Soutenance mémoire
Typologie des ouvrages végétalisés de gestion à la source des eaux de ruissellement de voirie
Généralités
Les techniques alternatives de gestion des eaux pluviales sont conçues pour maintenir le cycle hydrologique naturel. Ces techniques visent à compenser l’imperméabilité globale d’un bassin versant (Freni et Oliveri, 2005). A l’échelle locale, les précipitations sont gérées près de l’endroit où elles tombent, ce qu’on appelle en d’autres termes gestion « à la source » des eaux pluviales pour une gestion durable. Ces mesures de contrôle à la source sont utilisées comme solution efficace et prometteuse pour réduire les effets de l’urbanisation (Davis et al., 2012; Han et al., 2005). Dans ce contexte, plusieurs pratiques existent avec des fonctionnements différents selon les objectifs visés.
Typologie
Les ouvrages végétalisés de gestion à la source des eaux pluviales peuvent être classifiés suivant leur rôle. Certains ont des fonctions purement hydrologiques, d’autres visent en plus la réduction des flux polluants. Ils peuvent répondre à 6 fonctions /processus principales : stockage et rétention, infiltration, imperméabilisation, prétraitement, transport et dépollution. Sur la base de ces fonctions, les structures végétalisées les plus répandues sont décrites dans le Tableau 1.1. Leurs principales fonctions d’usage, les enjeux, leur rôle en termes de dépollution, leur application ainsi que la surface du bassin versant contributif sont également présentés. Dans les zones fortement urbanisées, certains ouvrages de stockage et de rétention, tels que les bassins de rétention secs et humides, ne sont pas applicables. Ceci est dû à la surface requise par ce type d’ouvrages ainsi qu’à la surface du bassin versant nécessaire au bon fonctionnement de celui-ci. Les ouvrages d’infiltration nécessitent un sol perméable pour garantir un bon fonctionnement. Leur principal objectif est de gérer les eaux de ruissellement et de contribuer à la recharge des nappes phréatiques. Les pratiques de désimperméabilisation telles que les revêtements perméables et les toitures végétalisées visent notamment la diminution des surfaces imperméables et un retour à la situation de pré-développement. Elles sont principalement utilisées pour réduire le volume des précipitations, empêchant ainsi l’eau de pluie qui transporte des polluants de s’écouler dans les réseaux d’assainissement et d’atteindre les milieux récepteurs superficiels. Parmi ces ouvrages, les bandes enherbées et les noues sont souvent utilisées pour gérer le ruissellement des voiries. Les bandes enherbées peuvent servir de prétraitement pour assurer un traitement partiel de l’eau qui s’écoule dans une autre structure telle que les systèmes de biorétention.
Les bandes enherbées
Les bandes filtrantes végétalisées ou les bandes enherbées appelées » vegetated filter strip » ou » buffer strip » dans les guides étrangers, sont des espaces verts, situés entre la source et un milieu récepteur. En raison de l’espace requis par ces ouvrages, elles ne sont pas applicables dans les zones fortement urbanisées. Cette zone végétalisée à pente modérée, est alignée perpendiculairement à la direction du ruissellement et adoptée pour améliorer les caractéristiques hydrologiques et la qualité des eaux. Ces pratiques ont d’abord été appliqués dans les zones agricoles (Lacas et al., 2012, 2009; Popov et al., 2006; Reichenberger et al., 2007), avant de devenir une pratique répandue dans les zones urbaines (García-Serrana et al., 2017; Hunt et al., 2010), en tant que dispositifs de traitement ou de prétraitement. Elles peuvent être associées à d’autres techniques alternatives (Clar et al., 2004). Des fossés filtrants / infiltrants, des noues et des ouvrages de biorétention peuvent être placés en aval de ces bandes pour augmenter l’efficacité hydrologique de ce système en termes de volumes et de débits. Les bandes enherbées sont couramment mises en œuvre le long des autoroutes, des voiries (Figure 1.1), et aussi pour gérer les eaux des ruissellements des parkings et des toitures (Prince George’s County, 1999). Dans ce cas l’arrivée de l’eau dans l’ouvrage sera ponctuelle. Elles sont fortement recommandées en bordure des voiries (WVSMD, 2012), surtout si la médiane ou les bordures de celle-ci sont suffisamment larges pour garantir un bon fonctionnement de l’ouvrage. Concernant leur rôle hydrologique, les bandes enherbées permettent de ralentir la vitesse de ruissellement, atténuant ainsi les débits de pointe. De plus, elles favorisent l’infiltration de l’eau dans le sol, donc la recharge de la nappe phréatique et la réduction des volumes de ruissellement. L’évapotranspiration assurée par la végétation contribue également à réduire le volume des eaux de ruissellement. Au delà de ces objectifs, les bandes enherbées pourraient assurer un traitement efficace des polluants, en particulier des polluants particulaires, par filtration, sédimentation, et activité biologique et chimique (Barrett et al., 1998). Pour atteindre ces objectifs, il faut un flux à lame mince et uniforme sur toute la bande. En effet, les bandes enherbées ne sont pas conçues pour recevoir les flux canalisés et à haut débit. Ces flux entraînent une diminution de son pouvoir épurateur et de ses performances hydrologiques (Le Bissonnais et al., 2004a). À cette fin, un répartiteur de débit peut être utilisé pour répartir uniformément le ruissellement entrant sur la bande.
Les noues d’écoulement
Les noues d’écoulement, appelées « Grassed swales » dans les guides étrangers, sont des pratiques traditionnelles de gestion des eaux pluviales avec un coût faible (Clar et al., 2004). Ces pratiques ont été conçues historiquement pour transporter l’eau des pluies inférieures à la pluie de projet (Schueler, 1994). Leur rôle a ensuite évolué pour inclure la gestion de la quantité et de la qualité de l’eau (Ackerman and Stein, 2008; Bäckström, 2002; Deletic, 2001; Rushton, 2001). Ces noues sont plantées avec de l’herbe, elles ont un fond plat et une légère pente (Figure 1.2). Elles peuvent combiner une fonction de collecte et de transport, et des fonctions secondaires de rétention / infiltration d’eau et dépollution. Il existe deux types de noues d’écoulement, les noues sèches et les noues humides (Prince George’s County, 1999). La noue sèche contrôle à la fois la quantité et la qualité de l’eau en réduisant le volume par infiltration. Les noues humides, grâce au fait qu’elles permettent un temps de séjour plus long de l’eau, assurent la réduction des débits de pointe et permettent notamment le traitement de la qualité des eaux. Le ralentissement de la vitesse de ruissellement assuré par la noue contribue à la filtration des sédiments et des polluants, et aussi à l’infiltration de l’eau dans le sol sous-jacent. Si la noue est large, des diffuseurs d’écoulement peuvent être placés en amont pour assurer un écoulement uniforme et empêcher la formation de canaux d’écoulement dans le fond. Il est possible aussi que l’eau rentre dans la noue par le côté, parallèlement à la voirie, pour assurer le ruissellement uniforme tout au long de la noue. L’eau sort de la noue par infiltration vers le sol sous-jacent ou bien par un exutoire (Guide Région Rhône-Alpes, 2006).
Les noues filtrantes / ouvrages de biorétention
Les noues filtrantes ou ouvrages de biorétention appelés « Bioretention systems» dans les guides étrangers, sont des fossés peu profonds formés par un massif filtrant visant la gestion de la quantité et de la qualité des eaux de ruissellement. Ces ouvrages sont bien adaptés aux zones fortement urbanisées, de type commerciales, résidentielles et industrielles (Dietz, 2007; Prince George’s County, 1999). Elles peuvent être installées le long de voiries et alimentées directement par les eaux de ruissellement ou par un tuyau (Figure 1.3). Une zone de stockage d’eau et une végétation dense peuvent être conçues pour augmenter l’efficacité hydrologique et le traitement de cet ouvrage (Davis et al., 2009). L’eau infiltrée peut être collectée par un système de drainage au fond de l’ouvrage ou exfiltré vers le sol sous-jacent (Heasom et al., 2007; Payne et al., 2015). Un drain est recommandé si le sol sous jacent n’est pas très perméable (Lucas, 2009). Ces ouvrages assurent une rétention efficace des eaux de ruissellement en réduisant le volume du ruissellement et en écrêtant les débits de pointe (Davis, 2008; Hunt et al., 2006). Ceci est réalisé par l’infiltration et l’exfiltration de l’eau dans le sol ainsi que par l’évapotranspiration vers l’atmosphère. Ces dispositifs ont également un rôle épurateur consistant à éliminer les polluants contenus dans les eaux de ruissellement, notamment par adsorption et filtration (Brown and Hunt, 2011a).
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Table des matières
INTRODUCTION GENERALE
Contexte
Objectifs de la thèse
Projets de recherche
Structure du manuscrit
PARTIE 1. ETAT DE L’ART
1 .1 Typologie des ouvrages végétalisés de gestion à la source des eaux de ruissellement de voirie
1.1.1 Généralités
1.1.2 Typologie
1.1.3 Les bandes enherbées
1.1.4 Les noues d’écoulement
1.1.5 Les noues filtrantes / ouvrages de biorétention
1 .2 Les processus hydrologiques mis en jeu
1.2.1 Les différents composants du bilan hydrologique
1.2.2 Formation de ruissellement : flux de surface
1.2.3 Infiltration de l’eau dans le sol : Flux infiltré.
1.2.4 L’évapotranspiration : flux évapotranspiré
1.2.5 Ecoulement dans le drain : flux drainé
1.2.6 Flux de surverse
1 .3 Conception des ouvrages végétalisés de gestion à la source des eaux pluviales
1.3.1 Généralités sur la conception des ouvrages végétalisés
1.3.2 Conception des bandes enherbées
1.3.2.1 Lignes directrices générales pour la conception des bandes enherbées
1.3.2.2 Outils de conception et dimensionnement des bandes enherbées
1.3.3 Conception des noues d’écoulement
1.3.3.1 Lignes directrices générales pour la conception des noues d’écoulement
1.3.3.2 Outils de conception et dimensionnement des noues d’écoulement
1.3.4 Conception des noues filtrantes / ouvrages de biorétention
1.3.4.1 Lignes directrices générales pour la conception des noues filtrantes
1.3.4.2 Outils de conception et dimensionnement des noues filtrantes
1 .4 Suivis expérimentaux de la performance hydrologique des ouvrages végétalisés de gestion des eaux pluviales : Méthodes et résultats
1.4.1 Généralités sur l’évaluation de la performance hydrologique de ces systèmes : indicateurs de performance
1.4.2 Performances hydrologiques expérimentales des bandes enherbées
1.4.3 Performances hydrologiques expérimentales des noues d’écoulement
1.4.4 Performances hydrologiques expérimentales des noues filtrantes / ouvrages de biorétention
1.4.5 Bilan sur la performance hydrologique expérimentale des ouvrages de gestion des eaux pluviales
1 .5 Modélisation hydrologique des ouvrages de gestion des eaux pluviales
1.5.1 Typologie des modèles
1.5.2 Modélisation hydrologique des bandes enherbées
1.5.2.1 Les différents modèles hydrologiques
1.5.2.2 Limitations des modèles
1.5.3 Modélisation hydrologique des noues filtrantes / ouvrages de biorétention
1.5.3.1 Les différents modèles hydrologiques des noues filtrantes/ ouvrages de biorétention System)
1.5.3.2 Modélisation sous HYDRUS 2D/ HYDRUS 2D-3D
1.5.3.3 Limitations des modèles
PARTIE 2. METHODES EXPERIMENTALES
2 .1 Dispositif expérimental
2.1.1 Choix des sites d’étude
2.1.2 Sites d’études
2.1.2.1 Situation Générale
2.1.2.2 Bassin versant étudié
2.1.2.3 Bande enherbée 1
2.1.2.4 Bande enherbée 2
2.1.2.5 Noue filtrante
2.1.3 Equipements des sites
2.1.3.1 Mesure de la pluie et évaluation de l’évapotranspiration
2.1.3.2 Suivi des eaux de ruissellement de voirie
2.1.3.3 Mesure du débit
2.1.3.4 Mesure de la teneur en eau et du potentiel matriciel
2 .2 Analyse des incertitudes associées à la mesure des propriétés hydrauliques du sol et de son état hydrique
2.2.1 Introduction
2.2.2 Article variabilité spatiale des propriétés hydrauliques du sol
2.2.3 Article Calibration des capteurs de teneur en eau
2.2.4 Conclusions
2 .3 Bilan des données acquises et validation
2.3.1 Acquisition des données
2.3.2 Validation des données et base de données finale
2.3.2.1 Validation des séries pluie / débit
2.3.2.2 Lissage de la série de pluie et d’ETP
2.3.2.3 Validation du débit de surverse
2.3.2.4 Validation des teneurs en eau et des tensions
2.3.2.5 Délimitation des événements hydrologiques
PARTIE 3. EVALUATION EXPERIMENTALE DE LA PERFORMANCE HYDROLOGIQUE D’UNE NOUE FILTRANTE
3 .1 Introduction
3 .2 Reconstitution des données manquantes sous US EPA SWMM
3.2.1 Introduction
3.2.2 Méthodologie
3.2.2.1 Description du modèle SWMM
3.2.2.1 Configuration des systèmes modélisés
3.2.2.2 Stratégie de calage du modèle
3.2.3 Résultats
3.2.3.1 Sensibilité du modèle par rapport aux paramètres
3.2.3.2 Erreur sur l’estimation des débits de pointe
3.2.3.3 Estimation du débit entrant dans la noue filtrante pour la chronique complète
3 .3 Indicateurs de la performance hydrologique et bilan hydrique de la noue filtrante
3.3.1 Caractéristiques des évènements pluvieux
3.3.2 Abattement de volume
3.3.2.1 Définition et calcul
3.3.2.2 Efficacité hydrologique de la noue en termes de volume
3.3.3 Proportion surversée
3.3.3.1 Définition et Calcul
3.3.3.2 Efficacité hydrologique de la noue en terme de surverse
3.3.4 Abattement et distribution des débits
3.3.4.1 Définition et Calcul
3.3.4.2 Efficacité hydrologique de la noue en terme de débit
3.3.4.3 Distribution des débits
3.3.5 Fonctionnement Hydraulique
3.3.5.1 Définition et Calcul
3.3.5.2 Résultats du fonctionnement hydraulique
3.3.6 Variabilité spatiale de la teneur en eau et stockage dans le sol
3.3.6.1 Variabilité spatiale de la teneur en eau dans la noue
3.3.6.2 Volume de stockage dans le sol
3.3.7 Bilan hydrique
3.3.7.1 Bilan hydrique évènementiel
3.3.7.2 Bilans hydriques saisonnier et annuel
3.4 Conclusions
CONCLUSION
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