<figure><img src="image_121.png" /><figcaption>**Photo 1** : Exemple d'ajustement morphologique d'une rivière du bassin de l'Yzeron (source : O. Novratil) : le lit du cours d'eau est fortement incisé, avec une forme typique en « U », les berges sont fortement érodées et abruptes, laissant alors apparaître les racines de la végétation rivulaire.</figcaption></figure>

La capacité d'autoépuration des cours d'eau urbains tend aussi à diminuer, du fait de la moindre diversité des faciès géomorphologiques. Ces cours d'eau deviennent alors beaucoup plus sensibles aux rejets urbains. Enfin, à l'aval des tronçons incisés, on peut parfois observer des dépôts de sables importants, qui s'ajoutent aux pollutions des rejets urbains et entraînent des impacts écologiques importants (ex. colmatage).

## Les causes de ces incisions expliquées à travers l'exemple du bassin versant de l'Yzeron dans l'ouest Lyonnais

### Une rivière très sensible aux phénomènes d'incision

Le bassin versant de l'Yzeron présente actuellement des zones urbaines très denses dans sa partie aval à proximité de Lyon. des zones périurbaines moins denses et plus morcelées dans

sa partie médiane, et des zones restées rurales en amont. Une série de cartes d'occupation du sol établie pour la période 1904-2000 (Cottet, 2005) montre que le bassin de l'Yzeron était très rural au début du xxᵉ siècle, et jusque dans les années 1950-1960, avec de nombreuses prairies et surfaces de labour (figure 2). Des analyses sédimentologiques et des datations effectuées dans les berges de ruisseaux incisés montrent que de très grandes quantités de sédiments ont été exportées de ces zones de labour et ont lentement comblé le fonds des vallons par des matériaux très sableux et facilement remobilisables (Delile et al., 2016). Avec la déprise rurale de la seconde partie du xxᵉ siècle, les surfaces agricoles ont nettement diminué et les forêts ont recolonisé les versants. Les apports sédimentaires provenant des labours ont alors fortement diminué, entraînant de nombreuses incisions de la rivière ; les plus spectaculaires se trouvant en tête du bassin, dans les anciens dépôts sableux. Ainsi, près d'un tiers des incisions (en pourcentage de la longueur totale des tronçons

<figure><img src="image_122.png" /><figcaption>**Figure 1** : Impact de l'incision des cours d'eau.
(Source : dessins de Philippe Coque pour Frane).</figcaption></figure>
<caption>**Figure 2 :** Évolution de l'occupation des sols de 1904 à nos jours sur le bassin versant de l'Yzeron : boisements, prairies, labours, friches et urbanisation.</caption>

Source: Groprêtre (2012) d'après Cottet (2005).

<figure><img src="image_123.png" /></figure>

incisés) se situe dans les Monts du Lyonnais où l'urbanisation s'est très peu développée (Groprêtre, 2011). Ces éléments historiques expliquent la très grande sensibilité de l'Yzeron et de ses affluents aux phénomènes d'incision.

## L'imperméabilisation et les déversoirs d'orage en causes

Depuis les années 1960-1970, les populations urbaines se déplacent vers les zones rurales et s'y implantent durablement. La surface urbanisée du bassin de l'Yzeron passe ainsi de 21 % en 1970 à 36 % en 2008. Sur ces surfaces bâties, l'infiltration et l'évapotranspiration diminuent, tandis que les volumes d'eau ruisselée augmentent significativement. Ces eaux pluviales sont alors en partie récupérées par un réseau d'assainissement unitaire équipé de déversoirs d'orage pour le délester. Le bassin de l'Yzeron compte au total 70 déversoirs d'orage qui se déclenchent plusieurs fois par an. L'impact de ces rejets sur le régime des crues est très important. Des mesures hydrométriques montrent que les débits de crues fréquentes peuvent être multipliés par plus de 3 ou 4 à l'aval de déversoirs d'orage.

Cette augmentation de l'intensité des crues fréquentes a alors des conséquences importantes sur les flux sédimentaires et la morphologie des cours d'eau urbains. En effet, ces crues sont par définition très morphogènes, c'est-à-dire qu'elles sont responsables de l'essentiel du transport sédimentaire pluri-annuel et façonnent de ce fait, sur le long terme, la morphologie du cours d'eau (son gabarit, la longueur d'onde de ses méandres et les alternances seuils-mouilles). L'augmentation de l'intensité de ces crues fréquentes est un élément d'explication des incisions importantes constatées à l'aval des surfaces urbanisées (Groprêtre, 2011).

Un second facteur très pénalisant est la présence des déversoirs d'orage. Les eaux rejetées par ces ouvrages sont très faiblement chargées en sédiments grossiers (graviers, galets), généralement charriés par la rivière et qui façonnent sa morphologie. Les cours d'eau dans lesquels ces eaux pluviales se déversent, se trouvent alors en situation

de déficit sédimentaire, accélérant ainsi les processus d'érosion des sédiments de la rivière elle-même, et donc son incision et son élargissement: on parlera alors de « hungry water », littéralement « les eaux affamées » en sédiments. Un nouvel équilibre hydromorphologique est rarement atteint sur ces cours d'eau, même plusieurs années après l'imperméabilisation du bassin versant.

## Les apports de l'OTHU pour diagnostiquer et expliquer ces phénomènes d'incisions

### Première méthode: la mesure du transport de sédiments

Pour diagnostiquer ces ajustements morphologiques, une première approche consiste à mesurer et à comparer le transport solide par charriage de cours d'eau situés dans des contextes contrastés en termes d'urbanisation (ex. un site périurbain et un site rural), mais présentant toutefois des similarités d'un point de vue géologique, climatologique, pente, taille de bassin versant<fnref n="1" />. Toutefois ces études sont rares car très difficiles à mener: elles impliquent la réalisation de mesures pendant plusieurs années avant les changements d'occupation des sols (ou période de calage), puis plusieurs années après les aménagements, le temps que les ajustements morphologiques se produisent. Les seuls exemples disponibles dans la littérature vont dans le sens d'une production sédimentaire plus importante des cours d'eau urbains. Les travaux de Groprêtre (2011), menés dans le cadre de l'OTHU sur le bassin de l'Yzeron, ont également permis de montrer que les incisions constituaient une source importante de sédiments fins et contribuaient à la dégradation, par colmatage et ensablement des écosystèmes des cours d'eau situés en aval. Diverses recommandations opérationnelles ont alors été formulées pour limiter ces impacts.

<footnote n="1">¹ Cette méthode dite « des bassins versants appariés » a été introduite en hydrologie pour comparer, sur le long terme, les effets de changement d'occupation des sols *ceteris paribus*.</footnote>
**Figure 3** : Exemple de deux sites, en milieu rural et en milieu périurbain présentant des surfaces de bassin équivalentes. Le cours d'eau périurbain présente une largeur et une hauteur de lit mineur plus importantes.

<figure><img src="image_124.png" /></figure>

Site rural : Yzechau
Surface BV : 22 km<fnref n="2" /> - Urbanisation : 1,1 %

Site périurbain : Ratier
station Surface BV : 17,4 km<fnref n="2" /> - Urbanisation : 7 %

## Deuxième méthode: l'étude de la morphologie du cours d'eau

Une autre méthode consiste à comparer, à l'échelle d'une région présentant des caractéristiques climatiques et géologiques similaires, la morphologie de cours d'eau situés dans des contextes d'occupation des sols à dominante rurale et urbaine. Par exemple, la figure 3 présente deux tronçons associés à des surfaces de bassin versant équivalentes, mais présentant un taux d'urbanisation différent. Une nette différence de morphologie apparaît déjà visuellement : le cours d'eau périurbain présente une largeur et une hauteur de lit mineur bien plus importantes que le site rural, à surface de bassin comparable. Une approche régionale a donc été développée puis appliquée sur le bassin de l'Yzeron (Navratil et al., 2013). 19 tronçons de cours d'eau ont été choisis avec des tailles de bassins versants et des taux d'urbanisation contrastés. Sur ces tronçons, des mesures topographiques et hydrauliques ont été réalisées sur 10 à 20 sections en travers pour estimer différents indicateurs hydromorphologiques. Une analyse statistique de ces données nous a permis, dans le cas de l'Yzeron, d'identifier quatre variables discriminant selon des critères hydromorphologiques, les cours d'eau ruraux de cours d'eau urbains. En moyenne, les cours d'eau urbains du bassin de l'Yzeron sont 30 % plus large et plus profond que les cours d'eau ruraux, avec un débit de pleins bords<fnref n="2" /> 80 % plus important, et un lit mouillé d'étiage 50 % plus large. Aucune différence n'a été identifiée pour les variables de pente et de granulométrie des sédiments présents du fond du lit mineur.

## Il faut diminuer les rejets aux petits cours d'eau pour réduire leur incision

Nous avons aussi mis en évidence que l'intensité des incisions augmentait avec le taux d'imperméabilisation du bassin de chaque cours d'eau. Enfin, même si les élargissements et les incisions touchent indifféremment les petits cours d'eau et les plus grand cours d'eau, les incisions les plus importantes se localisent toutefois sur les plus petits cours d'eau situés à l'aval de déversoirs d'orage ou de buses de rejet routier.
Ainsi, des mesures de réduction des incisions passeront prioritairement par une diminution significative des rejets dans

ces petits cours d'eau urbains. Une difficulté du diagnostic réside toutefois dans le fait de savoir si les incisions observées sont liées à l'urbanisation ou à un effet conjugué d'autres phénomènes, comme l'histoire pluri-séculaire de l'occupation des sols des surfaces drainées évoquée précédemment (Groprêtre, 2011). De ce fait, quantifier ces ajustements reste une démarche complexe reposant sur une connaissance fine du terrain et du contexte historique du bassin versant.

## Imperméabilisation des sols et intensités des crues

De nombreuses études issues de la littérature scientifique (ex. Hollis, 1975) ont montré que les régimes des crues étaient inégalement affectés par l'imperméabilisation des sols. Alors que l'intensité des crues très fréquentes (< 1 an) est multipliée par 20, celle de la crue annuelle est multipliée par 10, et celle de la crue décennale par 3. L'explication est la suivante : lors de ces évènements hydrologiques rares, les sols non artificialisés sont saturés en eau et se comportent alors comme des sols imperméables. Ces résultats ont été confirmés sur l'Yzeron.

## POUR ALLER PLUS LOIN

* Chin A., Gregory K.J., (2005). *Managing urban river channel adjustments*. Geomorphology 69, 28-45 – lc.cx/chin2005

* Gregory K.J., (2002). *Urban channel adjustments in a management context: an Australian example*. Environ. Manage. 29, 620-633 – lc.cx/gregory2002

<footnote n="2">² C'est-à-dire, le débit juste avant le débordement de l'écoulement du lit mineur dans la plaine alluviale.</footnote>
Infiltration 7

L'infiltration comme mode de drainage des eaux pluviales (EP) en milieu urbain ou périurbain est aujourd'hui fortement plébiscitée. Mais alors que l'eau a été canalisée pendant des décennies pourquoi ce changement de pratiques serait-il promu aujourd'hui ? Quel intérêt et risques potentiels pourraient-elle présenter ? C'est un champ que l'OTHU a largement exploré et de manière originale en étudiant la circulation des eaux de pluie alimentant les dispositifs d'infiltration de leur production (eau de ruissellement) jusqu'à leur impact sur les sols et les nappes.

Dans les questions suivantes nous abordons plus en détails les résultats obtenus sur l'OTHU notamment ceux liés au colmatage, à la plus-value de la végétation et à la biodiversité pouvant être associée. Les aspects liés à la pollution sont abordés à la question 7-2, mais les impacts sur la nappe sont disponibles au chapitre 6.
# Pourquoi infiltrer les eaux pluviales ?

Sylvie Barraud, Hélène Castebrunet, INSA Lyon

Le recours aux techniques d'infiltration est aujourd'hui en plein essor, que ce soit en France ou à l'étranger. Ce regain d'intérêt a vu naître en parallèle une crainte du potentiel de pollution des eaux souterraines, ainsi qu'un risque d'aggravation des inondations en cas d'événements pluvieux très intenses. Pourtant, l'infiltration des eaux pluviales permet de limiter les conséquences négatives de l'urbanisation et de se prémunir des risques bien réels induits par le système de gestion classique "tout tuyau".

## L'urbanisation perturbe les processus naturels de circulation des eaux de pluie

e regain d'intérêt pour l'infiltration vient, en partie, en réaction aux modes d'urbanisation et de gestion des eaux pluviales (EP) traditionnels: imperméabilisation massive, collecte des eaux des surfaces imperméables, canalisation et évacuation rapide de ces eaux vers des réseaux de conduites puis vers les milieux superficiels. Les schémas de la figure 1, largement présents dans toute la littérature, illustrent à grands traits la répartition des flux d'eau avant et après urbanisation. Ils montrent notamment une baisse drastique de l'infiltration dans le sous-sol, aussi bien de l'infiltration profonde qui permet l'alimentation de la nappe phréatique quand elle existe, que l'infiltration de sub-surface contribuant à l'alimentation de la végétation et/ou des eaux de surface (ex.: rivières). Le mode traditionnel de gestion des EP entraîne également une augmentation importante des flux issus du ruissellement qu'il

<figure><img src="image_125.png" /><figcaption>Figure 1 : Principaux processus quantitatifs liés au cycle de l'eau en milieu urbain entre surface naturelle et urbanisée. Les pourcentages sont donnés à titre indicatif (source : FISRWG (1998) traduite). Les chiffres présents sur la figure donnent des tendances mais ne sont pas à prendre au pied de la lettre.</figcaption></figure>

## Surface naturelle
faut alors gérer et évacuer dans un milieu construit et rendu plus vulnérable aux inondations. Enfin, l'urbanisation induit une diminution de l'évapotranspiration, principalement en raison de la réduction du couvert végétal en milieu urbain.

## Infiltrer pour reproduire le cycle naturel des eaux pluviales

Quantitativement, l'idée d'infiltrer les eaux de pluie présente donc l'avantage de reproduire les processus naturels de circulation des eaux de pluie et permet de :

* limiter ce qui est susceptible de produire des inondations en ville, c'est à dire les débits de pointe (quantité d'eau importante arrivant en des temps très courts) et les volumes de ruissellement à gérer;

* contribuer à la recharge des nappes phréatiques qui sert à d'autres usages (irrigation, alimentation en eau potable, soutien au réseau hydrographique de surface etc.);

* contribuer à infiltrer et stocker les eaux pluviales dans les premiers horizons du sols pour les événements pluvieux les plus fréquents;

* soulager les systèmes à l'aval, limiter la fréquence des rejets des déversoirs d'orages et la dégradation des eaux de surface;

* créer des conditions favorables à la réintroduction de la végétation en milieu urbain (figure 2). Les dispositifs d'infiltration étant en effet souvent végétalisés, ils permettent de favoriser l'évapotranspiration et de contribuer à produire des îlots de fraîcheur lors d'épisodes de fortes chaleurs ou encore d'accroître ou maintenir la biodiversité.

Les solutions à la source sont généralement dimensionnées pour des événements pluvieux courants. En ralentissant l'écoulement, elles contribuent à rendre l'eau plus souvent lisible dans le paysage urbain ; même si leur rôle dans la gestion des événements extrêmes est moindre, elles n'aggravent pas les risques d'inondation par ruissellement ou par débordement de réseaux.

## Infiltrer pour réduire les flux polluants

En ruisselant sur les surfaces urbaines, les eaux pluviales se chargent en divers polluants. Ainsi, le regain d'intérêt pour l'infiltration a-t-il vu naître en parallèle une crainte

<figure><img src="image_126.png" /></figure>

75 %-100% de surface imperméabilisée
<figure><img src="image_127.png" /><figcaption>**Figure 2** : Divers systèmes d'infiltration intégrés à l'aménagement (© Graie - UCBL).</figcaption></figure>

du potentiel de pollution chimique ou de contamination bactérienne des eaux souterraines.

Cependant, nous avons montré dans l'OTHU que, sur le plan de la gestion des polluants, l'idée d'infiltrer les eaux de pluie présente de nombreux avantages. **Infiltrer permet**:

* **de limiter le lessivage des surfaces et l'entraînement des polluants** : ceci est particulièrement vrai pour les dispositifs d'infiltration des eaux pluviales à la source;

* **de limiter les quantités d'eau issues du ruissellement et donc les quantités de polluants acheminées vers les exutoires (réseaux ou eaux de surface).** Les systèmes d'infiltration qui sont souvent végétalisés et composés de terres végétales retiennent particulièrement bien les eaux des petites pluies fréquentes, contribuant ainsi à rejeter de faibles quantités d'eau et de polluants en sortie d'ouvrage.
Par exemple, sur le campus Lyontech La Doua, le maître d'ouvrage a mis en place divers dispositifs de gestion des eaux pluviales par infiltration dont une noue végétalisée expérimentale drainant un parking présentant une partie en enrobé classique et une partie en stabilisé<fnref n="1" /> partiellement perméable. Ce site, sur 2 ans et demi d'observation, montre que ce système intercepte 98% des pluies de hauteurs totales précipitées inférieures à 15 mm, sans restitution d'eau par infiltration de fond.

* de contribuer à « filtrer » les polluants comme les métaux lourds ou les hydrocarbures, avec un piégeage superficiel détectable et peu dépendant du type de sol et de limiter la propagation des polluants métalliques ou des hydrocarbures vers les nappes phréatiques.

Les processus physiques, physicochimiques ou biologiques liés au passage de l'eau dans les matériaux formant le corps des ouvrages (notamment les substrats végétalisés) ou le sol support, peuvent constituer un atout pour le traitement des eaux pluviales, notamment pour une majorité d'hydrocarbures et de métaux lourds (voir Question 7-2 *Quel rôle joue le sol dans le piégeage des polluants ?*).

Attention cependant aux polluants dissous comme les pesticides qui, pour des systèmes centralisés (bassins d'infiltration par exemple), ne sont pas piégés et peuvent percoler. Il n'y a, pour eux, pas d'autres solutions que de réduire leur usage dans ces situations.

## Et chez moi, je peux infiltrer ?

Lorsqu'on évoque les solutions de gestion à la source des eaux pluviales, il est fréquent d'obtenir comme réponse «mais chez moi, on ne peut pas infiltrer». Même si on se trouve dans des terrains où la nappe est assez superficielle ou avec des sols peu perméables, la solution de l'infiltration ou de la rétention à la source peut néanmoins être considérée pour des pluies couvrantes, correspondant à des hauteurs précipitées de quelques mm. L'infiltration se fait alors spontanément par les surfaces enherbées et peut être aussi aidée par la mise en place de noues ou petites dépressions. Ces éléments peuvent assurer une double fonction de gestion des eaux de pluies et de qualité paysagère.

## POUR ALLER PLUS LOIN

* **Barraud S., De Becdelièvre L., Bedell J.-P., Delolme C., Perrodin Y., Winiarski T., Bacot L., Brelot E., Soares I., Desjardin-Blanc V., Lipeme Kouyi G., Malard F., Mermillod-Blondin F., Gibert J., Herbreteau B., Clozel B., Gaboriau H., Seron A. Come J.-M., Kaskassian S., Verjat J.-L., Bertrand-Krajewski J.-L., Cherqui F., (2009). *L'infiltration en questions* – Guide édité dans le cadre du projet ECOPLUIES – ANR PRECODD - Ic.cx/ecopluies

<footnote n="1">¹ Les sols stabilisés sont un mélange de graviers fins, de sables et parfois d'un liant à base cimentaire.</footnote>
# Quel rôle joue le sol dans le piégeage des polluants ?

Sylvie Barraud, INSA Lyon - Laurent Lassabatère, ENTPE - Florian Mermillod-Blondin, CNRS Université Lyon 1

En ruisselant sur les surfaces urbaines, les eaux pluviales se chargent en contaminants tels que des métaux lourds, hydrocarbures ou pesticides... Le regain d'intérêt pour l'infiltration a donc vu naître la crainte de la pollution et d'une contamination en profondeur des sols et des eaux souterraines. Mais, déployer des solutions d'infiltration des eaux pluviales ne signifie pas faire de l'injection d'eaux pluviales dans les nappes. Et le sol joue un rôle certain dans le piégeage des polluants, qui dépasse la seule filtration. Mais qu'en est-il exactement ?

## Quels sont les processus mis en œuvre ?

Les principaux processus que rencontre l'eau au cours de son infiltration dans le sol sont résumés sur la figure 1. Le sol peut être constitué du sol naturel en place dans lequel l'ouvrage a été excavé : c'est notamment le cas d'un bassin d'infiltration. Il peut aussi être composé d'un substrat rapporté, comme la terre végétale d'une noue par exemple.

Les processus de rétention, de mobilisation ou de transport des polluants sont de natures complexes et variées (Martinelli, 1999). De manière très schématique, ces processus peuvent se produire (figure 1):

1. dans la lame d'eau, pendant et à la suite d'évènements pluvieux. C'est l'objet de la décantation des polluants particulaires avec de possibles remises en suspension des dépôts;

2. au sein du sol ou des substrats dans lesquels ont lieu les écoulements. Dans ce cas, les phénomènes mobilisés peuvent être:

<figure><img src="image_128.png" /><figcaption>Figure 1 : Principaux processus ayant lieu lors de l'infiltration des eaux de pluie (source : S.Barraud).</figcaption></figure>
* la filtration mécanique: filtration et rétention des particules présentes dans les eaux pluviales dans les pores du sol ou du substrat. Notons que les dépôts décantés peuvent avoir eux-mêmes un rôle de filtre,

* l'adsorption: processus de fixation (de nature électrostatique ou chimique) des polluants sur les surfaces des particules de sol ou du substrat, w

* la précipitation et la complexation qui sont issues de modifications d'état des polluants,

* la dégradation par photolyse (dégradation par la lumière) ou par volatilisation qui affecte les substances organiques,

* des transferts dans le sol pour des polluants sous forme dissoute ou colloïdale.

Que ce soit dans la colonne d'eau ou dans les sols/substrats, les organismes vivants (plantes, micro-organismes,...) peuvent agir sur plusieurs processus (biodégradation, bioaccumulation des polluants dans les organismes eux-mêmes, mobilité des polluants).

Certains des processus de rétention des polluants dans le sol ou le substrat sont peu actifs. C'est le cas de la photolyse ou de la volatilisation. C'est aussi le cas du prélèvement de polluants (notamment les métaux) et de leur accumulation par les plantes présentes sur les systèmes d'infiltration centralisés (voir l'encadré ci-dessous).

Nous abordons ici les processus d'abattement des concentrations en polluants des eaux pluviales dans le sol. Rappelons que le facteur prédominant des techniques alternatives est la réduction des volumes d'eau ruisselés, et donc des volumes et masses de polluants associés.

## Les polluants particulaires sont principalement retenus dans les couches de surfaces

Une bonne partie des polluants issus du ruissellement sont sous forme particulaire (ex: les métaux lourds, les hydrocarbures). Ces polluants sont clairement stoppés dans les couches de surface ou dans les interfaces ouvrages/sols lorsque les matériaux constitutifs des ouvrages sont très perméables. C'est le cas par exemple des tranchées remplies de granulats grossiers et dont l'infiltration des eaux se fait dans le sol support (Proton, 2008).

Les travaux sur plusieurs bassins d'infiltration dans la plaine de l'Est lyonnais formée de dépôts fluvioglaciaires (Dechesne, 2002; Le Coustumer, 2008) indiquent que seuls les 30 premiers centimètres sont touchés par une pollution significative en métaux lourds et en hydrocarbures après plus de 10 ans de fonctionnement (figure 2).

Pour ces mêmes polluants, Le Coustumer (2008) puis Gonzalez-Merchan (2012) ont montré sur une période de huit ans que les parties polluées avaient tendance à s'homogénéiser sur l'ensemble de la surface du bassin et que les concentrations n'évoluaient plus au cours du temps. En revanche, l'accumulation en masse était clairement visible. La couche de surface semble donc servir à la fois de couche filtrante pour ces polluants et de couche adsorbante pour l'eau.

Ces polluants ont parfois été détectés très localement à de grandes profondeurs (de l'ordre de 2-3 m, Winiarski, 2006)

## L'extraction des métaux lourds présents dans les sols par la végétation (ou «phyto-extraction») est peu active... mais les sols végétalisés sont bénéfiques

Saulais (2011) a pu établir des bilans massiques de zinc, cadmium et cuivre sur la végétation présente dans différents bassins d'infiltration. Son étude montre clairement que, quelle que soit la zone considérée et la végétation présente, la couche de sol de surface représente le lieu de stockage majeur des métaux, le système racinaire et la partie aérienne captant moins de 4% de la masse de métaux. Ainsi, la végétation des bassins d'infiltration par exemple, prise seule, ne va pas forcément bioaccumuler les métaux présents dans les sols contaminés de bassins d'infiltration. Sa présence associée au sol ou au substrat en place permet en revanche de limiter le transfert des polluants (favorisation de la décantation par exemple ou encore par prélèvement d'eau et des polluants associés – voir question 8-6 : Quelle est l'efficacité des ouvrages alternatifs vis-à-vis des micropolluants ?). Elle apporte aussi une réelle plus-value dans la limitation du colmatage (voir question 7-4: Quel est le rôle de la végétation dans le colmatage des systèmes d'infiltration ?).

sur le bassin d'infiltration de Django Reinhardt. Néanmoins, il s'agissait de teneurs faibles, légèrement supérieures au fond pédogéochimique local et bien inférieures à celles de sols pollués. Ces migrations particulières ont en outre été observées en certains points spécifiques de bassins. L'analyse fine de ces points a montré que les migrations pouvaient être dues à des chemins préférentiels et/ou à des zones très perméables (conductivité hydraulique > 10-2 m/s). Des préconisations en ont été tirées dans le guide L'infiltration en questions, (Barraud et al., 2009).

## Les métaux et hydrocarbures retenus ne migrent pas dans la nappe et sont peu remobilisables

Enfin, afin de « boucler la boucle », des campagnes d'échantillonnage d'eau en amont et en aval d'un bassin d'infiltration présentant une zone non saturée peu épaisse (2-3 m - Datry, 2009) ont permis de constater que les métaux lourds et les hydrocarbures présents dans les rejets des eaux de ruissellement n'atteignaient pas la nappe (voir Question 6-1: Quel est l'impact des bassins d'infiltration d'eaux pluviales dans les nappes phréatiques ?).
<figure><img src="image_129.png" /><figcaption>**Figure 2** : Concentrations en métaux lourds mésurées à quatre profondeurs dans le sol de trois bassins d'infiltration de l'est lyonnais avec leur nombre d'années de fonctionnement (d'après Dechesne, 2002).</figcaption></figure>
Ces observations sur le terrain ont été complétées par des
expérimentations en laboratoire. Des études en colonnes de
laboratoire dont la composition est celle des fonds de bassin
d'infiltration et de sols sous-jacents (Badin, 2009, Nogaro
et Mermillod-Blondin, 2009) indiquent que les polluants
présents dans le sol sont faiblement relargués lors du passage
de l'eau dans les colonnes, et ce, pour différents types de
pluies simulées (courantes ou orageuses). Par conséquent,
le risque de remobilisation des polluants semble faible pour
des polluants tels que les métaux lourds et les hydrocarbures.
Le Coustumer (2008) a également montré une absence de
transfert de métaux pour différents types de composition
de supports de noues et en présence de différents types de
végétation.

Si le sol support joue un rôle primordial dans ces processus,
sa capacité de rétention des polluants métalliques et
hydrocarbonés semble davantage liée aux capacités
d'infiltration qui ne doivent pas être trop élevées (i.e., un
sol trop fortement perméable ne permet pas de maximiser
les échanges sol-contaminants nécessaires à la rétention
des polluants) plutôt qu'au type de sol ou à la conception
des systèmes. Les conclusions dressées dans l'OTHU
sont aujourd'hui largement corroborées par des études
multiples à l'international (voir synthèse Tedoldi et al. 2016).
Globalement, les travaux scientifiques ont montré que l'on
pouvait faire l'hypothèse que le sol support, par des procédés
notamment de filtration et d'adsorption, constituait un bon
filtre pour les métaux lourds et les hydrocarbures et plus
généralement pour la pollution particulaire.

Quid des autres polluants et
contaminants ?

Ces résultats doivent être complétés pour d'autres types de
polluants ne faisant l'objet d'investigations que depuis une
époque récente, notamment les polluants émergents et
nanoparticulaires (cf. Chapitre 5 : Contaminants).

Pour les pesticides, qui sont présents sous forme majoritairement dissoute, les processus de transfert dans les sols sont les plus significatifs. Ces composés traversent sans surprise la zone non saturée des systèmes d'infiltration avec un risque de contamination des eaux souterraines pour les ouvrages centralisés (Marmonier et al., 2013; Pinasseau et al., 2020).

Concernant les micro-organismes, Badin (2009) avait
montré sur des colonnes de sol composé de fonds de bassin
d'infiltration que les bactéries étaient susceptibles de migrer.
Les connaissances sur l'OTHU plus récentes montrent que les
communautés bactériennes retrouvées dans la nappe à l'aval
de bassins d'infiltration sont différentes des communautés
bactériennes présentes en amont (Voisin et al. 2018). Ces
changements de communautés ne semblent pas liés à un
transfert de bactéries présentes dans les eaux de ruissellement
pluvial mais plutôt à une modification environnementale des
conditions dans la nappe (ex.: enrichissement en matière
organique dissoute – Voisin, 2017; Voisin et al. 2020).

POUR ALLER PLUS LOIN

► Badin A.-L., (2009). Répartition et influence de la matière organique et des microorganismes sur l'agrégation et le relargage de polluants dans des séiments issus de l'infiltration d'eaux pluviales urbaines. Thèse de doctorat de l'INSA de Lyon – lc.cx/badin2009

► Barraud S, De Becdelièvre L., Bedell J.-P., Delolme C., Perrodin Y., Winiarski T., Bacot L., Brelot E., Soares I., Desjardin-Blanc V., Lipeme Kouyi G., Malard F., Mermillod-Blondin F Gibert J., Herbreteau B., Clozel B., Gaboriau H., Seron A. Come J.-M., Kaskassian S., Verjat J.-L., Bertrand-Krajewski J.-L., Cherqui F., (2009). *L'infiltration en questions*. Guide édité dans le cadre du projet ECOPLUIES - ANR PRECODD – lc.cx/ecopluies

► Datry T., (2003). *Urbanisation et qualité des nappes phréatiques : réponses des écosystèmes aquatiques souterrains aux pratiques d'infiltration d'eau pluviale*. Thèse de doctorat de l'Université Lyon 1 – lc.cx/datry2003

► Dechesne M., (2002). *Connaissance et modélisation du fonctionnement des bassins d'infiltration d'eaux de ruissellement urbain pour l'évaluation des performances technique et environnementale sur le long terme*. Thèse de doctorat INSA Lyon, France, 299 P.
# Comment un système d'infiltration se colmate-t-il ? et en combien de temps ?

Sylvie Barraud, INSA Lyon

Le colmatage est la contrepartie obligatoire de l'efficacité des ouvrages d'infiltration à dépolluer les eaux pluviales. Les particules piégées sont en effet le support des contaminants et le fait qu'elles soient fixées près de la surface permet de ne pas les retrouver plus profondément dans le sol ou dans les nappes. Mais sur le long terme, ce colmatage peut affecter la performance hydraulique des systèmes et représente donc un risque réel à prendre en compte pour le maintien de conditions d'infiltration satisfaisantes.

## Connaître les dynamiques du colmatage afin de pouvoir le retarder

La gestion des eaux pluviales par infiltration se développe aujourd'hui rapidement via des dispositifs perméables intégrés aux aménagements urbains (bassins, jardins de pluie, noues, tranchées, chaussées réservoirs...). Une question récurrente est leur pérennité dans le temps, ceci notamment par la diminution de leur perméabilité (colmatage progressif) pouvant remettre en cause leur fonctionnement hydraulique.

Le colmatage est en effet un phénomène inhérent à l'infiltration. S'il est inévitable, il est important d'en connaître les dynamiques spatiales (où est-ce que le colmatage se produit le plus ?), les dynamiques temporelles (en combien de temps ?) et les facteurs prépondérants, de manière à le retarder et à le prendre en compte lors de la conception et/ou de l'entretien.

Les échelles auxquelles se produit l'infiltration et la pression exercée sur les ouvrages, influent directement sur la répartition spatiale et temporelle du colmatage. Une différenciation est ainsi faite entre ouvrages centralisés et à la source.

## Comment évaluer son évolution temporelle et sa répartition spatiale ? Les atouts de l'OTHU

Une méthode originale a été développée et utilisée dans différents contextes techniques et climatiques par l'OTHU. Elle présente l'avantage d'évaluer le colmatage global et a bénéficié de mesurages sur de longues périodes. Elle consiste sous certaines hypothèses généralement requises pour infiltrer des EP<fnref n="1" />, à caler une résistance hydraulique<fnref n="2" /> à partir d'un principe de fonctionnement (modèle de Bouwer). Le calage est effectué sur la base du suivi en continu des débits d'entrée, des hauteurs et des températures d'eau

dans les dispositifs. La méthode demande également une modélisation tri-dimensionnelle de la géométrie de l'ouvrage assez simple à obtenir par relevé topographique.

L'évolution des résistances hydrauliques au cours du temps<fnref n="3" /> est mesurée à partir de l'évolution de la capacité de l'ouvrage à infiltrer des hauteurs d'eau de l'ordre du mètre. Les résistances sont par ailleurs normalisées à 20 °C pour s'affranchir des effets liés à la température qui joue sur la viscosité de l'eau. La méthode permet aussi de faire la distinction entre la résistance de fond et des parois. Elle est bien adaptée aux dispositifs centralisés pouvant présenter des hauteurs d'eau importantes.

D'autres mesurages réalisées dans le cadre de l'observatoire sont également précieuses, il s'agit notamment :

* des mesurages en continu de turbidité (transformée en concentrations de MES) qui permettent, en complément des mesurages des débits d'entrée, d'analyser le comportement des systèmes à la lumière de leurs sollicitations (masses de sédiments apportés et volumes d'eau entrants);

* du suivi de la végétation et des organismes présents dans la couche colmatée, qui permet d'évaluer leur rôle dans le colmatage.

## Qu'a-t-on appris concrètement ?

Le colmatage des ouvrages d'infiltration est très superficiel (photo 1). Il forme une « peau » dont le développement est favorisé par les apports de MES majoritairement composées de matières organiques. Sur les ouvrages de petite taille, la couche est généralement beaucoup moins visible car ces apports sont moins importants.

## Sur les ouvrages centralisés, un colmatage progressif pouvant être retardé par la végétation

Sur les ouvrages centralisés, le phénomène se développe prioritairement dans les zones les plus sollicitées hydrauliquement. Au cours du temps, la zone d'influence du colmatage s'étend jusqu'à occuper la totalité de la surface de fond. En dernier recours, ce sont les parois qui assurent la part principale de l'infiltration. Comme elles constituent aussi une part non négligeable des surfaces, le colmatage du fond peut ne pas être problématique pour le bon fonctionnement hydraulique du système par temps de pluie. D'après les

<footnote n="1">¹ Présence d'une couche légèrement colmatée, milieu sous-jacent à forte conductivité hydraulique, zone non saturée éloignée du fond, présence d'une lame d'eau lors d'évènements pluvieux.</footnote>

<footnote n="2">² La résistance hydraulique représente la durée nécessaire à une quantité unitaire d'eau pour passer à travers la couche colmatée sous une charge unitaire. Plus la résistance est grande et plus le dispositif est colmaté.</footnote>

<footnote n="3">³ Plus la résistance est élevée plus l'ouvrage est colmaté.</footnote>
observations faites sur des bassins de l'Est Lyonnais assis sur des sols fluvio-glaciaires et munis de dispositifs de décantation en amont, le colmatage est plutôt progressif et généralement assez long (supérieur à 10 ans).

Par exemple, le suivi fin sur 8 ans de la résistance hydraulique du bassin de Django-Reinhardt montre bien que le colmatage est très progressif (figure 1a) et qu'il s'opère principalement sur le fond de l'ouvrage (figure 1b).

<figure><img src="image_130.png" /><figcaption>Figure 1 : (a) Évolution des résistances hydrauliques R(h) globales avec leur incertitude, (b) Évolution de la résistance du fond et des parois.
(Source : Gonzalez-Merchan, 2012).</figcaption></figure>

<figure><img src="image_131.png" /></figure>
<figure><img src="image_132.png" /><figcaption>Photos 1 : (a) État de la végétation dans le bassin Chassieu-Django-Reinhardt entre le décolmatage 2004 (en haut) et (b) en 2007 (en bas), en période d'amorce de la diminution du colmatage. (Source : Gonzalez-Merchan, 2012)</figcaption></figure>

<figure><img src="image_133.png" /></figure>
## D'OÙ VIENT LE COLMATAGE ?

<figure><img src="image_134.png" /><figcaption>Photo 2 : Couche colmatée sur le bassin de Django-Reinhardt (source : ENTPE).</figcaption></figure>

Trois natures de colmatage peuvent advenir :

* **physique** (le plus courant) : lié aux apports de particules solides (MES fortement présentes dans les eaux pluviales) et à la compaction (ex : charges d'eau, piétinement) ;

* **biologique** : dû au développement de microorganismes (algues, champignons, bactéries, protozoaires) à la surface du système d'infiltration ;

* **chimique** : impliquant la précipitation et la dissolution des minéraux pouvant conduire au développement de bactéries qui réduisent la porosité du milieu. Ce colmatage étant très lié aux précédents, il est difficile de l'étudier isolément.

Cette étude a également révélé que le colmatage peut être ralenti par la présence de végétation. Le suivi sur le long terme nous a permis d'identifier une chute de la résistance hydraulique sur une période d'une année environ (en 2007), pendant laquelle une végétation spontanée a envahi le fond de l'ouvrage (photo 1) sans que cette chute ait pu être imputée à une baisse des apports d'eau ou de MES mesurés en continu.

## Des conclusions similaires sur les ouvrages à la source

Sur les ouvrages à la source, le colmatage dépend fortement du mode de conception. Pour des tranchées remplies de galets par exemple, Proton (2008) montre clairement que le colmatage a lieu seulement au fond de l'ouvrage et que celui-ci se colmate sur une période de six années environ (observation faite sur des sollicitations accélérées). Sur la même période, les flancs verticaux ne sont pas touchés.

D'autres expériences sur la conductivité hydraulique à saturation de 38 biofiltres de types noues végétalisées d'âge inférieur à 7 ans menées en collaboration entre l'OTHU et le FAWB (Facility for Advancing Water Biofiltration) (Le Coustumer et al., 2009) ont mis en évidence un colmatage superficiel. La conductivité hydraulique diminue d'un facteur 2 pour les ouvrages ayant une forte conductivité initiale (>200 mm/h (~5.10-5 m/s) mais reste tout de même élevée. Pour les ouvrages ayant des conductivités hydrauliques initiales faibles (< 12 mm/h (~3.10-6 m/s) celles-ci semblent rester assez constantes mais faibles malgré la présence de végétation qui joue un rôle de maintien de la perméabilité initiale (voir Question 7.4: *Quel est le rôle de la végétation dans le colmatage des systèmes d'infiltration ?*).

## POUR ALLER PLUS LOIN

* **Barraud S., Le Coustumer S., Perrodin Y., Delolme C., Winiarski T., Bedell J.-P., Gibert J., Malard F., Mermillod Blondin F., Gourdon R., Desjardins V., Brelot E., Bacot L.**, (2006). Guide Technique : Recommandations pour la faisabilité, la conception et la gestion des ouvrages d'infiltration des eaux pluviales en milieu urbain. 62 p. - lc.cx/guideinfiltration

* **Gonzalez-Merchan C.**, (2012). Amélioration des connaissances sur le colmatage des systèmes d'infiltration d'eaux pluviales. Thèse de doctorat INSA Lyon. lc.cx/gonzalez2012

* **Le Coustumer S.**, (2008). Colmatage et rétention des éléments traces métalliques dans les systèmes d'infiltration des eaux pluviales. Thèse de doctorat INSA Lyon / Monash University - Melbourne, Australie. lc.cx/lecoustumer2008
# Quel est le rôle de la végétation face au colmatage des systèmes d'infiltration ?

Sylvie Barraud, INSA Lyon - Jean-Philippe Bedell, ENTPE

Qu'elle soit implantée volontairement ou spontanée, la végétation des bassins, noues et autres systèmes d'infiltration peut jouer un rôle bénéfique pour limiter le phénomène de colmatage. Mais toutes les espèces végétales n'ont pas la même efficacité pour optimiser ou maintenir les qualités des sols vis-à-vis de l'infiltration des eaux pluviales.

## Constat majeur: La végétation retarde le colmatage des systèmes d'infiltration

La végétation joue un rôle globalement important pour retarder le colmatage des systèmes d'infiltration, malgré l'apport de matière organique et solides à leur surface. En effet, elle contribue par les systèmes racinaires des plantes et le battement des tiges sous l'effet du vent, à la création de macropores, améliorant la capacité d'infiltration du sol.

## Zoom sur le rôle de la végétation dans les ouvrages centralisés: le cas du bassin de Django-Reinhardt

Le bassin d'infiltration de Django Reinhardt en est une parfaite illustration. En effet, le suivi du colmatage réalisé dans le cadre de l'OTHU entre 2004 et 2010 a permis d'identifier un ralentissement significatif de l'évolution de la résistance hydraulique<fnref n="1" /> globale, suite à la végétalisation spontanée du fond (voir Question 7.3: *Comment un système d'infiltration se colmate-t-il et en combien de temps ?*).

## Importance de la morphologie de la plante

Une analyse approfondie de la nature de la végétation présente et sa co- évolution avec les caractéristiques du sol dans les zones colmatées de l'ouvrage a été réalisée sur deux années et à différentes saisons. Elle montre que toutes les espèces ne donnent pas au sol support les mêmes performances d'infiltration et que la morphologie des racines,

<figure><img src="image_135.png" /><figcaption>**Figure 1** : *Phalaris Arundinacea* a une capacité d'infiltration très importante, grâce aux caractéristiques de son système racinaire (Gonzalez-Merchan, 2012).</figcaption></figure>

<footnote n="1">¹ La résistance hydraulique représente la durée nécessaire à une quantité unitaire d'eau pour passer à travers la couche colmatée sous une charge unitaire. Plus la résistance est grande et plus le dispositif est colmaté.</footnote>
<figure><img src="image_136.png" /><figcaption>**Figure 2** : *Rumex Crispus* est peu performante en matière d'infiltration, en raison des caractéristiques de son système racinaire (Gonzalez-Merchan, 2012).</figcaption></figure>

des tiges et leur connexion sol/végétal joue un rôle important. Par exemple, sur les trois espèces qui se sont majoritairement développées dans le bassin étudié (*Polygonum mite, Phalaris arundinacea* et *Rumex crispus*), c'est Phalaris *Arundinacea* (figure 1) qui a été la plus performante avec une capacité d'infiltration (à saturation) à travers son horizon végétalisé environ 2 fois supérieure à la capacité d'infiltration du sol nu à proximité. Ses rhizomes et ses stolons (tiges aériennes rampantes) qui se forment à travers la couche de surface permettent effectivement de créer des macropores et de faciliter le transfert de l'eau à travers la couche colmatée (Gonzalez-Merchan et al., 2014).

En revanche, *Rumex Crispus* a été la moins performante. Elle présente un système racinaire plus grossier, mais surtout caractérisé par le développement d'un collet à la liaison tige/racine, où les sédiments s'accumulent. Ces caractéristiques la rendent plus « hermétique » à l'eau et à son infiltration, favorisant ainsi la décantation locale (figure 2).

## La perméabilité évolue au cours de la croissance des plantes et des saisons

L'observation des étapes de croissance des plantes, a révélé que la capacité d'infiltration des zones plantées présentait une évolution significative entre chaque étape de vie de la plante. Le métabolisme de la plante est calqué sur le rythme saisonnier en adéquation avec les ressources nutritives (eau, quantité de lumière, nutriments...). Pendant les périodes de

croissance et de reproduction, la conductivité hydraulique<fnref n="2" /> à saturation dans les zones végétalisées est significativement supérieure à celle de la période de repos.

Ces études laissent penser que la mise en place de la végétation peut contribuer à améliorer les conditions d'infiltration à certaines périodes, notamment en été (juin à septembre) au moment des fortes pluies orageuses. Cela peut être d'autant plus sensible que l'alternance du temps sec et humide en lien avec le développement de la végétation modifient la structure du sol de surface. Cette alternance crée des conditions favorables à la formation de microfissures qui induisent de l'infiltration préférentielle à travers l'horizon de surface (photo 1).

<figure><img src="image_137.png" /><figcaption>**Photo 1** : Exemple de microfissures du sol pendant la période estivale.</figcaption></figure>

<footnote n="2">² La conductivité hydraulique est un mesurage de l'aptitude d'un milieu poreux à laisser passer un fluide sous l'effet d'un gradient de pression unitaire. Dépendant de la température (viscosité du fluide) et de la teneur en eau existante dans le milieu, cette conductivité hydraulique est souvent utilisée à saturation et à 20 °C, ce qui est le cas ici. Plus la conductivité est élevée, moins le système est colmaté.</footnote>
Néanmoins, la mise en place de la végétation ne suffit pas pour restaurer complètement les conditions d'infiltration sur une couche déjà très colmatée.

## Zoom sur le rôle de la végétation dans les systèmes décentralisés de type noues ou biofiltres

### L'Importance de la morphologie de la plante est aussi perceptible pour les ouvrages à la source

La morphologie, notamment celle des parties racinaires, a également été mise en évidence lors des travaux OTHU/FAWB (Facility for Advancing Water Biofiltration) réalisés en Australie sur des pilotes de laboratoire (Le Coustumer, 2012). L'étude a montré, par exemple, que la plante *Melaleuca*

*ericifolia* (figure 3a) comparée à quatre autres types dont *Carex apressa* (très utilisée pour la végétalisation des noues – figure 3b) était bien meilleure pour pérenniser la conductivité hydraulique initiale du sol. L'explication avancée pour expliquer cette performance plus élevée tient, là encore, à la morphologie. *Melaleuca* est une plante arbustive aux racines larges et ne formant pas de radicelles comme celles de *Carex* (photo 2).

### Planter un substrat est toujours plus efficace pour lutter contre le colmatage quel que soit la végétation que de le laisser nu

En dépit de performances variables des cinq espèces végétales étudiées vis-à-vis du colmatage, aucun des massifs plantés des cinq espèces n'a été moins performant qu'un substrat nu soumis aux mêmes sollicitations.

<figure><img src="image_138.png" /><figcaption>**Figure 3** : Photos de *Carex apressa* et *Melaleuca ericifolia* et évolution avec le temps (72 semaines) des conductivités hydrauliques des pilotes plantés avec *Carex* et *Melaleuca* (moyenne et intervalle de confiance à 95 %) (Le Coustumer, 2008).</figcaption></figure>
<figure><img src="image_139.png" /><figcaption>Photo 2 : Système racinaire de Carex (gauche) et de Melaleuca (droite) (Le Coustumer, 2008).</figcaption></figure>

En Bref...

Si la végétation, qu'elle soit spontanée ou implantée volontairement, ne présente pas les mêmes performances suivant la morphologie des plantes et leur «état» dans le temps. Sa présence ne peut être que bénéfique vis-à-vis du colmatage d'un sol recevant les eaux pluviales.

POUR ALLER PLUS LOIN

► **Gonzalez-Merchan C.**, (2012). Amélioration des connaissances sur le colmatage des systèmes d'infiltration d'eaux pluviales. Thèse de doctorat INSA Lyon.
TEL-00943422 – lc.cx/gonzalez2012

► **Le Coustumer S.**, (2008). Colmatage et rétention des éléments traces métalliques dans les systèmes d'infiltration des eaux pluviales. Thèse de doctorat INSA Lyon / Monash University – Melbourne, Australie – lc.cx/lecostumer2008
# Quel est le rôle de la faune vis à vis du colmatage des systèmes d'infiltration ?

Florian Mermillod-Blondin, CNRS Université Lyon 1 - Géraldine Nogaro, Laboratoire National d'Hydraulique et Environnement R&D EDF - Jean-Philippe Bedell, ENTPE

Les particules transportées par les eaux de pluie et déposées dans les ouvrages d'infiltration conduisent souvent en un colmatage progressif des systèmes. Tout comme la végétalisation, favoriser la présence d'invertébrés aquatiques tels que les vers oligochètes, peut constituer une approche d'ingénierie écologique permettant de limiter le colmatage des sols.

## La présence de vers permet de réduire la quantité de matière organique présente dans les systèmes d'infiltration

Afin de déterminer l'impact de la faune, des expériences ont été menées en laboratoire avec des vers oligochètes tubificidés (par exemple l'espèce *Tubifex tubifex*) et des sédiments prélevés sur le bassin d'infiltration de l'IUT sur le

Campus de la Doua à Villeurbanne (Mermillod-Blondin et al., 2005). Les résultats ont montré clairement que la présence de vers tubificidés augmente jusqu'à 35% la respiration dans le système, indiquant une plus forte minéralisation de la matière organique en présence de vers (figure 1). De plus, la présence de vers tubificidés stimule considérablement les échanges de nutriments des sédiments vers la colonne d'eau, augmentant le relargage d'ammonium (+200%), de phosphates (+300%) et de carbone organique dissous (+500%).

La stimulation de la consommation de la matière organique par les vers est également liée à une stimulation des communautés microbiennes par les invertébrés. En effet, des augmentations significatives du pourcentage de bactéries actives et de l'activité microbienne hydrolytique impliquée dans la dégradation de la matière organique ont été mesurées dans les sédiments en présence de vers (figure 2).

En conclusion, les oligochètes créent des galeries qui vont stimuler les échanges d'eau et de solutés entre l'eau libre et l'eau interstitielle contenue dans les sédiments. L'augmentation de ces échanges entraîne une stimulation des processus de minéralisation de la matière organique. Favoriser

<figure><img src="image_140.png" /><figcaption>Figure 2 : Pourcentages de bactéries actives et activité hydrolytique mesurées sur 4 horizons sédimentaires dans des systèmes en absence ou présence de vers tubificidés (Mermillod-Blondin et al., 2005).</figcaption></figure>

<figure><img src="image_141.png" /></figure>
Avec des vers tubificidés

<figure><img src="image_142.png" /></figure>

**Figure 3** : Systèmes expérimentaux obtenus en présence de vers tubificidés (à gauche) et en présence de larves de chironomes (à droite). Source des photos : Géraldine Nogaro, LEHNA.

Avec des larves de chironomidés

<figure><img src="image_143.png" /></figure>

<figure><img src="image_144.png" /></figure>

**Figure 4** : Systèmes expérimentaux obtenus en présence de vers tubificidés avec les sédiments du bassin de Django-Reinhardt (à gauche) et du bassin de l'IUT (à droite). Source Géraldine Nogaro, LEHNA.

<figure><img src="image_145.png" /></figure>

la présence d'invertébrés peut donc constituer une approche écologique permettant de réduire la quantité de matière organique présente dans les systèmes de rétention/infiltration des eaux de ruissellement pluvial.

comparaison entre l'activité des vers sur les sédiments de Django-Reinhardt et les sédiments de l'IUT). L'importance des invertébrés sur la réduction du phénomène de colmatage est donc à relativiser en fonction des caractéristiques des sédiments déposés.

## Certains invertébrés aquatiques peuvent augmenter la perméabilité des sédiments urbains

À la suite des travaux menés sur la dégradation de la matière organique par les invertébrés, des expérimentations en colonnes ont visé à évaluer le rôle des invertébrés aquatiques sur la capacité d'infiltration de systèmes colmatés par des sédiments provenant de plusieurs sites. Dans les sédiments de l'IUT, les expérimentations révèlent que l'activité des vers tubificidés permet d'éviter un colmatage des colonnes alors qu'aucun effet n'est mesuré avec les larves chironomes. L'observation de l'activité des invertébrés (figure 3) témoigne d'une action en profondeur des tubificidés qui produisent des galeries verticales (qui traversent la couche de sédiment colmaté) alors que les chironomes (par exemple l'espèce *Chironomus riparius*) produisent des tubes en U qui ne traversent pas la couche de sédiment colmaté. Ainsi la perméabilité calculée est de 17,7 cm/h avec les vers tubificidés contre 0,33 cm/h en absence de faune. Ces résultats sont très significatifs et témoignent d'un effet positif de certains organismes sur la perméabilité hydraulique en fonction de leur type d'activité de bioturbation.

Ces résultats encourageants restent toutefois à modérer car l'effet des vers sur le colmatage dépend du type de sédiment en place. Des résultats obtenus sur le phénomène de colmatage avec des sédiments collectés sur le bassin d'infiltration de Django Reinhardt indiquent que les vers ne peuvent pas décolmater tous les types de sédiments urbains (Nogaro et Mermillod-Blondin, 2009). La très forte proportion de sédiments très fins (< 10 µm) sur ce bassin crée un colmatage important et la création d'une couche très dure que les vers tubificidés n'arrivent pas à pénétrer (la figure 4 montre une

### En Bref...

En milieu aquatique, la faune des sédiments, constituée notamment de vers oligochètes ou de larves de chironomes, joue un rôle significatif dans la dégradation de la matière organique à la surface des systèmes d'infiltration. De plus, elle peut avoir dans certains cas un effet positif sur la capacité d'infiltration du sol par la création de tubes, galeries et terriers dans les sédiments fins, limitant ainsi le colmatage des systèmes.

## POUR ALLER PLUS LOIN

* Mermillod-Blondin F., Nogaro G., Gibert J., (2006). Quantification du rôle du compartiment biologique dans le devenir des sédiments liés aux rejets pluviaux urbains en bassin d'infiltration. Rapport final d'activité scientifique pour la Direction de la Recherche et des Affaires Scientifiques et Techniques (DRAST), 26 p. – Ic.cx/mermillod2006
# Que trouve-t-on comme biodiversité dans les systèmes d'infiltration urbains et que révèle-t-elle ?

Laëtitia Bacot, Graie - Pierre Marmonier, Florian Mermillod-Blondin, CNRS Université Lyon 1 - Jean-Philippe Bedell, ENTPE

Les ouvrages de gestion des eaux pluviales à la source sont souvent des solutions fondées sur la nature et, dans tous les cas, des espaces et ouvrages qui, constituent de véritables îlots urbains de biodiversité. En effet, en regard des autres espaces urbains, elles présentent des particularités en termes de configurations physiques, d'usages (ou non-usages) et de présence de l'eau, et elles hébergent des communautés faunistiques et floristiques différentes de celles présentes dans le tissu urbain traditionnel.

## Les bassins de gestion des eaux pluviales sont favorables au développement de la biodiversité

La structure technique des bassins d'infiltration/rétention a été particulièrement étudiée dans l'OTHU. Elle présente toujours deux caractéristiques physiques favorables à l'installation de communautés d'organismes :

* un fond plat, potentiellement inondable une partie de l'année ou par périodes brèves, où peuvent se déposer des sédiments fins et organiques;

* des bords en pentes douces à fortes, contrastant avec le fond par une composition plus minérale à faible humidité.

Ces deux compartiments des ouvrages sont souvent végétalisés, que ce soit volontairement dans une approche paysagère ou que ce soit de façon spontanée, et hébergent une large gamme d'espèces animales, notamment des insectes. Ce sont donc des habitats hétérogènes et originaux car peu fréquents dans les zones urbaines et périurbaines. Cependant, la biodiversité qui s'y développe n'est pas toujours souhaitée et peut générer des nuisances pour les riverains et des conflits entre habitants et gestionnaires de l'eau. Sa description et l'étude de sa dynamique sont donc essentielles à sa gestion et son acceptation. La première question qui se pose à nous est donc de décrire les organismes présents : que trouve-t-on comme biodiversité dans ces systèmes alternatifs de gestion des eaux pluviales urbaines ?

Au sein de l'OTHU sur le territoire de la Métropole de Lyon, de nombreuses études ont été menées sur la biodiversité, son évolution et sa dynamique. Elles ont porté en particulier sur la végétation, les invertébrés terrestres et du sol, ainsi que les moustiques. Les vertébrés sont également présents dans les

ouvrages (canards, rats...) et seront étudiés dans les années à venir.

## La biodiversité floristique des bassins d'infiltration

La dynamique de la végétation a été étudiée pendant 2 années sur 18 bassins de rétention/infiltration (Saulais M., 2011), du point de vue des espèces végétales dominantes mais aussi de la qualité des sols, en considérant les teneurs en contaminants métalliques bio-accumulés dans leur tissu (Programme GESSOL).

## La composition de la communauté floristique est multifactorielle.

Les observations révèlent tout d'abord qu'une majorité de bassins présente une végétation typique de milieux particulièrement pauvre en éléments nutritifs, caractéristique d'un sol d'origine anthropique qui s'est formé très rapidement au fond du système.

Le premier facteur explicatif est la disponibilité en eau, qui dépend notamment des modalités de fonctionnement et d'alimentation du bassin.

La profondeur du sol et des sédiments joue également un rôle clé dans l'installation et la diversification de la communauté végétale. Ainsi, certaines plantes récoltées dans un seul bassin, comme *l'Iris pseudacorus*, ont des exigences fortes, avec le besoin d'un minimum de 21 centimètres de sédiments et d'eau pour son développement. D'autres ne montrent pas de telles exigences pour l'épaisseur du sol, elles sont plus répandues dans les bassins étudiés, comme les *Rumex* de la famille des *Polygonaceae* présents dans 88 % des bassins.

Le troisième facteur est le type de tissu urbain où se situe l'ouvrage. En effet, l'occupation des sols et les activités développées au sein du bassin versant ont une influence sur la présence ou l'absence des espèces. Ainsi, la concentration en polluants dans les eaux de ruissellement des zones industrielles explique sans doute, pour partie, que les *Rosaceae* ne se développent pas dans ces zones.

Enfin la gestion et l'entretien des ouvrages (curage, tonte...) a aussi un effet significatif sur la biodiversité végétale en place.

## Il existe une dynamique spatio-temporelle de la végétation

Au-delà de la composition des communautés, nous avons pu étudier la dynamique de la flore sur plus de 10 ans, du point de vue de sa richesse et de l'abondance des espèces dominantes dans deux types contrastés de bassins végétalisés: Minerve où
<figure><img src="image_146.png" /><figcaption>**Figure 1** : Distribution des teneurs en eau sur le bassin d'infiltration de Minerve et visualisation du développement de cette flore sur le bassin de Minerve.</figcaption></figure>

la végétation a été plantée volontairement et Django-Reinhardt qui a été naturellement colonisé par la végétation. Pour Minerve, le bassin planté, nous avons observé un gradient spatial marqué entre l'amont (près de l'entrée de l'eau pluviale) et l'aval (où s'infiltre cette eau dans les noues d'infiltration). En effet, les teneurs en matière organique, les épaisseurs de sédiment déposé, tout comme les teneurs en éléments traces apportés par la pluie diminuent d'amont en aval, ce qui influence directement la composition floristique. Les 10 années de suivi mettent également en lumière une évolution de la communauté végétale, avec une régression des « hélophytes » (plantes recherchant les sols gorgés d'eau) au profit d'espèces typiques des prairies de sols plus secs, souvent considérées comme des espèces pionnières (premiers organismes colonisant un milieu après son apparition). Cette dynamique n'est pas anecdotique : depuis 1999, plus de 93% des espèces implantées au départ ont disparu ! Toutefois, une stabilisation est observée depuis 2008, avec une diversité en hélophytes qui varie peu (seulement 12,5% de la variation du nombre de ces espèces).

Pour Django-Reinhardt, le bassin non végétalisé au départ, la structuration spatiale de la qualité du sol est moins claire, mais nous avons aussi mis en évidence des zones avec des teneurs variables en matière organique et en métaux lourds. La communauté végétale qui a colonisé ce bassin montre une forte hétérogénéité des stratégies écologiques. On trouve dans cette communauté à la fois :

► des espèces « euryéces » (espèce à large spectre écologique) pouvant coloniser de nombreux habitats;

► des espèces pseudo-métallophytes (supportant des teneurs élevées en éléments traces métalliques dans le sol);

► des macrophytes vivant dans des sols humides (Typha latifolia, Phragmites australis, Iris pseudacorus, Phalaris arundinacea) ou même des zones humides (Rumex sp.);

► mais aussi des espèces pionnières typiques des prairies sèches (de la famille des Asteraceae, Poaceae, Brassicacées) lorsqu'on s'éloigne de la zone d'arrivée d'eau pluviale.

Le nombre d'espèces est resté assez stable depuis 2008, mais on assiste à une diminution de près de 50 % du taux de recouvrement des macrophytes, qui sont aujourd'hui réduits à 3 espèces: *Phalaris arundinacea*, *Typha latifolia* et *Schoenoplectus tabernamontanii*.

Ces changements s'expliquent notamment par la modification des débits d'eau entrants. En effet, la stratégie de contrôle de la métropole de Lyon pour la réduction des rejets d'eau de process des entreprises présentes sur la zone, a fait décroître les arrivées de temps sec dans le bassin : celles-ci contribuaient auparavant à une certaine humidification récurrente des sols et des sédiments à certains endroits du bassin, et donc au développement des macrophytes.

<figure><img src="image_147.png" /><figcaption>**Photos 1** : A : *Iris pseudacorus*, Iris des marais – B : *Typha latifolia*, Massette a larges feuilles (source: GRAIE et ENTPE).</figcaption></figure>
<figure><img src="image_148.png" /><figcaption>Photos 2 : Quadra d'extraction des vers de terre grâce au test dit de la moutarde.</figcaption></figure>

<figure><img src="image_149.png" /></figure>

## En Bref...

Les invertébrés sont nombreux au sein des ouvrages de gestion des eaux pluviales. Grâce à la composition des communautés et à leur richesse, ils peuvent constituer de bons indicateurs du fonctionnement des ouvrages : qualité des sols, modalité d'entretien des écoulements ou de stagnation de l'eau.

## Pourquoi s'intéresser à la biodiversité dans les systèmes d'infiltration urbains ?

La biodiversité présente dans les systèmes d'infiltration (floristique et faunistique) est riche et diversifiée. Elle peut être un indicateur pertinent du fonctionnement des ouvrages de gestion des eaux pluviales, et ceci grâce à des observations et des inventaires saisonniers réguliers et à leur interprétation.

Il est également intéressant de retenir que cette biodiversité peut être considérée comme positive ou adverse selon les publics et écosystèmes considérés. Souvent, il s'agit de trouver le meilleur compromis entre ce qui est souhaitable pour la biodiversité, ce qui est techniquement, économiquement possible et ce qui est compatible avec le mode de vie et la perception des citadins.

## La biodiversité faunistique: zoom sur la richesse des invertébrés

### Les invertébrés terrestres sont particulièrement abondants sur les bords des bassins

La communauté d'invertébrés terrestres, principalement les arthropodes (invertébrés caractérisés par un corps segmenté), a été décrite sur 7 bassins pendant une période estivale. Ceux-ci ont été échantillonnés par des tubes-pièges disposés à la fois au fond du bassin (372 tubes) et sur les bords (343 tubes). Les résultats les plus frappants sont la plus forte abondance d'organismes sur les bords (6 083 individus au total) que sur le fond (seulement 4 474 individus collectés). Les bords en pente des bassins d'infiltration constituent donc des habitats très favorables à la faune vivant à la surface du sol. Il faut aussi noter que les fourmis et les araignées constituent les groupes les plus abondants des communautés d'invertébrés terrestres, aussi bien sur le fond que sur les bords des ouvrages. Ces organismes, dont certains sont des prédateurs, participent au contrôle des communautés se développant dans les bassins. Ils assurent donc un rôle écologique complexe.

### La composition en vers de terre est révélatrice de la qualité du sol et de ses caractéristiques

Les invertébrés du sol, principalement les vers de terre, ont également été étudiés lors d'une campagne de dénombrement et d'identification menée sur deux bassins d'infiltration: Django-Reinhardt et Le Carreau.

Les abondances totales récoltées en vers de terre par quadra d'échantillonnage (1 m² – illustration 3) présentent de fortes variations avec des valeurs allant de 1 à 300 individus. Cette variabilité est observée dans les deux bassins d'infiltration étudiés et peut être corrélée avec l'épaisseur de sédiment déposé à chaque point. La composition en espèces est assez similaire d'un quadra à l'autre au sein d'un même bassin, mais varie fortement entre les bassins.

Du point de vue de sa composition, la communauté de vers de terre est tout d'abord caractérisée par l'absence de vers anéciques (qui prospectent le sol par des galeries verticales), mais limitée aux endogés et aux épigés (qui font des galeries horizontales en surface ou sub-surface du sol). La proportion de ces deux groupes varie entre les deux bassins: la communauté de Django-Reinhardt est caractérisée par 60% d'endogés contre 40% d'épigés, alors que dans le bassin Le Carreau, une répartition inverse est observée entre les deux groupes
<figure><img src="image_150.png" /><figcaption>**Figure 2 :** Émergeoire pour larves de moustiques "Home made" – pour permettre ensuite une identification des adultes.</figcaption></figure>

écologiques avec 80% d'épigés et seulement 20% d'endogés. La présence de nombreux vers de terre "juvéniles" dans les deux bassins illustre aussi que la reproduction a bien lieu dans ces systèmes artificiels.

La faune vivant dans le sol, comme les vers de terre, est donc intéressante à analyser car outre le rôle d'ingénieur du sol (galerie, aération...) et de réacteur chimique (recyclage de la matière organique, sur les oligo-éléments, sur le phosphore...), elle est aussi un bio-indicateur de la qualité du sol et renseigne sur les caractéristiques du sol lui-même.

## Les techniques alternatives de gestion des eaux pluviales ne contribuent pas au développement du moustique Tigre

La faune vivant dans les eaux retenues dans les bassins est souvent peu diversifiée, mais elle comporte parfois des insectes connus et redoutés, comme les moustiques.

Cette question est sensible, car les techniques de gestion alternative des eaux pluviales en zone urbaine sont parfois suspectées de contribuer au développement de ces populations de moustiques qui constituent une véritable gêne, voir un risque sanitaire potentiel pour les riverains.

Au sein de l'observatoire, nous avons échantillonné les larves de moustiques sur plusieurs saisons dans les zones restées en eau sur 15 ouvrages: des bassins de retenue, des bassins d'infiltration, des toitures végétalisées et des noues.

La première conclusion importante de cette étude est que les noues et les toitures végétalisées, si elles sont bien conçues et entretenues, ne sont pas des gîtes favorables aux moustiques Tigre car l'eau s'infilet ou s'évapore en moins de 24 heures alors qu'il faut plusieurs jours pour qu'une larve se développe.

De ce fait, dans les bassins, seules les zones qui restent en eau en permanence, grâce à leur fonction spécifique (fosse de décantation) ou par manque d'entretien (sédiments qui font obstacle à l'évacuation de l'eau), ont révélé la présence de moustiques. Au total 4 espèces autochtones ont été échantillonnées (ex: *Culex pipiens*) mais aucune n'est vecteur d'agents pathogènes. Aucun moustique tigre (*Aedes albopictus*) n'a été retrouvé dans les techniques alternatives.

Un autre résultat important est que les zones propices au développement de moustiques sont les zones les plus artificielles, principalement celles à fond et berges bétonnés, qui constituent les gîtes les plus productifs car dépourvus de prédateurs.

Les deux conclusions les plus importantes de cette étude sont donc que: (1) les noues et les toitures végétalisées, si elles sont bien entretenues, ne sont pas des gîtes favorables à ces organismes et que (2) le temps de vidange des ouvrages, généralement de moins de 24 heures, et dans tous les cas de moins de 5 jours, y compris sur des points bas avec des eaux résiduelles, ne permet pas le développement d'espèces de moustiques vecteurs d'agents pathogènes.

## En Bref...

Les plantes sont principalement distribuées dans les bassins en fonction de facteurs hydrologiques, à savoir la disponibilité de l'eau. La hauteur de sédiment, la typologie du bassin versant de l'ouvrage (typologie, types d'activités...) sont des facteurs influençant aussi la présence ou la distribution de certaines familles ou espèces végétales. La gestion des ouvrages (curage, tonte...) a aussi un effet significatif sur la biodiversité végétale.

## POUR ALLER PLUS LOIN

* Bedell J.-P., Mourier B., Provot J., Winiarski T., (2013) *Influences on the establishment and dominance of vegetation in stormwater infiltration basins*. Water Sciences and Technology 68(12) : 2576-2583. DOI: 10.2166/wst.2013.526

* Gonzalez-Merchan C., Barraud S., Bedell J.-P., (2013). *Influence of spontaneous vegetation in stormwater infiltration system clogging*. Environmental Science and Pollution Research DOI: 10.1007/s11356-013-2398-y

* Valdelfener M., Barraud S., Sibeud E., Bacot L., Perrin Y., Jourdain F., Marmonier P., (2018). *Do Sustainable Drainage Systems favor mosquito proliferation in cities compared to stormwater networks?* Urban Water Journal, 1-8. DOI: 10.1080/1573062X.2018.1523442

* Valdelfener M., Bacot L., Barraud S., Marmonier M., (2017). *Les moustiques dans les ouvrages de gestion alternative des eaux pluviales en ville ?* Retour sur l'Étude exploratoire OTHU – Les synthèses de l'OTHU – Fiche n° 1-septembre 2017, 8 p. lc.cx/othu-Moustiques-2017
# Ouvrages 8

La gestion des eaux urbaines (eaux usées et eaux pluviales) est réalisée à travers des infrastructures destinées à l'interception ou à la collecte, au stockage, au transfert à surface libre ou à l'infiltration dans les sols urbains des flux d'eau et de polluants.

Ces infrastructures sont dites soit centralisées (installées en réseau d'assainissement séparatif ou unitaire) soit décentralisées (ouvrages de gestion des eaux pluviales à la source). Leur bon fonctionnement hydrologique et en matière d'abattement des polluants est intimement lié à leur conception.

Les observations, sur le long terme, menées dans le cadre de l'OTHU ont permis de mieux appréhender les processus gouvernant leur fonctionnement et de formuler des recommandations sur leur conception et sur la gestion des sédiments.

Dans ce chapitre, les fonctions des ouvrages stratégiques centralisés et décentralisés de gestion des eaux urbaines sont rappelées. Leur fonctionnement y est décrit. Les règles de conception associées ainsi que les modalités de gestion des sédiments présents au sein de certains ouvrages (notamment les bassins de retenue-décantation) y sont également explicitées.
# Le déversoir d'orage : l'allié des réseaux d'assainissement, l'adversaire des milieux ?

Gislain Lipeme Kouyi, INSA Lyon

Installés en réseau unitaire, les déversoirs d'orage permettent de protéger les ouvrages aval et les stations d'épuration contre les surcharges occasionnées par certains événements pluvieux. Mais ces ouvrages sont aussi pointés du doigt en raison de leurs déversements polluants, qui contribuent à la dégradation des milieux aquatiques.

## Qu'est-ce qu'un déversoir d'orage ?

Un déversoir d'orage (DO) est un ouvrage de dérivation qui permet d'orienter un écoulement amont vers au moins deux destinations aval. Installé en réseau unitaire, il protège le réseau aval contre des surcharges hydrauliques importantes en temps de pluie. Son rôle principal est d'écrêter le surplus de volume qui ne peut être accueilli à la station de traitement. Lors d'un épisode pluvieux intense, il arrive que les DO rejettent des eaux non traitées dans le milieu aquatique. Ces déversements contribuent à la dégradation des milieux (rejets de micropolluants – Weyrauch et al., 2010, rejet de microorganismes dont des pathogènes – Passerat et al., 2011). Ils n'ont pas été initialement conçus pour être instrumentés et leurs géométries ne sont pas standardisées. Comme indiqué sur la figure 1, il s'agit d'ouvrages composés d'une ou plusieurs conduites amont et d'une chambre de dérivation qui permet d'orienter une partie du débit amont vers le milieu naturel (débit déversé) et une autre partie vers la station de traitement (débit conservé).

Leur gestion est primordiale si l'on souhaite contrôler leurs rejets et prendre des mesures appropriées pour protéger les milieux aquatiques récepteurs. Ces mesures comprennent par exemple l'installation d'équipements de récupération des macro déchets, l'installation de bassins d'orage ou encore de filtres plantés de roseaux comme proposé dans le cadre du projet ANR SEGTEUP (système extensif pour la gestion et le

traitement des eaux urbaines de temps de pluie – en appui sur l'OTHU). Cependant, leur gestion passe par une maîtrise de leur fonctionnement hydraulique (figure 2), mais aussi et surtout, de leurs rejets polluants.

## Le fonctionnement et le rôle d'un DO

Le fonctionnement hydraulique d'un DO dépend de sa typologie et des conditions aux limites de l'ouvrage, c'est à dire principalement les débits et hauteurs d'eau à l'amont et à l'aval du DO considéré.

### Les catégories de DO

La typologie des DO est difficile à faire. Si on se base sur la géométrie, on peut les classer en deux grandes catégories : i) DO à seuil et ii) DO sans seuil.

i) Les DO à seuil comprennent ceux à seuils latéraux ou frontaux. Ces seuils peuvent être «hauts» ou «bas», selon que la hauteur du seuil ou de la pelle est supérieure ou inférieure à la côte de la génératrice supérieure de la conduite aval véhiculant le débit conservé vers la station de traitement.

ii) Les DO sans seuil correspondent par exemple aux diffluences : l'écoulement amont est séparé en au moins deux écoulements aval véhiculés par deux conduites différentes, une conduite transportant le débit conservé et l'autre le débit déversé. Ils correspondent également aux DO ayant une ouverture : latérale, frontale ou au niveau du radier (fond de l'ouvrage). Les DO avec une ouverture au niveau du radier sont appelés *leaping weir*.

### L'analyse du fonctionnement d'un DO

Le fonctionnement peut être analysé :

* en mettant en place des instruments de mesure : surveillance des hauteurs d'eau, des débits, des concentrations en polluants (par exemple suivi des matières en suspension ou de la demande biochimique en oxygène à 5 jours – DB05);

* à l'aide de caméras : collecte de vidéos puis exploitation

<figure><img src="image_151.png" /><figcaption>Figure 1 : Schéma de principe d'un déversoir d'orage (STEP = station d'épuration ou station de traitement des eaux unitaires).</figcaption></figure>
de ces dernières pour visualiser puis interpréter les
écoulements;

► par modélisation.

Le plus souvent, ces ouvrages fonctionnent en régime fluvial, torrentiel, ou une combinaison des deux faisant apparaître un ressaut hydraulique (élévation brusque de la hauteur d'eau dans le sens de l'écoulement lorsqu'il passe d'un régime torrentiel à un régime fluvial). Pour savoir si un écoulement est fluvial ou torrentiel, il faut calculer le nombre de Froude. Le nombre de Froude est un nombre adimensionnel qui compare les forces d'inertie aux forces gravitationnelles. Il est donné par la formule :

$$ \sqrt{\frac{U}{gD_h}} $$ où U est la vitesse moyenne de l'écoulement, g l'accélération de la pesanteur, D_h le diamètre hydraulique de l'écoulement, qui s'obtient en divisant la section mouillée de l'écoulement par la largeur de la surface libre (largeur au miroir) associée. Si le nombre de Froude est inférieur à 1, on parle de régime fluvial, et s'il est supérieur à 1 on parle de régime torrentiel.

## Les fonctions d'un DO

Quelle que soit sa géométrie et son mode de fonctionnement, un DO doit assurer trois fonctions principales :

► par temps sec, laisser transiter le débit des eaux usées sans déversement et sans faire trop chuter la vitesse de l'écoulement afin de limiter la décantation des matières en suspension présentes dans l'effluent;

► par temps de pluie, laisser transiter le débit de référence, c'est à dire le débit maximal admis à l'aval, sans déversement;

► enfin, déverser le débit excédentaire de temps de pluie (au-delà du débit de référence) pour soulager le réseau à l'aval, sans mise en charge et sans provoquer de décantation dans la conduite amont.

## Les masses de polluants rejetées lors des déversements, sont extrêmement variables

Deux déversoirs d'orage sont suivis dans le cadre de l'OTHU : le DO de Grézieu-la-Varenne et celui d'Écully. Concernant le DO d'Écully, la figure 3 illustre la variabilité des masses de MES (matières en suspension) et DCO (demande chimique en oxygène) déversées. Ces masses déversées sont parfois très faibles mais peuvent aussi atteindre plusieurs centaines de kilogrammes lors de certains événements pluvieux. Cet exemple nous montre l'intérêt d'un suivi en continu ; en effet,

## Doit-on continuer à installer des déversoirs d'orage ?

Les DO ont un fonctionnement complexe et sont difficiles à équiper. Leurs rejets contribuent à la dégradation des milieux naturels. La gestion des DO existants pose déjà beaucoup de difficultés d'instrumentation et de suivi et on peut donc légitimement se poser la question de la pertinence d'en construire de nouveaux. Pour éviter de construire de nouveaux DO et donc réduire fortement les rejets vers le milieu naturel, on pourrait privilégier la gestion des eaux pluviales à la source. Le projet Conscéquans (financement ZABR/AERMC) permettra en partie de répondre à cette question.

<figure><img src="image_152.png" /><figcaption>**Figure 2 :** DO latéral en fonctionnement (ville de Fontainebleau). Le débit déversé, indiqué par la flèche rouge, est variable le long du seuil de déversement avec un déversement plus important à l'aval du seuil - la flèche verte indique le sens de l'écoulement et symbolise le débit amont.</figcaption></figure>

si l'on échantillonne uniquement quelques événements, par exemple les événements 3, 19 et 28, cela entraîne une très forte sous-estimation des masses de polluants déversées; inversement, si on échantillonne l'événement 16, l'évaluation sera également biaisée car ce cas correspond à un déversement exceptionnel sur la période considérée.

<figure><img src="image_153.png" /><figcaption>**Figure 3 :** Masses de MES et DCO pour les 30 déversements mesurés à Écully en 2004 (Bertrand-Krajewski et al., 2008).</figcaption></figure>
# Intersections dans les réseaux d'assainissement : des structures d'écoulement complexes à comprendre et à gérer ?

Emmanuel Mignot, Nicolas Rivière, Gislain Lipeme Kouyi, INSA de Lyon

Le recouvrement du bon état écologique des milieux aquatiques ne pourra être atteint sans une optimisation du fonctionnement des systèmes de collecte. Or, les quelque 300 000 km de réseaux d'eaux usées et séparatifs présents sous nos pieds sont loin d'être un long fleuve tranquille: les coudes, chutes, confluences et diffluences entraînent la formation d'écoulements complexes à mesurer et à maîtriser.

## La problématique des intersections

Les intersections de canalisations sont des ouvrages très fréquemment rencontrés dans les réseaux d'assainissement. On y trouve notamment:

* des confluences (aussi appelées jonctions): avec deux écoulements amont qui se rassemblent en un seul en aval (figure 1);

* des diffluences (ou bifurcations): avec un écoulement amont qui se sépare en un écoulement aval (souvent dans l'alignement de la branche amont) et un écoulement latéral (figure 2).

Les confluences résultent du fait que les réseaux d'assainissement sont des systèmes de collecte de multiples rejets ponctuels et/ou des eaux de ruissellement pour les acheminer vers la station d'épuration ou tout autre dispositif de traitement en aval. Les eaux se rassemblent alors aux confluences dans des écoulements de plus en plus importants. Les diffluences, quant à elles, sont principalement rencontrées au niveau des déversoirs d'orage en assainissement. Ces deux types d'intersection (confluence et diffluence) entraînent la formation d'écoulements localement tridimensionnels et complexes, avec deux problématiques majeures :

<figure><img src="image_154.png" /><figcaption>Figure 1 : Schéma (a) et photographie (b) des structures d'écoulement dans les confluences (vues de dessus). (Source INSA Lyon)</figcaption></figure>
<figure><img src="image_155.png" /><figcaption>**Figure 2** : Détails des structures d'écoulement dans des diffluences (haut) avec une illustration des lignes de courant au sein des deux formes de zones de recirculation (bas): hélice à gauche et recirculation fermée à droite (d'après Momplot *et al.* 2017).</figcaption></figure>

* un impact sur la fiabilité des mesurages réalisées en aval des intersections;

* un impact sur le comportement des polluants particulaires et dissous véhiculés.

## La forme d'écoulement dépend du type d'intersection et des paramètres hydrauliques et géométriques du réseau

Si on rencontre aussi des confluences et des diffluences dans les rivières (et celles-ci font l'objet de nombreuses études) leurs caractéristiques sont différentes en réseau d'assainissement, notamment parce qu'il s'agit d'ouvrages manufacturés :

* les formes de sections sont souvent très simples: on rencontre fréquemment des sections rectangulaires, trapézoïdales, circulaires ou ovoïdales;

* les rapports d'aspect largeur sur profondeur sont faibles, de l'ordre de 1 (plutôt 100 en rivière);

* les angles sont généralement vifs et nets aux intersections.

On pourrait alors imaginer que les écoulements sont également simplifiés; mais il n'en est rien !

Les formes d'écoulement qui ont lieu dans ces intersections

diffèrent fortement entre confluences et diffluences et en fonction des caractéristiques géométriques (typiquement angle de l'intersection) et hydrauliques (débits en jeu). L'aspect hydrodynamique de ces écoulements a été largement étudié en laboratoire, notamment pour des sections de forme simplifiée avec un grand angle d'intersection et des profondeurs d'eau importantes, typiques des réseaux d'assainissement. On trouve notamment les structures d'écoulement complexes suivantes.

### En confluences

En confluences (figure 1), une zone de recirculation se forme au sein de la branche aval (du côté de la branche latérale), accompagnée d'une zone d'accélération sur la partie restante de la section (Mignot et al., 2012). De plus, si les vitesses des deux écoulements amont diffèrent suffisamment, une couche de mélange est observée à l'interface entre les deux écoulements au sein de l'intersection. Enfin, des écoulements secondaires complexes ont lieu dans la branche aval, qui peuvent persister sur de longues distances; cette recirculation aval peut notamment prendre une forme d'hélice occupant la majeure partie de la section.

### En diffluences

En diffluences (figure 2), une importante zone de recirculation caractérise la branche latérale, qui peut prendre deux formes différentes en fonction des conditions géométriques et de l'écoulement amont. L'écoulement, fortement tridimensionnel,
est soumis à une force centrifuge plus importante en surface que près du fond. L'écoulement a alors plus de facilité à tourner vers la branche latérale près du fond qu'en surface. Ce processus est responsable de l'effet Bulle, c'est-à-dire qu'une quantité relative plus importante de sédiments que d'eau rejoint la branche latérale.

## Les intersections rendent la mesure de débit complexe

D'un point de vue opérationnel, la première problématique liée aux intersections concerne la mesure du débit. Celle-ci est en effet rendue complexe par la présence des écoulements tridimensionnels, notamment car il est délicat de relier la vitesse mesurée localement avec la vitesse moyenne, qui, multipliée par la section de passage, permet d'estimer le débit liquide.

Concernant la mesure du débit en confluence, El Bahlouli et al. (2017, figure 3) ont montré qu'en utilisant un capteur Doppler posé au fond, une distance d'environ 10 largeurs à l'aval de la confluence est requise afin d'estimer le débit avec une erreur de l'ordre de 5%, pour un rapport d'aspect moyen (rapport « largeur/profondeur » compris entre 2 et 4). En revanche, si l'écoulement est peu profond ou très profond (rapport « largeur/profondeur » < 2 ou > 4), cette erreur augmente jusqu'à 15, voire 20%, même pour des distances beaucoup plus élevées.

En diffluence, la mesure du débit au sein de la branche latérale est rendue particulièrement délicate par un caractère tridimensionnel très marqué de l'écoulement et la présence de la zone de recirculation. L'estimation de ce débit, notamment au sein des déversoirs d'orage, nécessite l'utilisation d'ouvrages spécifiques, tels que des canaux Venturi ou des dispositifs calibrés du type DSM-flux (voir Question 2.6: Comment mesurer le débit déversé par un déversoir d'orage?).

## Les intersections peuvent causer une accumulation de polluants

Pour ce qui est du transport particulaire, les travaux de laboratoire - dont certains sont menés dans le cadre de l'OTHU - ont confirmé la présence de dépôts spécifiques dans les zones de stockage, pour les diffluences comme pour les confluences. Ces zones de stockage, notamment au sein des zones de recirculation, peuvent être à l'origine d'une accumulation de polluants : polluants flottants en surface, polluants particulaires déposés au fond, ou polluants dissous.

De plus, de nombreux auteurs commencent à s'intéresser à l'efficacité du mélange à l'aval des confluences; ce mélange étant rendu particulièrement complexe par les écoulements secondaires dans la branche aval des confluences et latérale des diffluences (figure 1a).

<figure><img src="image_156.png" /><figcaption>**Figure 3** : Champ de vitesse de l'écoulement dans une confluence, avec en noir les volumes de mesure vus par des capteurs Doppler localisés à différentes distances de la confluence (source : El Bahlouli et al., 2017).</figcaption></figure>
En Bref...

Les réseaux d'assainissement présentent de nombreuses singularités, parmi lesquelles les intersections de canalisations, qui rendent les écoulements localement fortement tridimensionnels avec de forts gradients de vitesse. Cela engendre des difficultés de mesurage du débit à proximité mais également de potentielles accumulations de polluants dans les zones de recirculation.

POUR ALLER PLUS LOIN

► **Larrarte F.**, (2019). Rapport final du projet MENTOR selon consignes ANR. [Rapport de recherche] IFSTTAR – Institut Français des Sciences et Technologies des Transports, de l'Aménagement et des Réseaux. 2016, 11 p. – https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-01712018 ainsi que les guides techniques du projet : lc.cx/mentor2016

► **Larrarte F., Bardiaux J-B., Bellahcen S., Bonakdari H., Claverie R., et al.**, Projet COACHS – Rapport finalisé. [Rapport de recherche] IFSTTAR – Institut Français des Sciences et Technologies des Transports, de l'Aménagement et des Réseaux. 2014, 162 p. – https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-01578395

► **Momplot A., Lipeme Kouyi G., Bertrand-Krajewski J.-L., Mignot E., Rivière N.**, (2013). Modélisation tridimensionnelle des écoulements multiphasiques en régime instationnaire au droit d'ouvrages spéciaux présents en réseau d'assainissement : performances des modèles et analyse de sensibilité. *La Houille Blanche – Revue internationale de l'eau*, EDP Sciences, 2013 (4), pp.16-24. – https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-00931486/
# Techniques alternatives... Des alternatives loin de n'être que techniques !

Sylvie Barraud, Hélène Castebrunet, Gislain Lipeme Kouyi, INSA Lyon - Elodie Brelot, GRAIE

Les techniques alternatives regroupent une multitude de solutions permettant une gestion intégrée et décentralisée des eaux pluviales urbaines. Elles s'appuient sur des solutions d'aménagement favorisant l'infiltration, le stockage temporaire ou encore l'évapotranspiration comme les solutions fondées sur la nature par exemple. On tend de plus en plus à rectifier la terminologie pour parler de solutions de gestion à la source ou solutions décentralisées pour dépasser une vision purement technique qui s'appuierait sur un catalogue de technologies préconçues. L'idée est de gérer l'eau de pluie comme une ressource au service de l'aménagement et non comme un problème technique dont il faudrait se débarrasser.

## Une diversité de solutions

Les techniques alternatives désignent un ensemble de solutions répondant à une évolution majeure de la stratégie de gestion des eaux pluviales (EP) dans l'aménagement depuis les années 1970 : d'une stratégie fondée sur l'évacuation rapide des eaux pluviales drainées par réseaux de conduites, nous sommes passés progressivement à une stratégie de contrôle du ruissellement et de la gestion au plus près de la source.

En France, les premières réponses, notamment dans un contexte d'expansion urbaine et de villes nouvelles, ont été la réalisation de bassins de retenue et d'infiltration, souvent à l'exutoire d'un réseau (photos 1. a et b), (solutions centralisées). Depuis, et, notamment dans un contexte de densification et de reconstruction de la ville sur la ville, les solutions à la source se développent, sous des formes multiples tant en termes de géométrie, que de matériaux, comme les noues, toitures végétalisées, jardins de pluie, chaussées à structure réservoir, fossés, tranchées et puits d'infiltration... (photos 1. c et d).

Le recours à ces modes de gestion est largement partagé à l'international; on les trouve ainsi sous des vocables comme : LIDS (système de développement à faible impact), BMP (pratique de gestion optimisée sous-entendue des EP), SUDS (système de drainage urbain durable), WSUD (conception de la ville sensible à la problématique de l'eau) ou encore NBS (solution fondée sur la nature) (Fletcher et al., 2014).

Le vocable « Techniques alternatives » usité en France n'est pas des plus heureux, et ce pour deux raisons :

* parce qu'une « technique » a une fonction de service principal, qui serait la gestion des eaux pluviales, alors que, au-delà de la gestion des eaux pluviales, l'importance et la diversité des autres fonctions et services rendus dépassent largement la simple réponse d'un ouvrage technique,

* parce qu'une solution présentée comme « alternative » (sous-entendu au tout-tuyau) fait toujours référence à ce mode d'évacuation traditionnel qu'il s'agit de dépasser et qui ne constitue pas une référence.

Le terme générique de solution de gestion décentralisée des eaux pluviales semble ainsi mieux couvrir l'ensemble de solutions proposées ici.

## Des fonctions multiples

Les stratégies de gestion des eaux pluviales à la source doivent répondre à plusieurs objectifs :

* maîtriser les risques d'inondation;

* préserver l'alimentation naturelle des nappes, des cours d'eau, et donc des ressources en eau;

* préserver la qualité des milieux naturels et ressources en eau;

* limiter les coûts de gestion collective des eaux,

* favoriser/optimiser les aménagements en les rendant plurifonctionnels;

* rendre les villes plus résilientes face aux changements globaux.

La plurifonctionnalité des solutions de gestion décentralisée des eaux pluviales leur permet de répondre à ces objectifs :

### Les fonctions de service ou fonctions premières

* éviter le ruissellement, la concentration des flux d'eau et de polluants, et s'adapter aux différents évènements climatiques;

* favoriser la rétention d'eau, l'infiltration, l'évaporation et l'évapotranspiration et, si ruissellement il y a, le ralentir et stocker temporairement l'eau pour contrôler les débits à l'aval;

* abattre la pollution des eaux pluviales, par des processus de décantation, de filtration, d'adsorption et de dégradation biologique naturelle.

### Les fonctions vis-à-vis du système global

Elles permettent de soulager les systèmes d'assainissement traditionnels, en désimperméabilisant la ville et en déconnectant les eaux pluviales : elles évitent ou limitent les rejets
polluants par temps de pluie et réduisent les perturbations géomorphologiques et biologiques des cours d'eau. Elles évitent aussi une augmentation exponentielle de la taille des ouvrages et des contraintes d'exploitation, donc permettent de réduire les coûts.

## Les fonctions connexes des solutions ou services rendus dans l'aménagement

Loin d'être négligeables, ces fonctions sont de vraies plus-values. Elles peuvent en effet être :

* support de biodiversité et contribution aux îlots de fraicheur en milieu urbain;

* développement d'espaces multi-usages et amélioration de la qualité paysagère (aires de loisir, terrains de sport, parcs urbains...).

Technique alternative... l'alternative est loin de n'être que technique et devient peu à peu la voie principale pour gérer les eaux de pluie.

<figure><img src="image_157.png" /><figcaption>Photo 1b : Bassin d'infiltration centralisé (IUT Villeurbanne).</figcaption></figure>

<figure><img src="image_158.png" /></figure>
<figure><img src="image_159.png" /></figure>

<figure><img src="image_160.png" /></figure>
## Qu'a étudié et apporté l'OTHU ?

L'OTHU s'est attelé dès ses débuts à l'évaluation des performances de ces dispositifs de gestion des eaux pluviales en profitant de sa forte interdisciplinarité et du suivi sur le long terme pour en mesurer les impacts. Cependant, les partenaires opérationnels et chercheurs de l'OTHU ont privilégié tout d'abord l'instrumentation et le suivi de dispositifs centralisés de retenue-infiltration car particulièrement développés sur la métropole de Lyon avec des enjeux forts sur leurs possibles effets sur les eaux souterraines. C'est le cas du bassin de Django-Reinhardt (bassin infiltrant sur moins d'un hectare les eaux d'une surface de 185 ha imperméabilisée à plus de 70%), ainsi que de plus de dix autres bassins de l'Est lyonnais du même type. Le suivi a donné lieu au déploiement d'équipements métrologiques très novateurs et surtout très intégrés (couplant des mesures de différentes natures). Les recherches ont permis d'apporter des éléments de réponses sur :

* le rôle des dispositifs de prétraitement sur la gestion des flux d'eau, de solides (décantation) et de polluants;

* la caractérisation physico-chimique et microbiologique puis la traitabilité des sédiments piégés dans ces dispositifs ou des fonds de bassins d'infiltration, (voir Chapitre 5: Contaminants);

* le rôle des dispositifs d'infiltration centralisés sur le piégeage ou non des polluants et l'impact bio-physico-géo-chimique potentiel des infiltrations sur les nappes, (voir Chapitre 6: Impacts);

* l'évolution du colmatage sur le long terme ainsi que le rôle de la végétation et d'invertébrés du sol dans cette évolution, (voir Question 7.4: Quel est le rôle de la végétation dans le colmatage des systèmes d'infiltration ? et Question 7.5:

Quel est le rôle de la faune dans le colmatage des systèmes d'infiltration ?;

* les tendances d'évolution sur le long terme, notamment des températures des eaux de surfaces ou souterraines, en lien avec l'évolution des températures de l'air;

* la définition et l'évaluation d'indicateurs de performances.

Fort de ses connaissances et son expertise, l'OTHU s'est ensuite engagé dans l'instrumentation spécifique des solutions de gestion décentralisée.

Outre les aspects hydrologiques, sur ces ouvrages, la question de la multifonctionnalité a été également abordée du point de vue sociologique (usages) et anthropologique (pratiques des organisations assurant la gestion). La question des freins à l'adoption de ces solutions a également été traitée. L'analyse des perceptions et des modes de représentation de ces dispositifs et de leur fonction de traitement par différentes catégories d'acteurs et d'usagers a été approfondie (voir Chapitre 1: Stratégie).

Plus récemment, les recherches ont permis de comparer les systèmes à la source aux systèmes centralisés du point de vue de leur rôle vis-à-vis des micropolluants (métaux, pesticides, HAP, alkylphénols et dérivés et retardateurs de flammes bromés). (voir Question 8.5: Quelle est l'efficacité des ouvrages alternatifs vis-à-vis des micropolluants?).

Aujourd'hui les recherches sur les performances des ouvrages à la source se poursuivent et se prolongent par la mise en place de modélisations des processus au sein des ouvrages (processus internes décrivant le comportement vis-à-vis des flux d'eau et de polluants) ou de modélisation à l'échelle plus large (quartier ou ville par exemple) pour évaluer l'impact de scénarios de gestion décentralisée. Les effets de la végétalisation sur le microclimat de quartiers aménagés avec des solutions décentralisées sont également en cours d'étude.
# Quels sont les facteurs influençant le fonctionnement et la conception d'un ouvrage d'infiltration ?

Gislain Lipeme Kouyi, INSA Lyon - Laurent Lassabatere, ENTPE - Sylvie Barraud, INSA Lyon - Nelly Maamir, La métropole de Lyon - Rafael Angulo Jaramillo, ENTPE

Qu'ils soient centralisés (bassins) ou à la source (noues, tranchées d'infiltration, parkings drainants, etc.), les ouvrages d'infiltration doivent permettre d'infiltrer les eaux pluviales tout en retenant au mieux les polluants transportés par ces eaux. La performance de ces ouvrages dépend fortement de certains facteurs liés à leur conception et à leur entretien, qu'il est essentiel de connaître et de maîtriser pour tendre vers un fonctionnement optimal.

## Filtration et infiltration...

Le fonctionnement d'un ouvrage d'infiltration peut principalement être caractérisé en termes techniques, par deux grandes fonctions: la fonction « infiltration » de l'eau et la fonction « filtration » des polluants. La première vise l'infiltration des eaux pluviales comme mode de drainage d'opérations d'aménagement permettant de se prémunir d'un niveau de risque d'inondation donné. L'infiltration de l'eau permet également de contribuer à recharger la nappe phréatique, si nappe il y a et/ou d'alimenter les couches superficielles de sol et de la végétation s'y trouvant. Les dispositifs doivent être conçus pour éviter la stagnation prolongée des eaux en surface et donc retarder le colmatage. La seconde fonction, qualifiée communément de filtration, même si c'est un abus de langage (voir question 7.2), vise à favoriser la rétention et/ou la dégradation des polluants dans les horizons superficiels du sol de manière à transférer le moins possible les polluants issus du ruissellement.

L'évaluation des performances hydrologiques et d'interception des polluants à court et long termes (incluant les effets du colmatage) a fait l'objet de nombreuses recherches à l'OTHU pour des dispositifs centralisés. On trouvera au chapitre 7 les principaux résultats obtenus sur les différents aspects.

Plus récemment les recherches ont également investigué la question des performances des systèmes d'infiltration à la source (Projet OFB-Micromegas mené en lien avec les projets Matriochka à Nantes et Roulépur à Paris issus des observatoires OPUR et ONEVU). Les résultats sont présentés à la Question 8.5. Quelle est l'efficacité des ouvrages alternatifs vis-à-vis des micropolluants ? Il reste encore à ce jour des inconnues concernant le fonctionnement de ces ouvrages à la source sur le long terme et sur l'impact de certains choix de conception et de stratégies d'entretien qui permettraient de développer des méthodologies rigoureuses de gestion patrimoniale.

Malgré tout, ces travaux de recherche ont permis de mettre en lumière un certain nombre de facteurs influençant le fonctionnement des ouvrages, et dont il faut tenir compte lors des phases de conception et d'exploitation.

## Les facteurs impactant le fonctionnement et la conception d'un ouvrage d'infiltration

### Le rapport entre la surface d'infiltration de l'ouvrage et la superficie d'apport des eaux du bassin versant drainé (surface active)

L'idée est que l'on ne doit pas chercher à infiltrer sur des surfaces faibles des quantités d'eau issues de bassins versants drainant des zones de surface importante. Les ouvrages d'infiltration sont en effet des « concentrateurs » de flux d'eau et de polluants, notamment lorsqu'ils sont centralisés. L'effet de concentration est d'autant plus grand que la surface du bassin versant drainé est importante devant la surface d'infiltration.

Ce rapport doit être au moins de l'ordre de quelques pourcents. Il est parfois préférable d'avoir ce ratio élevé, mais cela interroge évidemment la disponibilité de l'espace pour infiltrer dans de bonnes conditions.

### Les caractéristiques des bassins versants

Les activités et la taille du bassin versant drainé conditionnent évidemment les flux et la nature des polluants/contaminants. Pour les polluants chimiques, on ne peut malheureusement pas associer, même qualitativement, un type d'urbanisation à des niveaux approximatifs de pollution. Les concentrations comme les masses sont extrêmement variables d'un évènement à l'autre avec une variabilité supérieure à celle d'un site à l'autre.

Cependant, il sera important de prêter attention aux apports possibles de polluants (utilisations de produits phytosanitaires par exemple sur les ouvrages ou aux alentours) ou encore aux apports de fines (chantiers à proximité, types de surfaces érodées...) pour ne pas colmater précocement les surfaces infiltrantes.

### Les propriétés du sol sous l'ouvrage d'infiltration

La conductivité hydraulique (perméabilité) du sol est évidemment un facteur clé. Le sol doit tout d'abord présenter une **conductivité hydraulique (perméabilité)** suffisante. En outre, la **zone non saturée** doit être suffisamment épaisse. Cette zone sert de zone tampon entre la surface du sol et la nappe phréatique et permet l'essentiel de la dégradation et de la rétention des polluants. C'est elle qui
assure principalement la fonction « filtration/rétention » des polluants. On s'accorde souvent sur une épaisseur minimale de 1 à 2 m.

La nature du sol doit être également propice à la présence d'eau : Certains sols, superficiels ou non, ont des comportements mécaniques interdisant l'infiltration ou tout du moins la limitant. En matière de stabilité, le risque de dissolution des sols peut être important dans les sols gypseux et interdit toute infiltration ponctuelle et centralisée. De même, le phénomène de retrait-gonflement peut entraîner, dans certains sols, des désordres mécaniques sur les structures environnantes. Ce phénomène n'est pas forcément rédhibitoire car il peut aussi favoriser la stabilité des ouvrages. Chaque sol sera à étudier au cas par cas.

## Les apports et leurs répercussions sur les propriétés du sol

L'apport de matière en suspension par les eaux de ruissellement pluvial est un des facteurs qui conduit à un **colmatage** progressif de l'ouvrage. Une **couche sédimentaire** peut se former en surface et ainsi freiner l'infiltration et faciliter la décantation de matière solide en surface. Cette couche de surface induit donc une réduction de l'infiltration et nuit à la fonction « infiltration ». En parallèle, constituée de particules fines, elle favorise l'adsorption de certains polluants et est donc bénéfique pour la fonction « filtration ». Notons que le colmatage peut être également biologique (voir Question 7.3: Comment un système d'infiltration se colmate-t-il et en combien de temps ?).

## Recommandations pour les ouvrages d'infiltration

Pour garantir un bon fonctionnement de ces ouvrages, nous recommandons de les installer sur des formations géologiques superficielles perméables. Dans la région lyonnaise, une grande partie repose sur un dépôt fluvioglaciaire très perméable, ce qui permet de remplir cette condition. Il faut s'assurer aussi du maintien dans le temps de la fonction « infiltration » par suivi du colmatage et de son effet négatif sur cette fonction. En parallèle il faut veiller à ce que la capacité d'infiltration ne nuise pas à la capacité de filtration et d'épuration de l'ouvrage de sorte que le risque de pollution de la nappe soit réduit. On admet communément que si on maintient au moins deux mètres de zone non saturée pour le cas d'un ouvrage d'infiltration centralisé, on assure une filtration de la plus grande partie des polluants. Il faut aussi veiller à ce que l'ouvrage d'infiltration centralisé soit éloigné des zones vulnérables en termes de qualité des eaux (puits de captage, etc.). Les ouvrages d'infiltration doivent être exploités en prenant en compte l'évolution du système dans son ensemble, en incluant les effets de la végétation, des changements globaux et des forçages anthropiques.

De plus, la présence d'eau dans le sol et la couche sédimentaire de surface rendent ces lieux propices à la colonisation par les plantes. Or, la **végétation** influence fortement le fonctionnement d'un ouvrage. Le développement du système racinaire permet d'améliorer la fonction « infiltration ». En effet, en se développant dans le sédiment et le sol sous-jacent, les racines créent des macropores, favorisant l'infiltration de l'eau vers les horizons inférieurs. Cet effet positif sur la fonction « infiltration » peut se traduire par un effet négatif potentiel sur la fonction « filtration », avec un risque de migration des polluants en lien avec la création des **chemins d'écoulement préférentiel**. Cependant, globalement les observations menées dans l'OTHU, montrent que la présence de végétation a un effet bénéfique, pour des dispositifs centralisés ou décentralisés, ceci est lié au complexe sol/végétation qui est notamment très efficace pour lutter contre le colmatage et retenir la pollution particulière (voir Question 7.4: Quel est le rôle de la végétation face au colmatage des systèmes d'infiltration ?).

Par ailleurs, l'évolution dans le temps des apports et la continuité écologique débouchent sur la constitution d'un écosystème dynamique propice au développement de la **biodiversité** et fortement dépendant des conditions locales (géologie, climat,...). Ces écosystèmes sont aussi a priori soumis aux **changements globaux** et notamment au réchauffement du climat en cours. Les études menées sur l'OTHU sur de longues chroniques montrent que les effets des variations de températures sont d'autant plus sensibles que les dispositifs sont centralisés avec des zones non saturées faibles. (voir notamment question 6.1: Quel est l'impact des bassins d'infiltration d'eaux pluviales sur les nappes phréatiques ?)

## Les ouvrages à la source ont une capacité de filtration et de rétention des micropolluants plus élevée

Divers systèmes de gestion des EP ont été comparés en termes de fonction « infiltration » et « filtration ». Pour cette dernière, nous avons comparé trois systèmes de gestion à la source (parking muni d'une chaussée à structure réservoir et revêtement perméable, d'une tranchée d'infiltration; et d'une noue) à un parking traditionnel imperméable dans le but d'avoir une première idée du niveau de performances en terme d'abattement de micropolluants des systèmes d'infiltration par rapport à un système imperméable. Les constats suivants ont été établis à l'issue de cette étude sont: (voir aussi Question 8.5: Quelle est l'efficacité des ouvrages alternatifs vis-à-vis des micropolluants ?):

* un effet significatif sur l'infiltration de l'eau et la réduction des volumes ruisselés à gérer;

* un abattement très efficace des micropolluants particulaires et même dissous sur ces petits systèmes;

* une efficacité plus élevée pour les systèmes décentralisés que centralisés;

* une efficacité des systèmes végétalisés encore plus élevée.

Un dispositif d'infiltration végétalisé avec une terre végétale comme support semble plus efficace. Ces résultats sont à confirmer sur le long terme.

## Le test Beerkan pour évaluer la capacité d'infiltration des surfaces drainantes ou de fonds d'ouvrages

De nombreuses solutions font appel à des revêtements de surface drainants (enrobés, bétons drainants, pavés perméables, dalles gazon...) ou infiltrent au travers de surfaces
<figure><img src="image_161.png" /><figcaption>**Photo 1** : Bassin d'infiltration végétalisé Minerve sur le site de Portes des Alpes – Métropole de Lyon (source : UCBL Lehna E3S).</figcaption></figure>

<figure><img src="image_162.png" /></figure>
de sols naturels ou rapportés dont il est nécessaire de s'assurer périodiquement de la perméabilité.

Le test Beerkan, permet d'évaluer la perméabilité de tels dispositifs. Il consiste à poser un anneau à même le sol et à verser dans l'anneau des volumes successifs d'eau connus (souvent de 100 ou 200 ml). Le temps d'infiltration est alors noté pour tous les volumes d'eau. Le ratio « volume d'eau infiltré » sur « temps d'infiltration » permet de quantifier le flux infiltré et donne une bonne idée de la capacité d'infiltration du revêtement ou de la surface d'infiltration en présence. Cette technique est très simple. Elle peut être facilement déployée à plus large échelle pour comparer les zones d'infiltration entre elles (variabilité spatiale au sein d'un ouvrage ou comparaison entre ouvrages). Elle peut être aussi employée pour suivre l'impact de la couche sédimentaire de surface sur l'infiltration en des points particuliers. La comparaison de données entre une zone témoin non affectée par la couche sédimentaire et une zone colmatée permet de mesurer la réduction de perméabilité. Cette dernière donnée peut ensuite être utilisée pour modéliser le fonctionnement de l'ouvrage (Lassabatere et al., 2010) et/ou intervenir pour une opération de décolmatage.

Par exemple, des essais ont été effectués pour divers revêtements perméables ou surfaces d'ouvrage sur le site Ecocampus de la Doua (figure 1): sur des surfaces de noues, de tranchées, de parkings et plateformes drainants, etc. et sur des surfaces naturelles témoin (surfaces enherbées). Il s'agissait de comparer ces types d'ouvrages en termes de capacités d'infiltration. On s'aperçoit que les parkings drainants garantissent une perméabilité importante au bout d'une dizaine d'années. En revanche, les structures alvéolaires ne présentent pas plus de perméabilité que les revêtements de parkings et sont moins perméables que les surfaces enherbées adjacentes.

Notons que pour des ouvrages centralisés de grandes tailles (quelques milliers de m²), une méthode de mesure de colmatage « en grand » a été élaborée par les équipes de l'OTHU et permet d'avoir une idée réaliste de leur état global de colmatage.

## Recommandations pour limiter le colmatage lors de la conception des ouvrages

Le programme ANR Ecopluies a permis d'aboutir à un ensemble de recommandations pour la faisabilité, la conception et la gestion des ouvrages d'infiltration des eaux pluviales en milieu urbain (Barraud et al., 2006). Ainsi, pour limiter le colmatage, il est recommandé lors de la conception des ouvrages :

* de prendre principalement en compte le colmatage du fond et moins celui des parois;

* de prendre un rapport de surfaces « S infiltrée/ S active » le plus élevé possible (ne jamais descendre en dessous de 1%);

* pour des ouvrages centralisés, d'éviter l'apport permanent d'eau de temps sec, qui favorise le développement de biofilm;

* de protéger le fond des ouvrages par de la végétation dont les racines sont peu denses ou par du matériau granulaire protégeant de la lumière et donc du développement de biofilm;

* lors de la réhabilitation d'un site, de contrôler toute opération d'enlèvement des sédiments et de terrassement, de manière à ne pas enfouir les couches colmatées et compacter le sol.
# Quelle est l'efficacité des ouvrages alternatifs vis-à-vis des micropolluants ?

Sylvie Barraud et Hélène Castebrunet, INSA Lyon

Si vous avez été déçus de ne pas pouvoir apprécier des résultats concrets à la Question 2.5 présentant les problématiques de la mesure d'efficacité de dispositifs alternatifs, voici de quoi combler votre frustration et prendre connaissance des tendances observées à partir de ces suivis des micropolluants.

## Les techniques alternatives réduisent la contamination des rejets

Les solutions alternatives de gestion des eaux pluviales (EP) sont promues car elles visent à diminuer les flux d'eau et à réduire la contamination des rejets vers des milieux aquatiques superficiels et souterrains :

* soit par décantation : dans le cas des systèmes centralisés de type bassins de retenue-décantation;

* soit par limitation des émissions, du lessivage et/ou par piégeage, filtration, décantation : dans le cas des systèmes à la source de type noues, chaussées à structure réservoir (CSR), toitures stockantes, puits, biofiltres, tranchées, etc.

**Figure 1** : Abattements en masses au mètre carré actif sur l'ensemble des sites et pour les quatre sites et pour les familles de micropolluants. Les abattements sur le bassin de retenue sont évalués entre entrée et sortie (comparaison d'un système traditionnel de conduites vs sortie du bassin de retenue). Les abattements sur les dispositifs à la source sont évalués par rapport à une surface de référence (comparaison d'un parking traditionnel vs parking muni de la noue). (Source : Garnier, 2020)

BR = Bassin de retenue, CSR = Chaussée à structure réservoir, Noue = Parking muni de la noue végétalisée, Tranchée = Parking muni de la tranchée de graves.

### Abattement en masse/m² actif des rejets en Métaux

<figure><img src="image_163.png" /></figure>

### Abattement en masse/m² actif des rejets en HAPs

<figure><img src="image_164.png" /></figure>

Liste des HAPs analysés : Nap | Ace | Flu | Phe | Flu | Pyr | BaA | Chr | BbF | BkF | BaP | IP | Bper | 16HAPs
Mais ces ouvrages alternatifs sont-ils réellement efficaces vis-
à-vis des micropolluants ?

## Le principe d'évaluation : une comparaison des ouvrages alternatifs et traditionnels

L'efficacité des ouvrages alternatifs vis-à-vis des micropol-
luants est une des questions à laquelle s'est intéressé l'OTHU

depuis 2010. Son évaluation, telle qu'elle a été abordée,
concerne le gain ou la perte de performance par rapport à
un système traditionnel de gestion des EP. Autrement dit,
les chercheurs de l'OTHU ont souhaité savoir si des sites mu-
nis d'ouvrages alternatifs déversent davantage ou moins de
micropolluants que s'ils n'en étaient pas dotés.

Pour cela, l'efficacité événementielle a été analysée en
termes de volumes d'eau, de concentrations et de masses de
micropolluants (ramenées au mètre carré actif) de manière à
pouvoir comparer les dispositifs entre eux. Les micropolluants

Abattement en masse/m² actif des rejets en Pesticides

<figure><img src="image_165.png" /></figure>

Liste des Pesticides analysés : Carbendazime, Atrazine, Diuron

Abattement en masse/m² actif des rejets en Alkylphénols

<figure><img src="image_166.png" /></figure>

Liste des Alkylphénols analysés : BPA, NPEC1, 4-OP, OP1EO, 4-NP, NP2EO, NP1EO

Abattement en masse/m² actif des rejets en PBDE

<figure><img src="image_167.png" /></figure>
considérés sont issus de six grandes familles (HAP, métaux, bisphénol A, alkylphénols, pesticides, PBDE) sélectionnés pour avoir souvent été détectés dans les EP (voir Question 5.1 : *Qu'est-ce que la pollution des eaux pluviales* ?).

La recherche s'est appuyée sur le suivi :

* de trois systèmes à la source drainant des eaux de ruissellement de parking sur le campus LyonTech la Doua à Villeurbanne: Deux sont des parkings de même facture d'environ 300 m<fnref n="2" /> dont les eaux sont évacuées, l'un par une noue végétalisée et l'autre par une tranchée de graves. Le troisième est un parking en chaussée à structure réservoir (CSR) à revêtement drainant de 94 m<fnref n="2" />. Les ouvrages sont étanchés pour les besoins expérimentaux. Une zone de référence en chaussée traditionnelle permet une comparaison des flux d'eau et de polluants;

* d'un système centralisé (bassin de retenue Django-Reinhardt) qui draine 185 ha imperméabilisés à 70% environ au moyen d'un réseau séparatif. Là encore la comparaison avec un système traditionnel (réseau séparatif pluvial se jetant dans le bassin) sert de référence pour la mesure de l'efficacité.

## Les principales tendances observées

### Les micropolluants sont bien présents dans les EP collectées par les dispositifs traditionnels

En entrée du bassin de retenue (c'est à dire en sortie de bassin versant) comme en sortie du parking imperméable, les micropolluants sont bien présents. Toutes les substances recherchées ont été détectées au moins une fois sur un des sites à l'exception du dibenzo (a, h) anthracène (un HAP). Les eaux sont sans surprise chargées en métaux ou métalloïdes (As<fnref n="1" />, Cr<fnref n="1" />, Cu<fnref n="1" />, Pb<fnref n="2" />, Zn<fnref n="1" /> et Cd<fnref n="3" />), en HAP notamment lourds (Fluoranthène<fnref n="2" />, Benzo(b)fluoranthène<fnref n="3" /> ou Benzo(g, h, i) pérylène<fnref n="3" />) avec des concentrations proches ou dépassant les valeurs de NQE « Norme de Qualité Environnementale »<fnref n="4" />. En revanche, elles sont relativement peu chargées (valeurs souvent inférieures aux NQE) en pesticides, alkylphénols et PBDE, même si ces trois familles de polluants sont très souvent présentes. L'ensemble des concentrations mesurées se situent dans les fourchettes de valeurs de la littérature quand elles existent.

Enfin, il n'y a pas de différence majeure entre les gammes de concentrations observées en entrée du système centralisé (bassin de retenue) et en entrée des ouvrages à la source. Pour certaines substances, on peut néanmoins noter des valeurs de concentrations médianes plus élevées en entrée du bassin de retenue, qui peuvent s'expliquer par la grande taille du bassin versant.

### Les techniques à la source semblent plus efficaces que le système centralisé pour réduire les flux de micropolluants

Les efficacités (en masse au mètre carré actif) du bassin de rétention sont, pour la quasi-totalité des substances,

inférieures à celles des ouvrages de gestion à la source (figure 1). En effet, la capacité de décantation du bassin, si elle impacte de manière non négligeable la pollution en phase particulaire (substances majoritairement fixées aux MES comme les métaux, HAP ou PBDE), apparaît comme moins efficace que les processus intervenant au cours de la percolation de l'eau dans les systèmes de gestion à la source, toutes familles de polluants confondues. Par exemple, le substrat végétalisé présent dans la noue est particulièrement efficace. Il ne faut cependant pas tirer de conclusions hâtives sur le rôle joué par la végétation (voir Question 7.2 : *Quel rôle joue le sol dans le piégeage des polluants* ?): les abattements viennent principalement du massif végétalisé (et non de la végétation seule) couplé à un fort abattement en volume (rétention d'eau).

Notons que pour les substances majoritairement en phase dissoute, comme les pesticides, les concentrations ne sont pas réduites par le bassin de retenue. Pour certains d'entre eux (carbendazime, diuron), des relargages ont même été observés. La réduction des émissions passera donc, dans ce cas, par une réduction des volumes rejetés ou mieux, par l'arrêt de l'utilisation de pesticides.

Enfin, le bassin de retenue, bien que moins performant vis-à-vis des micropolluants, reste plus efficace que le système traditionnel de réseaux notamment pour les métaux et HAP avec des efficacités positives (figure 1).

### L'abattement des volumes constitue un levier efficace dans la limitation des rejets polluants

L'efficacité des dispositifs étudiés en termes d'abattement des micropolluants se mesure, pour chaque évènement pluvieux, à leur aptitude à réduire les concentrations (processus bio-physico-chimiques) et les quantités rejetées en masse. Ces dernières dépendent évidemment fortement des volumes, les masses étant calculées sur chaque événement comme le produit d'une concentration moyenne événementielle par le volume. Ainsi, réduire les volumes d'eau rejetés est un premier pas pour limiter les flux polluants sortant des dispositifs.

Le bassin de retenue est étanche et abat donc peu de volume d'eau. Ainsi, seul le processus de traitement par décantation permet de réduire le flux de polluants. C'est pourquoi l'efficacité du bassin n'est jugée correcte que pour les polluants particulaires tels que les métaux et les HAP.

À l'inverse, le parking muni de la noue (même si celle-ci est étanchée en fond), présente des abattements très élevés (proche de 100% en médiane) sur pratiquement tous les polluants sélectionnés. Le substrat de la noue absorbe en effet souvent la totalité du volume généré par les pluies (63 % des pluies mesurées) montrant son fort pouvoir de rétention d'eau pour les petites pluies.

<footnote n="1">¹ Substance à surveiller selon l'arrêté du 17 octobre 2018</footnote>

<footnote n="2">² Substance prioritaire selon la Directive Cadre Eau, Dir 2013/39/EU</footnote>

<footnote n="3">³ Substance prioritaire dangereuse selon la Directive Cadre Eau, Dir 2013/39/EU</footnote>

<footnote n="4">⁴ NQE = La Directive Cadre sur l'Eau définit, à son article 2, la Norme de Qualité Environnementale (NQE) comme « la concentration d'un polluant ou d'un groupe de polluants dans l'eau, les sédiments ou le biote qui ne doit pas être dépassée, afin de protéger la santé humaine et l'environnement ».</footnote>
## En Bref...

L'abattement des volumes est un vrai levier pour la limitation des flux de micropolluants. Il peut donc être judicieux de développer une stratégie de réduction des volumes en ayant recours à l'infiltration et la végétalisation. Le dispositif végétalisé montre en effet de bonnes performances pour la plupart des substances. La métropole de Lyon l'a bien compris : elle préconise de déconnecter les eaux du réseau pour les pluies de moins de 15 mm (80 % des pluies annuelles sur son territoire) et promeut largement le concept de « Ville perméable ».

## POUR ALLER PLUS LOIN

* **Garnier R.,** (2020). Systèmes alternatifs de gestion des eaux pluviales : Contribution à l'analyse de performances conjointes en matière d'hydrologie quantitative et de piégeage de micropolluants. Comparaison systèmes à la source – système centralisé. Thèse de doctorat de l'INSA de Lyon. 318 p. – lc.cx/garnier2020

* **Sébastian C.,** (2013). Bassin de retenue des eaux pluviales en milieu urbain : performance en matière de piégeage des micropolluants. Thèse de doctorat de l'INSA de Lyon. 318 p. – lc.cx/sebastian2013
# Comment concevoir un bassin de retenue-décantation efficace en matière de piégeage des sédiments et de la pollution particulière ?

Gislain Lipeme Kouyi, INSA Lyon

Les bassins de retenue-décantation consistent à stocker des eaux de ruissellement pluvial pendant un certain temps afin de permettre une dépollution de ces eaux par décantation. Mais pour que ces ouvrages soient réellement efficaces, plusieurs facteurs sont à prendre en compte lors de la phase de conception.

## Qu'est-ce qu'un bassin de retenue-décantation ?

Les ouvrages dédiés à gérer les flux d'eau et assurer la dépollution des eaux de ruissellement pluvial grâce à une séparation solide-liquide par décantation sont appelés bassins de retenue-décantation. Les bassins de retenue-décantation étudiés dans le cadre de l'OTHU sont dits « secs » (par opposition aux bassins dits « en eau »). Ces bassins « secs », largement répandus, sont conçus pour se vidanger au bout de 24 à 30 heures de façon à pouvoir être fonctionnels lors de l'événement pluvieux suivant. De façon générale, les bassins de retenue-décantation remplissent trois fonctions principales à prendre en compte dès la conception du bassin :

* protéger les secteurs en aval contre les inondations;

* permettre une dépollution des eaux de ruissellement grâce à la séparation solide-liquide par décantation;

* éviter la remise en suspension des dépôts ainsi constitués.

Ces deux dernières fonctions sont complémentaires pour réduire les risques de pollution à l'aval, qu'il s'agisse d'eaux de surface ou eaux souterraines et limiter les risques de colmatage si l'eau transite par un bassin d'infiltration connecté au bassin de retenue.

## Plusieurs facteurs clés à prendre en compte

Pour pré-dimensionner ces bassins à des fins hydrauliques, plusieurs méthodes sont couramment utilisées: la méthode des pluies<fnref n="1" />, la méthode des volumes² ou pour les dimensionner et les simuler: la méthode des débits³.

Cependant ces méthodes ne permettent pas d'évaluer une quelconque efficacité de traitement de la pollution. Un des aspects majeurs pour la prendre en compte qualitativement est d'essayer d'assurer des conditions tranquillisées (non turbulentes) dans les bassins.

Une ancienne étude menée sur la base de modélisation (Persson, 2000) montre l'impact de du design des bassins sur leur efficacité; les bassins étaient tous de mêmes capacités, mêmes sollicitations d'entrée et niveau de régulation en sortie (figure 1). Elle permettait d'identifier des éléments concrets pouvant être utilisés de manière simple :

* **Nombre d'entrées**: il est préférable d'avoir plusieurs entrées plutôt qu'une seule (modèle E, figure 1). En

**Figure 1:** Exemples de géométrie pour le cas de bassins de retenue-décantation (vue en plan) selon (Persson, 2000). L'indicateur donne un score global au bassin en termes d'efficacité.

Les modèles conseillés sont : E, G, I, J, P, Q.

Les profondeurs sont comprises entre 0,5 et 2 m.

Les rapports « longueur sur largeur » pour les modèles E, I et J sont respectivement de 2, 4 et 12.

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<figure><img src="image_174.png" /></figure>

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<figure><img src="image_176.png" /></figure>

<figure><img src="image_177.png" /></figure>

<figure><img src="image_178.png" /></figure>

<figure><img src="image_179.png" /></figure>

<figure><img src="image_180.png" /></figure>

<figure><img src="image_181.png" /></figure>

<footnote n="1">¹ Ic.cx/methodepluies — ² Ic.cx/methodevolumes — ³ Ic.cx/methodedebits</footnote>
cas d'entrée unique, mettre en place des dissipateurs ou d'autres formes d'obstacle pour ralentir l'écoulement (modèles P et Q, figure 1).

* **Géométrie du bassin** et rapport d'aspect ou rapport « longueur sur largeur » pour le cas des bassins rectangulaires: pour une géométrie rectangulaire, il est préférable de construire un bassin plus long que large (sur le modèle J de la figure 1, le bassin est 12 fois plus long que large).

* **Aménagement intérieur**: dans le but d'atténuer la turbulence, ralentir l'écoulement et rallonger le temps de séjour, il est conseillé de compartimenter le bassin en installant des murets ou cloisons ou de mettre en place des chicanes (G) même si cette dernière configuration n'est pas optimale pour l'entretien. Ces aménagements internes permettent également d'éviter la remise en suspension des dépôts.

* **Régulation**: le débit de sortie doit être régulé correctement pour éviter tout court-circuit et donc éviter des temps de séjour très courts (inférieurs à 4 heures). Plusieurs dispositifs de régulation existent comme par exemple des vannes équipées d'un flotteur (voir figure 3). On peut rajouter que les flux de sortie gagnent aussi à être répartis.

## Un bassin réhabilité pour améliorer ses performances

Le bassin de retenue-décantation Django-Reinhardt est situé à l'exutoire d'un bassin versant industriel de 185 ha imperméabilisé à 70 %. Ce bassin a une superficie au sol de 1 ha environ et un volume maximal d'environ 32 000 m³ (figure 2). Le rapport « longueur sur largeur » est de l'ordre de 3. Le bassin a deux entrées dont une entrée majoritairement sollicitée (entrée 1 sur la figure 2). La canalisation circulaire de 600 mm de diamètre reliant les bassins de retenue-décantation et d'infiltration est équipée d'une vanne de régulation (figure 3), avec un débit de sortie régulé à 350 L/s. C'est un bassin à ciel ouvert, et qui doit être sec entre deux événements pluvieux.

<figure><img src="image_182.png" /><figcaption>**Figure 2** : Schéma simplifié du bassin de retenue-décantation Django-Reinhardt.</figcaption></figure>

Les mesures en continu de turbidité transformée en concentrations en MES en entrée et en sortie et le peu de dépôts observés alors dans le bassin montraient clairement qu'il n'avait un design satisfaisant pour piéger les sédiments et les polluants associés. Il a donc été réhabilité en 2004 dans le but d'améliorer ses performances pour le piégeage des polluants particulaires. Il a d'abord été partitionné par un muret. Trois orifices à travers le muret de séparation et une surverse ont ainsi été ajoutés dans le bassin afin de rallonger le temps de séjour et améliorer l'efficacité de piégeage des polluants particulaires avant transfert vers le bassin d'infiltration.

## La modélisation 3D comme outil de conception

La modélisation 3D est une approche qui permet de prédire les zones d'accumulation au sein de ce type d'ouvrage (voir les résultats du projet ANR CABRRES - lc.cx/cabrres). Cette approche tridimensionnelle pose les bases d'un outil opérationnel de conception des bassins de retenue-décantation de formes diverses et variées (pas uniquement rectangulaires) dans un objectif de dépollution des eaux de ruissellement pluvial.

<figure><img src="image_183.png" /><figcaption>**Figure 3** : Vanne-flotteur à la sortie du bassin de retenue-décantation Django-Reinhardt.</figcaption></figure>

## Une chute de performance au-delà de 5 ans d'accumulation de sédiments

Le fonctionnement hydraulique de cet ouvrage et son comportement vis-à-vis de la pollution ont été ensuite étudiés dans le cadre de plusieurs travaux de thèse (A. Torres, H. Yan, C. Gonzalez-Merchan, C. Sébastian, X. Zhu) et projets de recherche (ANR Ecopluies, ANR Cabrres, Gesol, BRtox, etc.) qui ont exploité les mesures de concentrations en MES en entrée sortie réalisées en continu. Les résultats obtenus montrent que la conception du bassin permet de remplir les trois fonctions principales, à condition de ne pas laisser les sédiments s'accumuler au sein de ce dernier pendant plus de 5 ans. Au-delà de 5 ans d'accumulation, on observe en effet une chute de l'efficacité de piégeage de 80 à 50% (réentrainement d'une partie sédiments déposés)

On trouvera, en complément, la Question 8.7 Comment évaluer l'efficacité de piégeage d'un bassin de retenue-décantation ? et à la Question 8.5 Quelle est l'efficacité des ouvrages alternatifs vis-à-vis des micropolluants ?, dont le bassin Django-Reinhardt pour une large gamme de polluants tant dissous que particulaires.

## MISE EN GARDE

Il est déconseillé d'installer des fosses à hydrocarbures ou de décantation au sein des bassins de retenue-décantation. Ce type d'aménagement favorise l'enrichissement en certains microorganismes dont des espèces pathogènes, sans améliorer les capacités d'interception des polluants particulaires.
# Comment évaluer l'efficacité de piégeage d'un bassin de retenue-décantation ?

Gislain Lipeme Kouyi, INSA Lyon

Les bassins de retenue-décantation des eaux pluviales ont pour fonctions principales de protéger les zones situées à l'aval du risque d'inondation, et de piéger les polluants particulaires en vue de préserver la qualité des milieux. Mais une grande partie de ces bassins ont été initialement conçus dans l'objectif exclusif d'atténuer les débits de pointe. Par conséquent, leur efficacité de dépollution est très variable et ne peut être évaluée que par une étude au cas par cas.

## L'efficacité de piégeage est variable et dépend de plusieurs facteurs

Au cours des deux dernières décennies, des recherches ont été menées dans le but d'améliorer les performances des bassins de retenue-décantation pour le piégeage des polluants et micropolluants particulaires (Torres, 2008; Sébastian et al., 2015). Cette efficacité de piégeage ou d'interception dépend de plusieurs facteurs, notamment :

* la géométrie de l'ouvrage;

* les caractéristiques bio physico-chimiques des polluants particulaires;

* le comportement hydrodynamique du bassin. Ainsi, selon leur conception, ces ouvrages peuvent être inefficaces ou très performants, avec des taux d'abattement pouvant atteindre 90%.

La quantification du taux d'abattement de la pollution particulaire par un bassin de retenue peut se faire de deux manières :

* soit en mesurant les masses en entrée et sortie de l'ouvrage;

* soit en modélisant le comportement hydrodynamique de l'ouvrage et le transport des polluants particulaires en son sein.

## Des capteurs in situ pour évaluer les charges polluantes

L'exploitation des mesures de charges polluantes permet d'évaluer l'efficacité de piégeage des polluants particulaires par l'ouvrage. Jusqu'à récemment, les charges en matières en suspension (MES) et en demande chimique en oxygène (DCO) étaient estimées exclusivement à partir d'analyses en laboratoire d'échantillons collectés pendant les événements pluvieux. Cette pratique connaît plusieurs limites: faible représentativité temporelle, transport, conservation et préservation des échantillons, délais pour avoir des résultats. En effet, en raison des coûts expérimentaux et d'analyse élevés, seulement quelques échantillons peuvent être collectés pour chaque événement (normalement jusqu'à 24 échantillons en raison des contraintes techniques des préleveurs automatiques) et seulement quelques événements par an peuvent être mesurés. Les résultats ainsi obtenus ne fournissent pas d'information précise ni complète en ce qui concerne la dynamique des flux polluants (Bertrand-Krajewski et al., 2008).

Une solution alternative consiste à utiliser des capteurs in situ avec des pas d'acquisition de données courts et capables de fournir des séries temporelles qui puissent être converties en concentrations en MES et en DCO. Parmi les capteurs existants sur le marché, seuls les turbidimètres et les spectromètres UV-visibles semblent pouvoir être utilisés in situ avec un niveau acceptable de fiabilité, au regard des conditions particulières

<figure><img src="image_184.png" /><figcaption>Figure 1 : Comparaison des efficacités mesurées et modélisées pour différentes densités de sédiments (Yan et al., 2014).</figcaption></figure>
<figure><img src="image_185.png" /><figcaption>**Figure 2:** Comparaison des zones de dépôt simulées (en vert) et observées dans le bassin de Django-Reinhardt.</figcaption></figure>

de fonctionnement des réseaux d'assainissement (Gruber et al., 2006). Sur la base de ces mesures, des méthodes spécifiques sont appliquées pour évaluer les concentrations équivalentes en MES et DCO et leurs incertitudes respectives (Bertrand-Krajewski, 2004).

## La modélisation 3D permet également d'évaluer l'efficacité de piégeage

Un modèle hydrodynamique 3D du bassin de retenue-décantation Django Reinhardt a été développé dans le but de simuler la répartition spatiale des sédiments. Le modèle 3D mis au point permet de prendre en compte la décantation et la remise en suspension des sédiments en place et entrant, pour un débit d'entrée donné. La prise en compte de la décantation et de la remise en suspension se fait à partir de la comparaison entre l'énergie cinétique turbulente (liée à l'écoulement) et l'énergie cinétique transportée par les particules (calculée à partir de leurs vitesses de chute). Si l'énergie cinétique transportée par une particule est supérieure à celle liée à l'écoulement, alors la particule décante; dans le cas contraire, elle est remise en suspension. La figure 2 montre la répartition spatiale des sédiments au sein du bassin de retenue-décantation. La répartition spatiale simulée (particules « vertes ») est en adéquation avec celle observée depuis 2006. L'efficacité d'interception des polluants particulaires a également été reproduite par modélisation (Yan et al., 2014). Ce modèle pose les bases d'un outil opérationnel de conception des bassins de retenue-décantation dans un objectif de dépollution.

## En Bref...

La mise en place d'un suivi en continu de la turbidité avec un pas de temps fin (2 minutes pour le cas du site OTHU Django-Reinhardt) en entrée et sortie d'ouvrage et la modélisation 3D de l'hydrodynamique et du transport solide permettent d'accéder au taux de piégeage des polluants particulaires. Cette efficacité de piégeage dépend principalement de la géométrie de l'ouvrage et des caractéristiques physico-chimiques des polluants particulaires véhiculés.

## POUR ALLER PLUS LOIN

Estimation des concentrations en MES à partir de la turbidité :

* Bertrand-Krajewski J.-L., Barraud S., Lipeme Kouyi G., Torres A., & Lepot M., (2008). Mesurages en continu des flux polluants particulaires en réseaux d'assainissement urbains : enjeux, méthodes, exemple d'application. *La Houille Blanche*, 4, 49-57 – https://doi.org/10.1051/lhb:2008039 – lc.cx/bertrand2008

Modélisation 3D de l'hydrodynamique et du transport solide au sein d'un bassin de retenue-décantation :

* Yan H., Lipeme Kouyi G., Gonzalez-Merchan C., Bécouze-Lareure C., Sébastian C., Barraud S., Bertrand-Krajewski J.-L., (2014). Computational Fluid Dynamic modeling of flow and particulate contaminants sedimentation in an urban stormawater detention and settling basin. *Environmental Science and Pollution Research*, 21(8), 5347-5356. https://doi.org/10.1007/s11356-013-2455-6 – lc.cx/yan2014

* Yan H., Vosswinkel N., Ebbert S., Lipeme Kouyi G., Mohn R., Uhl M., & Bertrand-Krajewski J.-L., (2020). Numerical investigation of particles' transport, deposition and resuspension under unsteady conditions in constructed stormwater ponds. *Environmental Sciences Europe*, 32, 76. Open access https://doi.org/10.1186/s12302-020-00349-y – lc.cx/yan2020
# Quels sont les éléments à prendre en compte pour la gestion des sédiments des bassins de retenue-décantation ?

Gislain Lipeme Kouyi, INSA Lyon - Claire Gibello, Nelly Maamir, Métropole de Lyon - Laure Wiest, ISA - Jean-Yves Toussaint, Sophie Vareilles, EVS - Benoit Cournoyer, Vetagro Sup / Université Lyon 1 CNRS - Yves Perrodin, ENTPE - Céline Becouze-Lareure, Roannaise de l'eau - Sylvie Barraud, INSA DEEP

Comme de nombreuses collectivités, la Métropole de Lyon a vu augmenter considérablement son patrimoine d'ouvrages de rétention ou d'infiltration des eaux pluviales et est confrontée à la gestion des sédiments qui s'y déposent. Les questions qu'elle a fait remonter aux chercheurs de l'OTHU ont notamment été les suivantes:
Quelle conception des ouvrages ? Faut-il les curer ? À quelle fréquence ? En quelle saison ? Quelle technique de curage utiliser ? Existe-t-il des filières spécifiques de traitement/de valorisation ? Ces questions ont nourri le programme de recherche pluridisciplinaire CABRRES qui a permis d'apporter aux opérationnels des éléments de réponses importants.

## Quelques règles pour optimiser la conception des ouvrages

Initialement conçus pour des besoins hydrauliques, les ouvrages de retenue-décantation et d'infiltration des eaux pluviales ont des géométries diverses et variées. Or, cette géométrie influence largement la décantation. La modélisation hydrodynamique 3D mise au point dans le cadre de CABRRES permet de comprendre le fonctionnement et d'optimiser la conception ou la réhabilitation des ouvrages. Celle-ci a notamment mis en lumière que des formes sont plus adaptées que d'autres pour l'interception des pollutions par décantation.

Ainsi, la géométrie de l'ouvrage doit permettre un temps de séjour d'au moins 3 heures dans le bassin de retenue. Comme expliqué ci-après, il convient également d'éviter les fosses de décantation.

<figure><img src="image_186.png" /><figcaption>Figure 1 : Quelques règles pour mieux concevoir les bassins de retenue-décantation</figcaption></figure>

### Avoir plusieurs entrées

plutôt qu'une seule. En cas d'entrée unique, mettre en place des dissipateurs ou d'autres formes d'obstacle pour ralentir l'écoulement.

### Construire un bassin plus long que large (rapport longueur sur largeur de 12 pour un bassin rectangulaire par exemple).

### Compartimenter le bassin en installant des murets ou cloisons ou en mettant en place des chicanes, dans le but d'atténuer la turbulence, ralentir l'écoulement, rallonger le temps de séjour et éviter la remise en suspension.

Persson (2000)
## Plusieurs enseignements pour limiter la pollution et la toxicité des sédiments

Les méthodes d'échantillonnage et d'analyses chimiques et biologiques utilisées et mises au point dans CABBRES se sont avérées pertinentes et ont mis en évidence une pollution des sédiments (voir Question 5.4: *Comment connaître la pollution des sédiments des bassins de rétention?*). Ces derniers sont surtout contaminés par des Hydrocarbures

Aromatiques Polycycliques (HAP), des métaux et certains PolyBromoDiphénylEther (PBDE: retardateurs de flamme). Ils contiennent peu de pesticides car ces derniers sont essentiellement sous forme dissoute (Sébastian, 2013). On y retrouve également de manière récurrente le 4-Nonylphénol (composé de la famille des alkylphénols) et le Bisphénol A. Ces sédiments sont également très chargés en fer.

Les résultats ont confirmé qu'il fallait éviter d'installer une fosse de décantation dans l'ouvrage de retenue (figure 1). En effet, l'accumulation des contaminants y développe

**Figure 2:** Illustration des outils et méthodes développés au sein de l'OTHU pour la gestion des sédiments :

(a) Modèle 3D hydrodynamique.

(b) Technique échantillonnage des sédiments de bassins par quartage (voir fiche technique OTHU n° 27 : lc.cx/ficheothu27).

(c) Modèle biologique ostracode (microcrustacé) connu et normalisé (norme ISO 14371) pour qualifier les sédiments des bassins de retenue-décantation, et décider du bon moment pour le curage, et prioriser les sédiments selon leur qualité.

<figure><img src="image_187.png" /></figure>

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un véritable bouillon de culture qui accroît la toxicité des sédiments, mise en évidence par la mortalité observée lors du bioessai ostracodes (crustacés microscopiques). De plus, la fosse favorise une population bactérienne particulière, différente de celle des autres points à l'intérieur ou à l'extérieur du bassin, dont des colonies pathogènes (parmi lesquelles des *Pseudomonas* ou *Nocardia*).

Concernant le curage, il semble qu'une fréquence de 5 ans soit un bon compromis: cette période permet une certaine homogénéisation des sédiments et une baisse de l'écotoxicité du fait de leur maturation. Au-delà de 5 ans, l'efficacité de piégeage diminue. Le test ostracode est quant à lui un bioindicator prometteur pour décider du moment opportun pour réaliser le curage, même s'il ne donne pas nécessairement accès à une valeur seuil: le niveau de mortalité de référence doit être pris en compte. Il convient de poursuivre la recherche pour affiner ces éléments.

## Le lieu, la nature et l'agencement des aménagements urbains influencent la pollution des eaux de ruissellement qui alimentent les ouvrages

Dans le cadre de CABRRES, une enquête socio-urbanistique a été menée sur le bassin versant industriel raccordé au bassin de retenue-décantation Django-Reinhardt. L'objectif de cette enquête était d'établir un lien entre les objets mobilisés dans les activités humaines, la contamination particulaire, chimique et biologique des eaux de ruissellement et celle que l'on retrouve ensuite dans les sédiments des bassins de retenue-décantation et d'infiltration.

Les aménagements urbains (avenues, rues, impasses...) sont le support et la condition des activités. En clair, le lieu où se déroule l'activité (le support) ainsi que l'agencement et la nature des aménagements urbains (la condition) influencent directement les activités qui vont se dérouler. Par exemple, il a été observé une présence de déchets (emballages alimentaires, déchets liés à l'hygiène, excréments humains, etc.) dans les rues et les impasses, fortement liée au stationnement nocturne de poids lourds. En effet, l'enquête a révélé une problématique des besoins hygiéniques des conducteurs de poids lourds (les analyses microbiologiques confirment une forte contamination fécale sur la zone). Les coins plus isolés permettent et appellent donc des pratiques qui n'ont d'autres espaces ou dispositifs pour se réaliser. Par conséquent, l'installation de poubelles, de toilettes, voire de points d'eau ou d'aires d'accueil pour poids lourds pourrait améliorer la situation.

Enfin, il a été constaté une porosité entre les espaces publics et les espaces privés, participant aux processus de contamination de l'espace public (eaux de ruissellement de l'espace privé qui s'écoule vers la rue).

## Perspectives de gestion et de traitements des sédiments de curage

Afin d'identifier les possibilités de gestion et de valorisation des sédiments ainsi que les éventuelles nécessités de traitement, un projet DESIR (Développement et évaluation de stratégies de gestion durable des sédiments de bassins d'infiltration et de rétention des eaux pluviales - lc.cx/desir) a débuté en 2020.

## En Bref...

### Quelques clés de gestion :

* Concevoir ou réhabiliter des ouvrages sans fosse de décantation et avec un temps de séjour d'au moins 3 heures.

* Curer avec une fréquence de l'ordre de 5 ans, avec un masque de protection, plutôt l'hiver pour éviter le risque d'aérosolisation et bénéficier d'une plus faible activité des bactéries.

* Le traitement des sédiments par maturation est prometteur. Il convient de poursuivre la recherche.

* Les aménagements urbains et les activités qui s'y développent ont une influence sur la contamination des sédiments. Il est possible d'agir aussi à ce niveau.

Des outils et des méthodes sont disponibles pour appuyer les collectivités dans la gestion des sédiments.
POUR ALLER PLUS LOIN

► Barraud S., De Becdelièvre L., Bedell J.-P., Delolme C., Perrodin Y., Winiarski T., Bacot L., Brelot E., Soares I., Desjardin-Blanc V., Lipeme Kouyi G., Malard F., Mermillod-Blondin F., Gibert J., Herbreteau B., Clozel B., Gaboriau H., Seron A., Come J.-M., Kaskassian S., Verjat J.-L., Bertrand-Krajewski J.-L., Cherqui F., (2009).
L'infiltration en questions. Guide édité dans le cadre du projet ECOPLUIES – ANR PRECODD – lc.cx/ecoplues

► **Programme de recherche ANR CABRRES.** Caractérisation chimique, microbiologique, écotoxicologique, spatio-temporelle des contaminants des bassins de retenue des eaux pluviales urbaines : évaluation et gestion des risques environnementaux et sanitaires associés - 2012-2017 – lc.cx/cabrres
Bibliographie

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Barraud S, De Becdelièvre L. (coord.), Bedell J.-P., Delolme C., Perrodin Y., Winiarski T., Bacot L., Brelot E., Soares I., Desjardin-Blanc V., Lipeme Kouyi G., Malard F., Mermillod-Blondin F Gibert J., Herbreteau B., Clozel B., Gaboriau H., Seron A. Come, J.-M., Kaskassian S., Verjat J.-L., Bertrand-Krajewski J.-L., Cherqui F., (2009). *L'infiltration en questions*. Guide édité dans le cadre du projet ECOPLUIES – ANR PRECODD – lc.cx/guideinfiltration (consulté le 11/10/2021).

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