et d'une saison à l'autre (2 à 10 fois plus élevées en saison chaude), on dispose tout de même d'un ordre de grandeur des concentrations mises en jeu :

Les pollutions bactériennes dans les RUTP (nb/100 ml)

1.2. Les solutions pour réduire les rejets urbains de temps de pluie

L‘accroissement de la taille des agglomérations s‘est généralement accompagné d‘une augmentation des surfaces imperméabilisées et par voie de conséquence à une augmentation conjointe des fréquences de déversement des systèmes d‘assainissement (la taille des collecteurs restant quant à elle constante) .

Face à cette problématique, plusieurs solutions peuvent être envisagée :

La mise en séparatif des réseaux : longtemps présentée comme la « solution miracle », elle trouve rapidement sa limite dans les difficultés que rencontrent les collectivités pour s‘assurer du bon raccordement des particuliers sous domaine privé.

La limitation de l‘imperméabilisation, la réduction du ruissellement à la source et la mise en Œuvre de solutions alternatives à l‘assainissement pluvial classique sont actuellement privilégiés, en particulier pour les projets d‘urbanisation nouvelle.

Enfin, la mise en place de dispositifs de stockage et de restitution des surdébits de temps de pluie sur les réseaux d‘assainissement ou en tête de stations d‘épuration se sont multipliés à partir de la fin des années 1980, encouragée par les Agences de l‘Eau, avec des résultats intéressants vis à vis de la protection du milieu et pour des coût d‘investissement finalement assez limités.

2. Systèmes de dépollution des eaux pluviales

2.1. Les bassins d‘orage

Le terme de bassin d‘orage, ou bassin de stockage, de retenue ou encore bassin tampon (lorsqu‘il est situé en tête de station d‘épuration et qu‘il sert également à « lisser » les débits entrant), désigne un ouvrage qui stocke les eaux de temps de pluie sur un réseau unitaire dans l‘optique d‘un traitement biologique futur e en station d‘épuration.

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Rôle des bassins d‘orage

Dans le contexte de la Directive européenne sur les Eaux Résiduaires Urbaines et de sa traduction en droit français (Loi sur l‘eau de 1992 et ses textes d‘application), la mise en place de moyens de stockage constitue un complément indispensable au traitement biologique pour permettre le respect des normes et objectifs.

Ces bassins ont en premier lieu un rôle hydraulique, dans la mesure où ils permettent de stocker les effluents supplémentaires apportés par temps de pluie et ainsi d‘éviter les débordements des réseaux. Ces bassins d‘orage ont également un rôle de dépollution : au sein de ces bassins, la pollution (essentiellement M ES et M O) décante et peut être reprise lorsque la capacité d‘écoulement du réseau est rétablie.

A titre d‘exemple, on peut prendre le cas du réseau intercommunal de la vallée de l‘Andlau (Bas-Rhin) qui comporte trois bassins d‘orage. Dans ce cas de figure, il a été estimé que 186 000 m3/an d‘eau issu de réseaux unitaires n‘était plus déversés dans le milieu naturel et que ce volume correspondait à 28 000 kg de DBO5/an. Comparée au 82 000 kg de DBO5/an de pollution domestique, cela représente 34 % d‘apports supplémentaires.

Ces résultats sont en accord avec ceux obtenus en Allemagne, où il a été mesuré que la mise en place de bassins d‘orage en station d‘épuration engendrait une augmentation d‘un tiers du poids des boues produites.

Il faut toutefois veiller à limiter les volumes de temps de pluie à traiter en station d‘épuration à 3 fois le débit sanitaire de temps sec de manière à ne pas déséquilibrer l‘effluent et à maintenir un niveau de traitement élevé sur la station d‘épuration, notamment sur la pollution azotée.

Fonctionnement des bassins d‘orage

La plupart des bassins d‘orage sont constitués de deux parties, une bâche de pompage et une bâche de stockage. Par temps sec, ou lors des petites pluies, les eaux pluviales transitent par la bâche de pompage en direction de la station d‘épuration. Au-delà, la bâche de stockage commence à se remplir.

Une fois la pluie terminée et le débit arrivant à la station revenu à la normale, on peut vidanger le bassin gravitairement ou au moyen de pompes. Cette vidange doit être assurée dans un délai de 24 heures maximum, afin de limiter les risques de septicité et des dégagements d‘odeurs.

Si la pluie se poursuit, on peut atteindre le niveau « haut » de la bâche de stockage et les effluents dilués (ayant subi une décantation sommaire) sont alors rejetés au milieu naturel.

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Afin d‘éviter une trop grande décantation et donc une vidange et un nettoyage difficile, des système de brassage sont mis en place, tels que les hydroéjecteurs ou les aéroéjecteurs.

L‘injection d‘air et/ou d‘eau permet de brasser l‘effluent et de maintenir les particules en suspension, de façon à pouvoir les reprendre lors de la vidange dans le système d‘assainissement ; ce qui limite les fréquences de nettoyage des bassins. Elle empêche également la fermentation anaérobie des eaux résiduaires et évite les nuisances olfactives propres à la dégradation des matières organiques.

Le nettoyage peut se faire de différentes manières :

- système de chasses automatiques, compartiments à clapet ou avec un auget basculeur (un volume d‘eau placé en hauteur est déversé brutalement pour rincer le radier).

- nettoyage manuel (balais et pelles).

- aspersion par rampes, lances d‘incendies, jet sous pression, etc.

- raclage du fond avec un pont racleur (voir photographie de gauche sur la couverture du présent rapport à la STEP de Port-en-Bessin dans le Calvados).

Les bassins d‘orage sont des ouvrages relativement simples dans leur conception et leur fonctionnement. Ils doivent en revanche être correctement dimensionnés.

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Le dimensionnement des bassins d‘orage

L‘instruction technique de 1977 propose deux méthodes de dimensionnement :

- la méthode des pluies

- la méthode des volumes

Ces méthodes ont pour objectif de faciliter le dimensionnement des bassins d‘orage. Toutefois, la présente étude a montré qu‘elles semblent relativement peu utilisés par les concepteurs (maîtres d‘Œuvre), qui préfèrent appliquer une pluie théorique (25 millimètres sur 24 heures par exemple) sur la surface active estimée lors des études de diagnostic qui précèdent généralement les travaux ; ce qui en pratique tiens davantage du calcul « de coin de table » que de la véritable étude d‘une pluie de projet comme on le verra plus bas. Mais cette remarque est à relativiser au regard des systèmes d‘assainissement étudiés (villes moyennes à petites et réseaux non maillés).

La méthode des pluies

Hypothèses :

Pour pouvoir appliquer cette méthode, il faut définir plusieurs hypothèses :

- le débit de fuite du bassin d‘orage est considéré comme constant ;

- on considère que le transfert est instantané entre la pluie et le bassin d‘orage, les phénomènes d‘amortissement qui résultent du ruissellement sur le bassin versant doivent être négligés (problème pour les bassins versants de grande taille) ;

- les évènements pluvieux sont indépendants, on ne prend donc pas en compte les périodes de temps sec lors du dépouillement.

Principe :

On se place sur une période de « p » années, ce qui donne un ensemble d‘évènements pluvieux. On calcule pour ces « p » années l‘intensité moyenne maximale annuelle im avec des intervalles de temps différents.

Ces valeurs de im sont classées de manière fréquentielle. On peut alors faire des courbes d‘intensités moyennes maximales en fonction d‘une fréquence ou période de retour différentes.

Il faut ensuite transformer les intensités en hauteur pour pouvoir calculer le volume du bassin (h= im* k. t), on obtient des courbes « enveloppes » qui permettent de faire le même travail de classement fréquentiel mais avec moins d‘approximation.

Ensuite, il faut calculer le débit spécifique :

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« Sa » est la surface active du bassin versant qui alimente le bassin d‘orage. Elle est calculée à partir de la surface totale et du coefficient d‘apport « Ca ».

On peut donc tracer, la hauteur précipitée pour une période de retour choisie h(k. t ;T) et l‘évolution des hauteurs d‘eaux évacuées (qs.k. t ) ; le tout en fonction des durées d‘évacuation (k. t ).

La différence h correspond au volume à stocker par rapport à une durée. Le h maximum équivaut donc au volume total à stocker que l‘on peut calculer de la manière suivante :

Il s‘agit au final d‘une méthode complexe qui nécessite des données locales spécifiques.

La méthode des volumes

Hypothèses :

Cette méthode de dimensionnement repose sur les hypothèses suivantes :

- le débit de fuite du bassin d‘orage est considéré comme constant ;

- on considère que le transfert est instantané entre la pluie et le bassin d‘orage, les phénomènes d‘amortissement qui résultent du ruissellement sur le bassin versant doivent être négligés (problème pour les bassins versants de grande taille).

Principe :

La différence de cette méthode avec celle des pluies réside dans le fait qu‘elle tente de mieux prendre en compte la répartition des évènements pluvieux. En ce qui concerne le dépouillement des données, la méthode consiste à tracer sur le même graphique la hauteur d‘eau précipitée cumulée et la hauteur d‘eau vidangée cumulée, le tout en fonction du temps.

Cela aboutit à une courbe différente de la méthode des pluies, mais son traitement reste identique : détermination des hmax puis établissement des courbes permettant d‘obtenir la hauteur spécifique et calcule du volume stocké à partir de la même formule.

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Il existe également d‘autres méthodes que celles préconisées par l‘Instruction technique de

1977 comme la méthode des débits.

La méthode des débits

Cette méthode n‘impose pas d‘hypothèse de base notamment sur le mod e de régulation des débits sortants.

Principe :

La méthode s‘appuie sur trois relations simples :

- une relation de conservation des volumes :

- une relation reliant le volume stocké à la hauteur d‘eau dans le bassin :

- une relation reliant le débit de sortie Qs(t) en fonction de la hauteur d‘eau dans le bassin :

On obtient, en résolvant ce système de trois équations, la hauteur d‘eau à stocker ainsi que le débit sortant.

Comparaison des méthodes

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Des études comparatives menées sur des stations pluviométriques à Montpellier et à Paris ont démontré que la méthode des volumes donnait des volumes de stockage supérieurs à la méthode des pluies, cela apparaît logique étant donné que la méthode des pluies ne prend pas en compte le fait qu‘une pluie peut survenir avant la fin de la vidange d‘un évènement précédent.

Par souci de simplification, il existe des abaques qui découlent de ces méthodes. Cependant, ils sont adaptés à des régions précises et leur fiabilité dépend du nombre de poste pluviométrique ainsi que de la durée des séries de mesures.

2.2 LES DÉGRILLEURS

But / utilisation

Le but du dégrilleur est de supprimer la majeure partie de la pollution visuelle de l’eau avant son arrivée dans des ouvrages tels que les bassins de retenue. En arrêtant les objets volumineux, il protège les ouvrages en aval des dysfonctionnements (colmatage, blocage) induits par leur intrusion. Il permet donc une concentration des déchets à un endroit où leur évacuation sera facile.

En aucun cas le dégrillage ne réduit la pollution (chronique, dissoute ou particulaire) de l’eau.

Principe

Le dégrilleur est un dispositif qui permet l’arrêt de déchets solides flottants de grandes dimensions (branches, bouteilles…) au moyen de grilles à barreaux.

Différents types de dégrillage sont définis selon l’espacement des barreaux.

Type de dégrillage Espacement des barreaux

Dégrillage fin : < 10 mm

Dégrillage moyen : 10 – 30 mm

Pré – dégrillage : 30 – 100 mm

Plusieurs dégrillages peuvent être associés en série. Pour les eaux de ruissellement, il s’agira en pratique dans la grande majorité des cas de pré-dégrillage suivi parfois de dégrillage moyen.

Emplacement

Les dégrilleurs sont généralement installés :

- en amont des bassins de retenue ; en effet, les riverains de ces bassins sont très sensibles à leur esthétique, paramètre essentiel à leur intégration, leur acceptation et à leur effet « valorisation » du site ;

- en amont des ouvrages de traitement au fil de l’eau (dessableurs, déshuileurs...) notamment en zone urbanisée où les déchets sont en abondance dans les eaux recueillies.

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Dimensionnement

Lors de fortes pluies le colmatage accéléré peut provoquer un débordement. Le dégrilleur devra être situé en amont du dispositif à protéger et devra aussi permettre le passage de l’eau par débordement en cas de colmatage.

Une grille génère une perte de charge hydraulique i(m), telle que :

i (m) = Ds *( e / E)4/3 *V²/2g

avec :

Ds : coefficient de forme des barreaux circulaire = 1,8 ; oblongue = 1,7

e : épaisseur des barreaux (m)

E : espace libre entre les barreaux (m), (écartement)

V : vitesse moyenne d’arrivée de l’eau

La vitesse de traversée de la grille ne doit pas être inférieure à 0,6 m/s afin d’obtenir l’application des matières sur la grille et d’éviter les dépôts de sables. La vitesse doit osciller entre 0,8 et 0,9 m/s et rester inférieure à 1,2 m/s en débit de pointe.

Calcul de la largeur de la grille :

Surface immergée :

S = Q de pointe/(V *q* C)

avec :

V : vitesse admise pour le débit Q considéré

C : coefficient de colmatage

q : coefficient de passage libre = E / [E + e]

La quantité de refus de dégrillage peut être variable selon la période de l’année et le secteur considéré au sein d’une même commune.

2.3 LES DESSABLEURS

But / utilisation

Le but de ce dispositif est de piéger les particules solides charriées par les eaux et les matières en suspension de granulométrie comprise entre 200 et 500 mm : sables, graviers, etc.

En retenant les sables qui sont associés aux polluants, le dessableur participe à la protection du milieu récepteur ; il permet également :

- d’éviter la détérioration des ouvrages situés en aval (usure des pièces mécaniques),

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- de limiter la réduction de la débitance des collecteurs.

Ainsi, l’implantation d’un dessableur diminuera les difficultés d’exploitation des réseaux et la quantité de sables rejetée dans le milieu.

Principe

Ouvrage constitué d’une chambre profonde, ce dispositif a été conçu pour arrêter les particules minérales les plus denses, essentiellement les sables et graviers mais aussi les débris de verres et de métaux.

Cette séparation gravitaire s’effectue par limitation de la vitesse horizontale des fluides qui doit être inférieure à la vitesse de chute des particules minérales.

Le dessableur assure donc le tri des particules denses et légères :

- en retenant au fond de la chambre de dessablement les particules minérales de densité sèche » 1,8 ;

- en laissant en suspension les matières organiques de densité » 1,2.

Emplacement

L’implantation d’un dessableur en réseau séparatif eaux pluviales est recommandée :

- en aval lorsque le réseau est long et à faible pente (contre sédimentation et obturation),

- à l’exutoire,

- en amont de certains ouvrages de traitement dont le fonctionnement pourrait être perturbé.

Dimensionnement

Le dessableur doit être conçu pour que la vitesse de l’eau à l’intérieur de l’ouvrage soit comprise entre 0,2 et 0,4 m/s.

La conception du dessableur se fait en fonction du choix de la taille des particules à éliminer (0,2 mm) et de leur pourcentage à éliminer (80 à 95 %).

L’élargissement de la section du collecteur permet une réduction de la vitesse de l’eau et également une régulation (utile pour les autres ouvrages en aval).

2.4 LES BASSINS D’INFILTRATION (OU D’ABSORPTION) ET DE FILTRATION

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But / utilisation

Le rôle des bassins de stockage infiltration est de réduire les volumes d’eau disponibles au ruissellement et de les restituer au milieu naturel par infiltration, permettant une dépollution des eaux par rétention des particules les plus fines.

L’infiltration vise l’évacuation des eaux dans le sol « naturel », la filtration est un traitement des eaux dans un matériau filtrant (sable généralement) avant évacuation dans le sol, un fossé, un ruisseau…

Principe

L’épuration des eaux se fait dans un premier temps par décantation, puis par traversée du substrat perméable qui retient les matières en suspension et les particules polluantes associées.

Ainsi, des eaux de qualité très peu altérée, s’infiltrent dans la nappe ou rejoignent l’exutoire (selon la technique utilisée).

L’infiltration utilise les propriétés du sol en place, dont la perméabilité doit être comprise entre 10-3 et 10-4 m/s. Après percolation dans le sol, les eaux épurées rejoignent la nappe phréatique qui doit se situer à au moins 1,2 mètre sous la couche d’infiltration (1,20 m de zone non saturée).

La filtration est basée sur la traversée d’une couche de sable posée sur un géotextile. Le choix du matériau filtrant est primordial, sa perméabilité doit être comprise entre 10-3 et 10-4 m/s (graviers : 10-3 à 10-1 m/s ; sables : 10-5 à 10-4 m/s).

Emplacement

Ces bassins peuvent être intégrés dans différents lieux :

- dans les espaces verts (dépressions naturelles ou artificielles),

- dans la voirie (places et parkings légèrement décaissés),

- dans un équipement collectif (stade, aire de jeux).

Leur création se conçoit de préférence sur un substrat très absorbant (pour éviter les eaux stagnantes). Si nécessaire, la perméabilité naturelle peut être améliorée par ajout de matériaux à forte granulométrie (sables et graviers).

On privilégiera l’infiltration pour des eaux peu polluées comme les eaux de toitures ou les eaux provenant des voiries de dessertes de lotissement ou de zones d’activités tertiaires (TABUCHI, 1999).

Dimensionnement

Pour le dimensionnement il faudra prendre en compte la perméabilité et la surface d’infiltration afin de déterminer le débit de fuite. Si ce débit est insuffisant par rapport aux apports, il faudra prévoir un volume de stockage dont la capacité est déterminée comme celle d’un bassin d’orage (TABUCHI, 1999).

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On peut se servir de la méthode des pluies (ou des volumes, etc.) pour calculer le volume du bassin d’orage, et l’adapter avec la loi de Darcy. En effet, il faudra remplacer le débit Q par le débit d’infiltration Qi tel que :

Qi = k *´ i *´ A.

Avec :

Qi = débit d’infiltration en m3/s

k = perméabilité en m/s

i = gradient hydraulique = 1m/m en milieu non saturé

A = surface d’infiltration m²

2.5 Stratégies de dépollution des eaux pluviales de ruissellement.

Connaissant les quantités moyennes de micro-organismes véhiculées par les eaux de ruissellement ainsi que les textes fixant les concentrations, il paraît inconcevable de rejeter ces eaux dans des milieux tels que les zones de baignade, de conchyliculture et de loisirs nautiques sans traitement.

Quelle que soit la source des eaux de ruissellement recueillies, lorsque l’exutoire est : une zone de pêche, de conchyliculture, d’ostréiculture, de pisciculture ou de baignade, il faudra :

- soit envisager une déviation de l’exutoire vers la nappe phréatique après infiltration;

- soit faire de la filtration sur sable afin de restituer une eau de qualité adaptée au milieu récepteur.

Pour les exutoires sans usage particulier, il faudra adapter au cas par cas les modes de dépollution des eaux de ruissellement selon le milieu émetteur.

Deux cas sont proposés pour les exutoires sans usages particuliers :

- le cas d’un cours d’eau tel un fleuve ou une grande rivière où la dilution permet le rejet d’effluents peu traités ;

- le cas d’un petit cours d’eau très sensible.

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Zone industrielle

Routes et autoroutes

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Zone urbaine

Lotissements

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CONCLUSION

De nombreux facteurs conditionnent le choix du dispositif à employer : le type de pollution à traiter, les possibilités financières et foncières du maître d’ouvrage, la localisation géographique du lieu d’implantation, etc. Néanmoins, il a été possible de mettre en œuvre un schéma type de combinaisons de procédés pour différents milieux récepteurs.

L’ensemble des procédés décrits et proposés permettent la rétention des polluants, les eaux sont ainsi épurées mais la pollution n’est pas pour autant éliminée. Les éléments polluants ont été concentrés sous forme de dépôts qui sont généralement acheminés actuellement vers les centres de stockage de déchets de classe II.

La qualité de eaux pluviales de ruissellement peut aussi être aussi améliorée en diminuant le temps de ruissellement sur les surfaces imperméables ainsi qu’en réduisant les flux de polluants en amont et notamment par le balayage des voiries.

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Bibliographie

Hélène Blanchard : ‘’ Pour la gestion des eaux pluviales : Stratégie et solutions techniques ‘’ ;

MÉMOIRE DE FIN D’ÉTUDES IUP 3 – Promotion EGID 2000, Hélène HACHE : « DÉPOLLUTION DES EAUX PLUVIALES : Quels dispositifs pour une stratégie optimisée ? » ;

« LES HYDROCARBURES DANS LES EAUX PLUVIALES SOLUTIONS DE TRAITEMENT ET PERSPECTIVES »: GROUPE DE RECHERCHE RHONE-ALPES SUR LES INFRASTRUCTURES ET L’EAU ;

« Maîtrise des rejets urbains de temps de pluie en Basse-Normandie : Bilan des travaux réalisés, enquête sur le fonctionnement des ouvrages, évaluation des équipements d’autosurveillance en place et prospectives. » : Rapport de stage Licence professionnelle de Mr GUILLAUME Matthieu ;

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